Der Wärmestrom beschreibt die pro Zeiteinheit übertragene Wärmeenergie, d.h. eine Wärmeleistung. Antrieb für den Wärmestrom ist eine Temperaturdifferenz.
Richtung des Wärmeflusses
Stehen zweier Gegenstände mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt miteinander, so sind diese versucht ihre Temperaturen mit der Zeit anzugleichen. Antrieb hierfür ist das Anstreben des thermodynamischen Gleichgewichtes. Salopp formuliert bedeutet dies eine gleichmäßige Verteilung der Bewegungsenergien der in den Gegenständen enthaltenen Moleküle. Da die Bewegungsenergie letztlich ein Maß für die Temperatur darstellt, entspricht diese Gleichverteilung letztlich dem Einstellen einer gemeinsamen Gleichgewichtstemperatur. Eine solche Angleichung der Bewegungsenergien (Temperaturen) wurde im Artikel Wärme und thermodynamisches Gleichgewicht anschaulich durch Stoßprozesse der Teilchen begründet.
Aus dem thermodynamischen Verständnis des Wärmebegriffs heraus wird deutlich, dass Wärmeenergie immer nur von einem heißeren („energiereicheren“) Gegenstand auf einen kühleren („energieärmeren“) Gegenstand übertragen werden kann. Schließlich geben die schnelleren Teilchen des heißeren Stoffes einen Teil ihrer Energie an die langsameren Teilchen des kühleren Stoffes ab und nicht umgekehrt. Deshalb wird man im Alltag auch niemals beobachten, dass ein kühler Körper von selbst seine Temperatur verringert und gleichzeitig einen in Kontakt stehenden wärmeren Körper erwärmt. Vielmehr wird sich immer der wärmere der beiden Körper abkühlen und den kälteren erwärmen.
Wärme strömt immer von Stellen höherer Temperatur zu Stellen niedriger Temperatur!
Der Wärmestrom ist salopp formuliert also immer von warm nach kalt gerichtet. So müsste bspw. die Aussage „im Winter sollte man die Fenster schließen, sonst kommt Kälte herein“ also richtigerweise lauten „im Winter sollte man die Fenster schließen, sonst wird Wärme entweichen„!
Definition des Wärmestroms
Die bei einer Wärmeübertragung pro Zeit Δt übertragene Wärmeenergie Q wird auch als Wärmestrom oder Wärmefluss Q* bezeichnet. Der Wärmestrom entspricht letztlich einer Wärmeleistung („Energie pro Zeiteinheit“) und wird deshalb in der Einheit Watt (W) angegeben.
\begin{align}
& \boxed{\dot Q = \frac{Q}{\Delta t}} ~~~[Q]=\frac{\text{J}}{\text{s}}=\text{W} \\[5px]
\end{align}
Damit es zu einem Wärmestrom kommt, muss zwingend eine Temperaturdifferenz vorhanden sein. Dabei zeigt die Praxis, dass der Wärmestrom umso größer ist, je größer die Temperaturdifferenz ist. Die Temperaturdifferenz kann somit als Maß für die Antriebsstärke des Wärmestroms angesehen werden (siehe hierzu auch den Artikel Wärmeleitfähigkeit).
Die Temperaturdifferenz ist ein Maß für die Antriebsstärke des Wärmestroms!
Wärmestrom im Teilchenmodell
Dass der Wärmestrom zwischen zwei Gegenständen umso größer ist, je größer die Temperaturdifferenz ist, lässt sich mit dem Teilchenmodell anschaulich nachvollziehen. Denn je größer der Temperaturunterschied zweier Stoffe, desto größer ist auch die Differenz in den Bewegungsenergien der jeweiligen Teilchen. Somit kann auch sehr viel Energie von den „schnelleren“ auf die „langsameren“ Teilchen übertragen werden, was letztlich eine große Wärmeübertragung bedeutet. Stellen Sie sich einfach eine schnelle Bowlingkugel vor, die in eine sehr langsame kracht, anstatt einer relativ langsamen Bowlingkugel, die mit einer etwas langsameren kollidiert. Im ersten Fall wird deutlich mehr Energie („Wärme“) übertragen.
Damit lässt sich auch erklären weshalb das Angleichen der Temperaturen zweier in Kontakt stehender Körper zu Beginn schneller abläuft als gegen Ende. So ist die Temperaturdifferenz zwischen den Körpern zu Beginn relativ hoch. Hierdurch resultiert ein großer Wärmestrom. Dieser sorgt zunächst dafür, dass pro Zeiteinheit sehr viel Energie vom heißeren Gegenstand auf den kühleren Gegenstand übergeht. Die Temperatur des kühleren Körpers steigt entsprechend schnell an und die des heißeren Körpers sinkt rasch.
Im weiteren Verlauf gleichen sich die Temperaturen immer mehr an. Hierdurch verringert sich die Temperaturdifferenz sowie der damit verbundene Wärmestrom. Somit wird auch immer weniger Energie pro Zeiteinheit übertragen. Folglich steigen bzw. sinken die Temperaturen nicht mehr so schnell. Der Prozess der Temperaturangleichung verlangsamt sich mit fortschreitender Zeit also immer mehr. Sobald sich die Temperaturen angeglichen haben, kommt auch der Antrieb für den Wärmestrom zum Erliegen. Es wird effektiv keine Energie mehr transportiert. Die Wärmeübertragung ist damit abgeschlossen und das thermodynamische Gleichgewicht erreicht.
Abkühlen einer Herdplatte
Das untere Diagramm zeigt im Zeitraffer den Abkühlvorgang einer Herdplatte an Luft wie es mithilfe einer Wärmebildkamera aufgenommen wurde. Es wird deutlich, dass die Temperatur unmittelbar nach dem Abschaltvorgang rasch abfällt. Dann allerdings verlangsamt sich dieser Abkühlvorgang mehr und mehr. Schließlich wird nach der anfänglich starken Temperaturabnahme noch jede Menge Zeit vergehen, bevor man die Herdplatte wieder anfassen kann.
Wie bereits erwähnt, ist dieses verlangsamte Abkühlverhalten dem abnehmendem Wärmestrom geschuldet. Denn mit sinkender Temperatur nimmt auch die Temperaturdifferenz zur Umgebung hin ab und damit auch der Wärmestrom. Der Abkühlvorgang verlangsamt sich somit allmählich.
Beachte, dass es sich auch bei diesem Vorgang strenggenommen um ein Angleichen der Temperaturen handelt. Während die Temperatur der Herdplatte sinkt, steigt theoretisch die Lufttemperatur der Umgebung. Letzteres ist jedoch meist nicht beobachtbar, da aufgrund der großen Umgebung die Lufttemperatur nur minimal steigt. Sie sollten deshalb weder mit einer Herdplatte noch mit einem Backofen versuchen ihre Wohnung zu heizen! Dies führt nur zur Überhitzung der Platten bzw. des Backofens und zu evtl. tödlichen Bränden! Zudem ist es auch noch energetisch ineffektiv.
