Wärmetechnik
Glossar der Begriffe

Absorption ist der Prozess, bei dem Strahlung, die von Materie abgefangen wird, in innere thermische Energie umgewandelt wird. Es handelt sich um den Anteil der eingestrahlten Energie, der von der Materie absorbiert wird. Dies kann durch richtungsabhängige, hemisphärische, spektrale und totale Absorptionsfähigkeit charakterisiert werden.

Eine adiabatische Bedingung ist ein Prozess oder eine Randbedingung, bei der kein Wärmeaustausch stattfindet. Im Kontext des Wärmetransfers bedeutet dies, dass kein Wärmeaustausch zwischen dem System und seiner Umgebung erfolgt. Dies ist wichtig, da es die Analyse von Wärmeübertragungsprozessen unter bestimmten Bedingungen, wie z.B. wenn Isolierung den Wärmeaustausch verhindert, ermöglicht.

Adiabatische Bedingungen können die Berechnung der Wärmeübertragungsraten und Temperaturverteilungen vereinfachen. Durch Annahme adiabatischer Bedingungen kann man sich auf spezifische Aspekte der Wärmeübertragung, wie Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung, konzentrieren, ohne die zusätzliche Komplexität eines Wärmeaustauschs mit der Umgebung.

Advektion bezieht sich auf den Transport einer Substanz durch die Massenbewegung eines Fluids. Sie ist speziell mit der Bewegung einer großen Anzahl von Molekülen im Kollektiv oder als Aggregate im Fluid verbunden. Wenn ein Temperaturgradient vorliegt, trägt diese kollektive Bewegung zum Wärme- oder Stofftransport bei. Im Kontext des Wärmetransfers ist Advektion synonym mit der Massenbewegung des Fluids, die zusätzlich zum zufälligen molekularen Transport (Diffusion) zur Gesamtwärmeübertragung beiträgt.

Die Biot-Zahl, dargestellt als Bi, ist eine dimensionslose Zahl, die eine grundlegende Rolle bei Wärmeleitungsproblemen spielt, bei denen Oberflächenkonvektionseffekte berücksichtigt werden. Sie wird als das Verhältnis des inneren thermischen Widerstands eines Feststoffs zum thermischen Widerstand an der Feststoff-Fluid-Grenzfläche definiert. Mathematisch wird sie ausgedrückt als:

$$Bi = \frac{h L}{k}$$

Wobei:

• h der Konvektions-Wärmeübergangskoeffizient [W/m²·K] ist
• L eine charakteristische Länge (z.B. die Dicke des Feststoffs) [m] ist
• k die Wärmeleitfähigkeit des Feststoffs [W/m·K] ist

Die Biot-Zahl liefert ein Maß für den Temperaturabfall im Feststoff relativ zum Temperaturunterschied zwischen der Feststoffoberfläche und dem Fluid. Sie wird verwendet, um die Bedeutung des konvektiven Wärmeübergangs relativ zur Wärmeleitung in einem gegebenen System zu bewerten.

Ein schwarzer Körper ist ein idealisiertes physikalisches Objekt, das alle auf es treffende elektromagnetische Strahlung unabhängig von Wellenlänge und Richtung vollständig absorbiert. Es emittiert auch die maximal mögliche Strahlung für eine gegebene Temperatur und Wellenlänge. Die von einem schwarzen Körper ausgestrahlte Strahlung ist eine Funktion der Wellenlänge und der Temperatur, aber sie ist unabhängig von der Richtung, was es zu einem diffusen Emitter macht. Keine reale Oberfläche hat genau die Eigenschaften eines schwarzen Körpers, aber das Konzept des schwarzen Körpers dient als Standard, an dem die Strahlungseigenschaften realer Oberflächen verglichen werden können.

Sieden ist der Prozess, bei dem Verdampfung an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche auftritt. Es tritt auf, wenn die Temperatur der Oberfläche die Sättigungstemperatur entsprechend dem Flüssigkeitsdruck überschreitet. Wärme wird von der Feststoffoberfläche an die Flüssigkeit übertragen, was zur Bildung von Dampfblasen führt, die wachsen und sich von der Oberfläche ablösen. Sieden kann unter verschiedenen Bedingungen auftreten, wie Freisiedem, Zwangskonvektionssieden, unterkühltes Sieden und gesättigtes Sieden, wobei jede dieser Bedingungen einzigartige Merkmale aufweist. Der Siedeprozess wird von Faktoren wie Temperaturüberschuss, der Art der Oberfläche, thermophysikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit und Auftriebskräften beeinflusst.

