alpha Lernen - Physik

Wärmelehre Übungen zur Wärmeströmung

Von: Christian Döllinger

Stand: 29.03.2017

Symbol | Bild: Angela Smets/BR

Wenn Du den Film mit dem Glasrohr zur Wärmeströmung aufmerksam verfolgt hast, ist Dir vielleicht aufgefallen, dass an der Erwärmungsstelle ein Drahtnetz angebracht ist. Kannst Du Dir vorstellen, welche Funktion das Drahtnetz bei diesem Versuch hat?

Glas ist ein schlechter Wärmeleiter. Wenn man in ein dickwandiges Glasgefäß heißes Wasser füllt, besteht die Gefahr, dass das Glas zerspringt. Die heiße Flüssigkeit erwärmt nämlich zunächst die innere Oberfläche des Glases. Der Innenbereich dehnt sich dadurch aus. Da Glas aber ein schlechter Wärmeleiter ist, steigt die Temperatur der äußeren Oberfläche zunächst nicht an. Die äußere Oberfläche dehnt sich daher anfangs auch nicht mit aus. Durch das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten der inneren und äußeren Oberfläche des Glases können in ihm so starke Spannungen auftreten, dass das Glas zerspringt.

Dasselbe kann passieren, wenn man - wie in dem Versuch gezeigt - das Glasrohr mit einem Gasbrenner von außen erwärmt. Dann dehnt sich die äußere Oberfläche an der Erwärmungsstelle aus, während die innere anfangs noch kühl bleibt und sich daher nicht ausdehnt. Auch in diesem Falle können hohe Spannungen im Glas auftreten, die das Glas zum Zerspringen bringen - noch dazu, weil die Flamme des Gasbrenners eine sehr hohe Temperatur hat.

Umwickelt man aber die Erwärmungsstelle mit einem Drahtnetz - am besten aus Kupfer, da Kupfer ein sehr guter Wärmeleiter ist - dann sorgt die gute Wärmeleitfähigkeit des Drahtnetzes dafür, dass über das Netz viel Wärme nach außen an die Luft abgeführt wird. Dadurch erwärmt sich das Glasrohr an der Erwärmungsstelle nicht so schnell wie ohne das Drahtnetz. Die Erwärmung des Glases geht dadurch verzögert vor sich, so dass es mehr Zeit hat die Temperaturunterschiede auszugleichen.

In der Nähe des Chiemsees im Alpenvorland gibt es am Fuße der Berge, etwa 10 km vom See entfernt, ein Gymnasium und eine Realschule. Im Sommer fahren viele Schüler aus Ortschaften in der Nähe des Sees mit dem Rad zur Schule und beschweren sich, dass sie meist sowohl morgens bei der Hinfahrt als auch mittags bei der Heimfahrt Gegenwind haben. Wie ist das möglich?

Wie wir im Film erfahren haben, kühlt sich im Sommer nachts und am frühen Morgen wegen der größeren spezifischen Wärmekapazität des Wassers gegenüber dem des festen Bodens der See weniger stark ab als das benachbarte Festland. Das relativ warme Wasser erwärmt die aufliegende Luftschicht, diese dehnt sich aus und ihre Dichte verringert sich. Dadurch steigt die Luft auf (wie das Wasser an der Erwärmungsstelle im Versuch). Über dem See entsteht ein kleines lokales Tiefdruckgebiet, das dafür sorgt, dass Luft vom Land her zum See strömt. Den Schülern bläst also morgens der Wind aus den Bergen entgegen. Man bezeichnet diese Luftströmung, die man an allen größeren Wasserflächen beobachten kann, als Landwind, da die Luft vom Land zum See hin strömt.

Tagsüber drehen sich - wie Ihr im Film gesehen habt - die Strömungsverhältnisse um: Wegen seiner kleineren spezifischen Wärmekapazität erwärmt sich der Boden viel schneller und stärker als das Wasser im See. Der Boden gibt die Wärme an die aufliegende bodennahe Luftschicht ab. Diese dehnt sich aus, ihre Dichte nimmt ab und sie steigt - wie die Luft über dem See in der Nacht - nach oben. Dadurch entsteht tagsüber über dem Land und den Bergen ein kleines lokales Tiefdruckgebiet. Die durch den Aufstieg verschwundene Luft wird durch Luft aus dem Bereich des Sees ersetzt, d. h. der Wind weht tagsüber vom See aufs Land und zu den Bergen - dieser (kühlende) Seewind sorgt dafür, dass bei der Heimfahrt Richtung See wieder Gegenwind herrscht.

Konzipiere eine Heizanlage für ein Wohnhaus: Wo steht der Heizkessel, wo die Heizkörper?

Der Heizkörper muss - wenn keine Pumpe zur Anwendung kommt - an der tiefsten Stelle, also in der Regel im Keller eingebaut werden. Die Heizkörper sollten unter den Fenstern plaziert werden, damit die durch die Fenster eindringende kalte Luft sofort erwärmt wird.

Welchen Vorteil bietet eine Fußbodenheizung gegenüber einer konventionellen Heizung mit Heizkörpern?

Die an den Heizkörpern anliegende Luft wird erwärmt und steigt nach oben zur Decke des Zimmers. Es stellt sich eine Strömung ein, bei der die warme Luft im oberen Teil des Raumes entlang strömt, sich dabei abkühlt und an der gegenüberliegenden Seite als kältere Luft in Bodennähe zum Heizkörper zurückströmt. Das bedeutet, dass der untere Teil des Raumes über dem Fußboden eine um ein paar Grad niedrigere Temperatur hat als der obere Teil des Raumes (wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Zimmerluft kommt es zu keinem Ausgleich). Da die Räume für gewöhnlich etwa einen halben Meter höher sind als die durchschnittliche Körpergröße, bringt die Erwärmung auf Kosten der bodennahen Luft wenig für das Wärmegefühl.

Diese ungleiche Temperaturverteilung kann mit einer Fußbodenheizung weitgehend vermieden werden: Die vom Boden erwärmte Luft steigt auf, der Boden bleibt aber durch die Bodenheizung dennoch warm.