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Die Magie des Wärmeflusses: Wie wird sie leise zwischen Luft und Objekten übertragen?
In der Physik und im Ingenieurwesen ist der Wärmestrom oder die Wärmestromdichte, manchmal auch Wärmestromintensität genannt, die Menge an Energie, die pro Flächeneinheit und Zeiteinheit fließt. Die Einheit für dieses Konzept ist Watt pro Quadratmeter (W/m2). Der Wärmefluss hat eine Richtung und eine Größe und wird daher als Vektorgröße betrachtet. Ob in der Wissenschaft oder im Ingenieurwesen: Die richtige Messung und Anwendung des Wärmeflusskonzepts ist für das Verständnis und die Verbesserung verschiedener Wärmemanagementsysteme von entscheidender Bedeutung.
Wärmeströme sind allgegenwärtig, sowohl in unserem Alltagsleben als auch in hochtechnologischen Anwendungen.
Definition und Anwendung des Wärmeflusses
Um den Wärmefluss an einem Punkt im Raum zu definieren, betrachten wir normalerweise infinitesimale Oberflächenzustände. Wärmefluss wird häufig durch
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dargestellt, wobei der Untertagq darauf hinweist, dass es sich um Wärmefluss und nicht um Massen- oder Impulsfluss handelt. Das Fouriersche Gesetz ist eines der wichtigsten Gesetze zur Beschreibung des Wärmeflusses, insbesondere in festen Materialien, wo die Wärme hauptsächlich durch Leitung übertragen wird.
Das Fouriersche Gesetz besagt, dass der Wärmestrom immer von Bereichen mit hoher Temperatur zu Bereichen mit niedriger Temperatur fließt.
Fouriersches Gesetz und seine Erweiterungen
Der Ausdruck des Fourierschen Gesetzes in einer Dimension lautet:
φq = -k * dT(x)/dx
Wobei k die Wärmeleitfähigkeit ist. Das negative Vorzeichen zeigt an, dass der Wärmefluss in Richtung des Bereichs niedrigerer Temperatur erfolgt. Wenn wir mehrdimensionale Situationen untersuchen, folgt der Wärmefluss immer noch ähnlichen Prinzipien:
Hierbei ist ∇ der Gradientenoperator, der den Zusammenhang zwischen Wärmefluss und Temperaturgradient zeigt.
Methoden zur Messung des Wärmeflusses
Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Wärmefluss zu messen. Erstens können wir den Wärmefluss durch ein Material mit bekannter Wärmeleitfähigkeit messen, ähnlich wie wir bei der Messung des Spannungsabfalls über einem bekannten Widerstand einen elektrischen Strom messen. Allerdings ist dieser Ansatz in der Praxis relativ schwer umzusetzen, da der Wärmewiderstand des Materials meist unklar ist und daher die genaue Angabe der Materialdicke und Wärmeleitfähigkeit entscheidend ist.
Wenn die Wärmeleitfähigkeit unbekannt ist, ist ein Wärmeflusssensor ein wirksames Messinstrument.
Eine andere Möglichkeit zur Messung des Wärmeflusses ist die Verwendung eines Wärmeflusssensors oder Wärmeflusswandlers, der die von der Oberfläche, auf der er montiert ist, übertragene Wärmemenge direkt misst. Daher können wir Messungen vor Ort durchführen, auch wenn die Werte des Wärmewiderstandes oder der Wärmeleitfähigkeit nicht bekannt sein müssen.
Anwendungen von thermischen Durchflusssensoren
Gängige Wärmeflusssensoren wie Differenztemperatur-Thermosäulen basieren auf einem ähnlichen Grundprinzip wie die erste oben genannte Messmethode, erfordern jedoch keine Kenntnisse über den Wärmewiderstand oder die Wärmeleitfähigkeit des Produkts. Dies macht thermische Durchflusssensoren in vielen praktischen Anwendungen flexibler. Diese Thermosäulen müssen jedoch kalibriert werden, um ihr Ausgangssignal (normalerweise in Mikrovolt gemessen) in einen Wärmeflusswert (gemessen in Watt pro Quadratmeter pro Kelvin) umzuwandeln. Nach der Kalibrierung kann der Wärmeflusssensor zur direkten Messung des Wärmeflusses verwendet werden, ohne dass der Wärmewiderstand oder die Wärmeleitfähigkeit bekannt sein müssen.
In Wissenschaft und Technik ist die Energiebilanz ein wichtiges Instrument zur Analyse von Wärmeströmen und Wärmemanagementsystemen.
Thermische Flussanalyse in Wissenschaft und Technik
Wissenschaftler und Ingenieure verlassen sich oft auf das Werkzeug der Energiebilanz, das auf jedes physikalische System angewendet werden kann, von chemischen Reaktoren bis hin zu biologischen Organismen. Die Formel für die Energiebilanz lautet:
∂Eein/∂t - ∂Eaus/∂t - ∂Eakkumuliert/∂t = 0Die drei Elemente stellen hier die gesamte Energieänderung dar, die in das System eintritt, die gesamte Energieänderung, die das System verlässt, und die kumulative Energieänderung innerhalb des Systems. Wenn die Energieübertragung ausschließlich über den Wärmestrom erfolgt, kann die Wärmestromrate zur Berechnung der Energiebilanz verwendet werden. Selbst in praktischen Anwendungen, in denen es nicht möglich ist, den genauen Wärmestrom an jedem Punkt der Oberfläche zu kennen, können wir zur Durchführung von Berechnungen Näherungsverfahren wie beispielsweise die Monte-Carlo-Integrationsmethode verwenden.
Mit dem Fortschritt der Technologie ist die Bedeutung der Wärmeflussmessung und -steuerung immer deutlicher geworden. Sie spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen Anwendungen wie dem Wärmemanagement von Gebäuden, dem Wärmeableitungsdesign elektronischer Geräte und vielen industriellen Prozessen. Können wir in dieser sich rasch verändernden Welt die Geheimnisse des Wärmeflusses besser verstehen und so Wissenschaft und Technik voranbringen?