Eine Grenzschicht ist eine dünne Flüssigkeitsschicht, die sich in der Nähe einer Oberfläche entwickelt, wenn ein Fluid über diese Oberfläche strömt. Sie zeichnet sich durch einen allmählichen Übergang der Strömungsgeschwindigkeit (Geschwindigkeitsgrenzschicht) und anderer Eigenschaften, wie der Temperatur (thermische Grenzschicht), von der Oberfläche zum äußeren Freistrahl aus. Die Grenzschicht wird typischerweise durch ihre Dicke definiert und ist wichtig bei Problemen, die Konvektionstransport betreffen.

Auftrieb bezieht sich auf die nach oben gerichtete Kraft, die von einer Flüssigkeit auf einen darin eingetauchten Körper ausgeübt wird. Diese Kraft resultiert aus dem Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des Körpers und steht in direktem Zusammenhang mit der Dichte der Flüssigkeit. Wenn ein Körper in eine Flüssigkeit gelegt wird, verdrängt er einen Teil der Flüssigkeit, und das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit übt eine Auftriebskraft auf den Körper aus.

Im Kontext der Fluidmechanik spielt der Auftrieb eine bedeutende Rolle bei der Anregung von Flüssigkeitsbewegungen in der freien Konvektion, bei der Dichteunterschiede aufgrund von Temperaturdifferenzen zur Erzeugung von Auftriebskräften führen. Diese Kräfte verursachen die Bewegung der Flüssigkeit, was zu Phänomenen wie der natürlichen Zirkulation und dem Wärmetransport in verschiedenen technischen und umweltbezogenen Anwendungen führt.

Kondensation ist der Prozess, bei dem eine Substanz von ihrem gasförmigen in ihren flüssigen Zustand übergeht. Es ist ein entscheidendes Phänomen im Wärme- und Stofftransport, da es die Übertragung von thermischer Energie (Wärme) sowie den Stofftransport von der Dampfphase in die Flüssigphase beinhaltet.

Wärmeleitung ist der Energietransfer innerhalb eines Mediums aufgrund eines Temperaturgradienten, und sie tritt als Ergebnis zufälliger atomarer oder molekularer Aktivitäten auf. Diese Art des Wärmetransfers wird durch das Fouriersche Gesetz beschrieben, das den Wärmestrom in Relation zur Temperaturverteilung innerhalb des Mediums beschreibt. Wärmeleitung kann in verschiedenen Szenarien auftreten, einschließlich stationärer und instationärer Wärmeleitung, und in ein- oder mehrdimensionalen Systemen. Zudem ist Wärmeleitung die einzige Art des Wärmetransfers in einem Medium, in dem die Temperaturverteilung durch die Wärmeleitungsgleichung gesteuert wird.

Konvektion bezeichnet die Art des Wärmetransfers, bei dem sowohl der Energietransport durch die Massenbewegung des Fluids (Advektion) als auch die zufällige Bewegung von Fluidmolekülen (Wärmeleitung oder Diffusion) beteiligt sind. Sie tritt auf, wenn ein in Bewegung befindliches Fluid mit einer Oberfläche in Kontakt kommt, die eine andere Temperatur aufweist, was zu einem Wärmetransfer führt. Die Wechselwirkung zwischen dem Fluid und der Oberfläche führt zur Entwicklung einer Grenzschicht im Fluid, in der die Geschwindigkeit von null an der Oberfläche auf einen endlichen Wert im Zusammenhang mit der Strömung ansteigt.

Diffusion ist die Bewegung von Molekülen von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration. Es ist ein Prozess, bei dem sich Moleküle aufgrund ihrer zufälligen Bewegung ausbreiten und mit anderen Molekülen vermischen. Im Kontext des Stofftransports bezieht sich Diffusion auf die Bewegung einer Spezies in einem Gemisch infolge eines Konzentrationsunterschieds. Dieser Prozess wird durch das Fick'sche Gesetz beschrieben, das den diffusen Fluss einer Spezies in Bezug auf den Konzentrationsgradienten und den binären Diffusionskoeffizienten beschreibt.

Diffusivität ist ein Maß dafür, wie schnell sich eine Substanz ausbreitet oder diffundiert. Sie kann als der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Fluss einer Substanz und dem Konzentrationsgradienten dieser Substanz definiert werden. Im Kontext des Stofftransports bezieht sich Diffusivität speziell auf die Rate, mit der sich eine bestimmte Spezies innerhalb eines Gemischs ausbreitet oder diffundiert.

Die dynamische Viskosität, symbolisiert durch μ, ist das Maß für den Widerstand eines Fluids gegen Scherung oder Winkelverformung. Sie quantifiziert die innere Reibung im Fluid während des Fließens und ist eine Schlüsselgröße, die das Verhalten des Fluids unter Scherspannung bestimmt. Im Kontext eines Newtonschen Fluids ist die dynamische Viskosität direkt proportional zur Scherungsrate. Sie wird in Einheiten von [Pa·s] im SI-System gemessen. Alternative Einheiten umfassen [lbm/ft·h] und [lbf·h/ft²].

Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle Formen elektromagnetischer Strahlung, die von energiereichen Gammastrahlen und Röntgenstrahlen über ultraviolette (UV) Strahlung, sichtbares Licht und Infrarotstrahlung bis hin zu Mikrowellen und Radiowellen mit längeren Wellenlängen reichen. Es umfasst Wellenlängen von etwa 0,1 bis 100 μm. Dieses Spektrum ist für verschiedene Bereiche wie Hochenergiephysik, Kerntechnik, Elektrotechnik und Atmosphärenwissenschaft von Interesse, da die verschiedenen Strahlungsarten unterschiedliche Eigenschaften und Wechselwirkungen aufweisen.

Die Enthalpie H ist eine thermodynamische Eigenschaft eines Systems. Sie stellt die Gesamtenergie eines Systems dar, einschließlich der Energie, die mit dem Druck und dem Volumen des Systems verbunden ist. Die Enthalpie wird definiert als H = U + PV, wobei U die innere Energie des Systems, P der Druck und V das Volumen ist. Im Kontext der Fluidmechanik und des Wärmetransports wird die Enthalpie häufig verwendet, um die Gesamtenergie eines Fluids zu beschreiben, einschließlich seiner inneren Energie und der Energie, die mit seinem Druck und Volumen verbunden ist.

Emission bezieht sich auf den Prozess, bei dem ein Material thermische Energie in Form von Strahlung abgibt. Diese Strahlung wird in Form elektromagnetischer Wellen emittiert, und die Intensität und spektrale Verteilung der emittierten Strahlung hängen von der Temperatur und den Eigenschaften des emittierenden Materials ab. Emission kann durch Parameter wie totale Emissionsleistung, spektrale Emissionsleistung, Emissivität und Richtungs-Emissivität charakterisiert werden, die die Menge und die Eigenschaften der von einer Oberfläche emittierten Strahlung beschreiben.

Verdampfung ist der Prozess, bei dem eine Flüssigkeit in ein Gas oder einen Dampf übergeht. Dies geschieht, wenn die Moleküle einer Flüssigkeit genügend Energie gewinnen, um sich aus der flüssigen Phase zu lösen und in die gasförmige Phase überzutreten. Die für die Verdampfung erforderliche Energie stammt normalerweise aus der Umgebung, und der Prozess führt zu einer Abkühlung der verbleibenden Flüssigkeit. Im Kontext des Wärme- und Stofftransports ist die Verdampfung ein wesentlicher Aspekt von Prozessen wie der Verdunstungskühlung, bei denen der Energie- und Stoffaustausch zwischen einer Flüssigkeit und ihrer Umgebung entscheidend ist.

Erzwungene Konvektion ist der Prozess der Wärmeübertragung, bei dem die Bewegung des Fluids durch äußere Mittel wie einen Ventilator, eine Pumpe oder den Wind induziert wird. Ein Beispiel für erzwungene Konvektion ist die Verwendung eines Ventilators zur Luftkühlung heißer elektrischer Komponenten auf Leiterplatten. Bei der erzwungenen Konvektion wird die Strömung durch äußere Kräfte und nicht durch natürliche Auftriebskräfte angetrieben.

Beim erzwungenen Konvektionssieden erfolgt der Großteil des Wärmetransfers durch direkten Transfer von der heißen Oberfläche zur Flüssigkeit. Dies ähnelt einer Art erzwungener Konvektion im flüssigen Zustand, bei der die Fluidbewegung durch die aufsteigenden Blasen induziert wird. Der Prozess des erzwungenen Konvektionssiedens beeinflusst die Wärmeübertragungseigenschaften erheblich, und es werden Korrelationen verwendet, um diese Effekte zu verstehen und vorherzusagen.

Verschmutzung bezieht sich auf die Ansammlung unerwünschter Materialien auf festen Oberflächen, insbesondere in Wärmeübertragern. Diese Ansammlung kann die Effizienz des Wärmetransfers verringern und den Widerstand gegen den Flüssigkeitsfluss erhöhen, was zu einer verminderten Leistung des Wärmetauschers führt. Verschmutzung kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden, wie z.B. Ablagerung von Feststoffen, Ausfällung gelöster Salze, biologisches Wachstum oder chemische Reaktionen. Es ist ein häufiges Problem in industriellen Prozessen und kann durch regelmäßige Reinigung und Wartung der Oberflächen von Wärmeübertragern gemildert werden.

Der Verschmutzungsfaktor, dargestellt als R_f, ist ein Maß für den Widerstand gegen den Wärmetransfer, der durch die Ansammlung von Ablagerungen auf einer Wärmeübertragungsfläche verursacht wird. Er repräsentiert den zusätzlichen thermischen Widerstand aufgrund der Verschmutzung und wird typischerweise in [m² · K/W] ausgedrückt. Höhere Verschmutzungsfaktoren deuten auf einen größeren Widerstand gegen den Wärmetransfer aufgrund der Verschmutzung hin.

Verschmutzungsfaktoren können je nach Flüssigkeit und ihrer Temperatur variieren. Beispielsweise haben Meerwasser und behandeltes Kesselspeisewasser unterschiedliche Verschmutzungsfaktoren, die auf ihren Temperaturbereichen basieren. Der Verschmutzungsfaktor ist eine wichtige Überlegung bei der Konstruktion und dem Betrieb von Wärmetauschern, da er den Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten und die Effizienz des Systems beeinflusst.

Die Fourier-Zahl, oft als Fo dargestellt, ist eine dimensionslose Zeitgröße, die zur Charakterisierung von instationären Wärmeleitungsproblemen verwendet wird. Sie wird als das Verhältnis der Rate der Wärmeleitung innerhalb eines Feststoffs zur Rate der Wärmespeicherung innerhalb des Feststoffs definiert. Mathematisch wird sie ausgedrückt als:

$$Fo = \frac{\alpha \cdot t}{L^2}$$

• α ist die Wärmeleitfähigkeit des Feststoffs
• t ist die Zeit
• L ist eine charakteristische Länge des Feststoffs

Die Fourier-Zahl wird verwendet, um die relative Bedeutung der Wärmeleitung innerhalb eines Feststoffs über einen bestimmten Zeitraum zu bestimmen. Sie hilft dabei, das Verhalten der Temperaturverteilung innerhalb des Feststoffs während der instationären Wärmeleitung zu verstehen. Beispielsweise weist eine kleine Fourier-Zahl darauf hin, dass der Wärmeleitungsprozess relativ schnell im Vergleich zur Wärmespeicherung abläuft, und infolgedessen ändert sich die Temperaturverteilung innerhalb des Feststoffs schnell im Laufe der Zeit. Andererseits deutet eine große Fourier-Zahl darauf hin, dass die Rate der Wärmespeicherung innerhalb des Feststoffs im Vergleich zur Wärmeleitung signifikant ist, was zu einer langsameren Veränderung der Temperaturverteilung im Laufe der Zeit führt.

Das Fouriersche Gesetz ist ein grundlegendes Prinzip, das die Wärmeleitung beschreibt und die Beziehung zwischen dem Wärmestrom (der Rate des Wärmetransfers pro Flächeneinheit) und dem Temperaturgradienten (der Rate der Temperaturänderung mit der Entfernung) in einem Material ausdrückt. Es wird durch die Gleichung beschrieben:

$$q = -k \nabla T$$

Wobei:

• q der Wärmestrom [W/m²] ist
• k die Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/m·K] ist
• ∇T der Temperaturgradient [K/m] ist

Das Fouriersche Gesetz besagt, dass der Wärmestrom proportional zum negativen Temperaturgradienten ist, und es gilt für alle Materieformen, einschließlich Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Das Gesetz liefert eine Möglichkeit, den Wärmetransfer in einem Material basierend auf der Temperaturverteilung zu berechnen und ist entscheidend für das Verständnis und die Analyse der Wärmeleitung in verschiedenen physikalischen Systemen.

Freie Konvektion ist eine Art der Flüssigkeitsbewegung, die innerhalb einer Flüssigkeit aufgrund von Auftriebskräften auftritt, ohne dass äußere Kräfte auf sie einwirken. Sie entsteht, wenn eine Körperkraft, typischerweise die Schwerkraft, auf eine Flüssigkeit mit Dichtegradienten wirkt, was zur Erzeugung freier Konvektionsströme führt. Diese Art der Konvektion wird durch das Vorhandensein eines Temperaturgradienten angetrieben, der Auftriebskräfte und die Entwicklung von Grenzschichten zur Folge hat. Freie Konvektion spielt eine bedeutende Rolle in verschiedenen Systemen und Anwendungen und beeinflusst den Wärmetransfer, Temperaturverteilungen und Umweltprozesse.

Die Froude-Zahl, dargestellt als Fr, ist eine dimensionslose Zahl, die verwendet wird, um den Einfluss der Schwerkraft auf die Bewegung eines Fluids zu quantifizieren. Sie wird als das Verhältnis der Trägheitskraft zur Schwerkraft definiert und durch die Gleichung ausgedrückt:

$$Fr = \frac{V}{\sqrt{gL}}$$

• V die charakteristische Geschwindigkeit ist
• g die Erdbeschleunigung ist
• L die charakteristische Länge ist

Im Kontext des Flüssigkeitsflusses ist die Froude-Zahl besonders wichtig bei der Analyse von offenen Kanälen und der Bestimmung der Strömungsart, wie z.B. subkritische, kritische oder superkritische Strömung.

Die Grashof-Zahl ist ein dimensionsloser Parameter, der das Verhältnis von Auftriebskräften zu viskosen Kräften im freien Konvektionswärmeübergang beschreibt. Sie wird definiert als:

$$Gr = \frac{g \cdot \beta \cdot \Delta T \cdot L^3}{\nu^2}$$

Wobei:

• g die Erdbeschleunigung ist
• β der Volumenausdehnungskoeffizient ist
• ΔT die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche und der umgebenden Flüssigkeit ist
• L eine charakteristische Länge ist
• ν die kinematische Viskosität ist

Die Grashof-Zahl spielt eine entscheidende Rolle in der freien Konvektion, ähnlich wie die Reynolds-Zahl in der erzwungenen Konvektion. Sie ist ein Maß für den Einfluss von Auftriebskräften auf den Wärmeübertragungsprozess.

Ein grauer Körper ist ein theoretisches Konzept in der thermischen Strahlung und dem Wärmetransport. Es bezieht sich auf eine Oberfläche, die Strahlung mit einer Emissivität und Absorptionsfähigkeit emittiert und absorbiert, die unabhängig von der Wellenlänge der Strahlung sind. Das bedeutet, dass ein grauer Körper Strahlung über alle Wellenlängen hinweg gleich gut emittiert und absorbiert. Mit anderen Worten, er hat eine konstante Emissivität und Absorptionsfähigkeit über das gesamte elektromagnetische Spektrum.

Wärmestrom, symbolisiert durch das Zeichen q'', ist die Rate des Wärmetransfers pro Flächeneinheit. Er ist ein Maß für die Menge an Wärmeenergie, die eine Fläche pro Zeiteinheit durchdringt. Mathematisch wird er als Wärmetransfer pro Zeiteinheit pro Flächeneinheit definiert und in Einheiten von Watt pro Quadratmeter [W/m²] ausgedrückt.

Ein ideales Gas ist ein theoretisches Gas, das aus einer großen Anzahl von Molekülen ohne Volumen und ohne Anziehungskräfte zwischen ihnen besteht. In einem idealen Gas befinden sich die Moleküle in ständiger, zufälliger Bewegung und führen perfekte elastische Kollisionen miteinander und mit den Wänden des Behälters durch. Das Verhalten eines idealen Gases wird durch das ideale Gasgesetz beschrieben, das den Druck, das Volumen, die Temperatur und die Anzahl der Mol des Gases miteinander in Beziehung setzt. Dieses Gesetz wird durch die Gleichung dargestellt:

$$P V = n R T$$

Wobei:

• P der Druck ist
• V das Volumen ist
• n die Anzahl der Mol ist
• R die ideale Gaskonstante ist
• T die Temperatur ist

Bestrahlung bezieht sich auf die Strahlungsenergie, die auf eine Oberfläche pro Flächeneinheit auftrifft. Sie steht im Zusammenhang mit dem Strahlungswärmetransfer, da sie bestimmt, wie viel Strahlung von einer Oberfläche absorbiert wird. Die auf eine Oberfläche einfallende Bestrahlung beeinflusst die Rate, mit der die Oberfläche durch Strahlung thermische Energie gewinnt oder verliert. Im Kontext des strahlungsbedingten Wärmetransfers spielt die Bestrahlung eine entscheidende Rolle, da sie den Wärmeaustausch zwischen Oberflächen und der Umgebung beeinflusst.

Die kinematische Viskosität, symbolisiert durch das Zeichen ν, ist eine Fluideigenschaft, die als das Verhältnis der dynamischen Viskosität, gemessen in [Pa⋅s], zur Massendichte, gemessen in [kg/m³], definiert ist. Sie hat die Einheit [m²/s]. Die kinematische Viskosität ist ein Maß für den Widerstand eines Fluids gegen Fließen unter dem Einfluss der Schwerkraft und bietet Einblicke in die innere Reibung und die Verformungsfähigkeit des Fluids. Im Kontext der Fluiddynamik spielt die kinematische Viskosität eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Verhaltens von Grenzschichten, der Diffusion und der gesamten Strömungscharakteristik eines Fluids.

Laminarer Fluss ist eine Art des Flüssigkeitsflusses, bei dem sich die Flüssigkeit in parallelen Schichten mit minimaler Vermischung zwischen den Schichten bewegt. Bei laminarer Strömung bewegt sich die Flüssigkeit gleichmäßig und geordnet, und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit an jedem Punkt bleibt über die Zeit konstant. Diese Art der Strömung ist durch gut definierte Stromlinien und niedrige Geschwindigkeitsgradienten der Flüssigkeit gekennzeichnet. Laminarer Fluss wird typischerweise bei niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten beobachtet und zeichnet sich durch sein geordnetes und vorhersehbares Verhalten aus.

Latente Wärme bezieht sich auf die Energie, die mit einer Phasenänderung einer Substanz verbunden ist, wie z.B. von fest zu flüssig, flüssig zu gasförmig oder umgekehrt. Diese Energie steht nicht im Zusammenhang mit einer Temperaturänderung, sondern mit der Änderung des Aggregatzustands der Substanz. Beispielsweise, wenn eine Flüssigkeit verdampft und in ein Gas übergeht, oder wenn ein Gas kondensiert und in eine Flüssigkeit übergeht, wird die mit dieser Phasenänderung verbundene Energie als latente Wärme bezeichnet. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Energie nicht direkt mit der Temperatur der Substanz zusammenhängt, sondern mit der Änderung ihres physikalischen Zustands.

Die Methode der konzentrierten Kapazität ist ein vereinfachter Ansatz zur Analyse instationärer Wärmeleitungsprobleme, bei denen ein Festkörper eine plötzliche Änderung seiner thermischen Umgebung erfährt. Die Methode geht davon aus, dass die Temperatur des Festkörpers zu jedem Zeitpunkt während des instationären Prozesses räumlich gleichmäßig ist, was bedeutet, dass Temperaturgradienten innerhalb des Festkörpers als vernachlässigbar betrachtet werden.

Um die Gültigkeit der Methode der konzentrierten Kapazität zu bestimmen, wird ein Kriterium verwendet, um zu beurteilen, ob sie mit angemessener Genauigkeit angewendet werden kann. Dieses Kriterium beinhaltet die Berechnung der Biot-Zahl, die den Konvektionswärmeübergang an der Oberfläche des Festkörpers mit der Wärmeleitung innerhalb des Festkörpers vergleicht. Wenn die Biot-Zahl kleiner als ein bestimmter Wert (typischerweise 0,1) ist, wird die Methode der konzentrierten Kapazität als gültig für das gegebene Problem angesehen.

Die charakteristische Länge, dargestellt als L_c, spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Gültigkeit der Methode. Sie wird als das Verhältnis des Volumens des Festkörpers zu seiner Oberfläche definiert und erleichtert die Berechnung von L_c für Festkörper unterschiedlicher Formen. Zusätzlich wird die Fourier-Zahl, ein weiterer dimensionsloser Parameter, verwendet, um instationäre Wärmeleitungsprobleme in Verbindung mit der Biot-Zahl zu charakterisieren.

Insgesamt bietet die Methode der konzentrierten Kapazität eine einfache und praktische Möglichkeit, instationäre Erwärmungs- und Abkühlungsprobleme unter bestimmten Bedingungen zu analysieren, und wird häufig als erste Näherung für solche Szenarien verwendet

Das newtonsche Abkühlungsgesetz ist ein grundlegendes Prinzip im Wärmetransfer. Es besagt, dass die Rate des Wärmeaustauschs zwischen einer Oberfläche und einem Fluid proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche und dem Fluid ist. Mathematisch kann es ausgedrückt werden als:

$$q'' = h \cdot \left( T_s - T_{\infty} \right)$$

Wobei:

• q'' der Wärmestrom [W/m²] ist
• h der Konvektions-Wärmeübergangskoeffizient [W/m²⋅K] ist
• T_s die Oberflächentemperatur [K] ist
• T_∞ die Fluidtemperatur entfernt von der Oberfläche [K] ist

Dieses Gesetz ist entscheidend für das Verständnis des Wärmeaustauschprozesses zwischen einer Oberfläche und einem Fluid und bildet die Grundlage für die Analyse des konvektiven Wärmetransfers in verschiedenen technischen Anwendungen.

Eine Phasenänderung bezieht sich auf den Übergang einer Substanz von einem Aggregatzustand in einen anderen, wie z.B. von fest zu flüssig, flüssig zu gasförmig oder umgekehrt. Während einer Phasenänderung kann die mit der Substanz verbundene Energie in fühlbare Energie, die hauptsächlich mit Temperaturänderungen verbunden ist, und latente Energie (oder latente Wärme), die mit der Phasenänderung verbunden ist, unterteilt werden. Beispielsweise, wenn ein Material von fest zu flüssig (Schmelzen) oder von flüssig zu Dampf (Verdampfung, Verdunstung, Sieden) übergeht, nimmt die latente Energie zu. Umgekehrt, wenn die Phasenänderung von Dampf zu Flüssigkeit (Kondensation) oder von Flüssigkeit zu fest (Erstarren, Gefrieren) erfolgt, nimmt die latente Energie ab.

Freisieden ist ein Prozess, der auftritt, wenn die Temperatur einer festen Oberfläche die Sättigungstemperatur entsprechend dem Flüssigkeitsdruck überschreitet. Wärme wird von der Feststoffoberfläche an die Flüssigkeit übertragen, was zur Bildung von Dampfblasen führt, die sich anschließend von der Oberfläche ablösen. Freisieden kann unter verschiedenen Bedingungen auftreten, z.B. wenn die Flüssigkeit ruhig ist und ihre Bewegung in der Nähe der Oberfläche durch freie Konvektion und das Mischen, das durch das Wachstum und die Ablösung der Blasen verursacht wird, stattfindet. Es kann auch als unterkühlt oder gesättigt eingestuft werden, abhängig von der Temperatur der Flüssigkeit. Beim unterkühlten Sieden liegt die Temperatur der Flüssigkeit unterhalb der Sättigungstemperatur, während beim gesättigten Sieden die Temperatur der Flüssigkeit leicht über der Sättigungstemperatur liegt.

Die Prandtl-Zahl, dargestellt als Pr, ist eine dimensionslose Zahl, die das Verhältnis von Impulsdiffusivität (kinematische Viskosität) zur Wärmeleitfähigkeit in einem Fluid darstellt. Sie gibt ein Maß für die relative Effektivität von Impuls- und Energietransport durch Diffusion in den Geschwindigkeits- und thermischen Grenzschichten. Für laminare Grenzschichten beeinflusst der Wert der Prandtl-Zahl stark das relative Wachstum der Geschwindigkeitsgrenzschicht und der thermischen Grenzschicht. Insbesondere beeinflusst die Prandtl-Zahl das relative Wachstum der Geschwindigkeits- und thermischen Grenzschichten, wobei höhere Prandtl-Zahlen zu einem größeren Wachstum der thermischen Grenzschicht im Vergleich zur Geschwindigkeitsgrenzschicht führen.

Siehe thermische Strahlung.

Die Strahlungsintensität bezieht sich auf die richtungsabhängige Verteilung der von einer Oberfläche ausgehenden Strahlung oder der auf eine Oberfläche auftreffenden Strahlung aus verschiedenen Richtungen. Sie wird mathematisch unter Verwendung des sphärischen Koordinatensystems definiert, wobei der differentielle Raumwinkel verwendet wird, um die richtungsabhängige Verteilung der Strahlung zu messen. Die Intensität der ausgestrahlten oder auf eine Oberfläche auftreffenden Strahlung wird typischerweise in Bezug auf die Rate ausgedrückt, mit der Strahlungsenergie bei einer bestimmten Wellenlänge, Richtung und pro Flächeneinheit der emittierenden oder empfangenden Oberfläche ausgestrahlt oder eingestrahlt wird. Dieses Konzept ist entscheidend für das Verständnis der Richtungswirkungen der Strahlung und für die Bestimmung der Netto-Strahlungswärmeübertragungsrate.

Reflexion ist der Prozess, bei dem auf eine Materialoberfläche auftreffende Strahlung zurückgeworfen wird. Im Kontext des strahlungsbedingten Wärmetransfers spielt die Reflexion eine bedeutende Rolle bei der Bestimmung der Menge an thermischer Energie, die von einem Material absorbiert wird. Die Reflexionsfähigkeit einer Oberfläche, das Verhältnis der reflektierten Strahlung zur eingestrahlten Strahlung, beeinflusst die Menge an Energie, die vom Material absorbiert wird. Eine Oberfläche mit hoher Reflexionsfähigkeit wird einen größeren Anteil der eingestrahlten Strahlung zurückwerfen, was zu einer geringeren Absorption von thermischer Energie führt. Umgekehrt wird eine Oberfläche mit niedriger Reflexionsfähigkeit mehr von der eingestrahlten Strahlung absorbieren, wodurch die thermische Energie des Materials erhöht wird.

Die Reynolds-Zahl, dargestellt als Re, ist eine dimensionslose Größe, die in der Fluidmechanik verwendet wird, um Strömungsmuster in verschiedenen Strömungssituationen vorherzusagen. Sie stellt das Verhältnis der Trägheitskräfte zu den viskosen Kräften innerhalb eines Fluids dar. Die Reynolds-Zahl wird nach der Formel berechnet:

Re = (ρ * u * L) / μ

Wobei:

• ρ die Dichte des Fluids [kg/m³] ist
• u die Geschwindigkeit des Fluids [m/s] ist
• L eine charakteristische Länge (z.B. der Durchmesser eines Rohrs oder der Abstand von der Vorderkante für den Fluss über eine ebene Platte) [m] ist
• μ die dynamische Viskosität des Fluids [Pa.s] ist.

Wenn die Reynolds-Zahl klein ist, dominieren die viskosen Kräfte, und der Fluss bleibt laminar. Umgekehrt, wenn die Reynolds-Zahl groß ist, dominieren die Trägheitskräfte, was zu turbulentem Fluss führt. Der kritische Wert, bei dem der Übergang von laminar zu turbulent erfolgt, variiert je nach spezifischer Strömungssituation.

Gesättigtes Sieden tritt auf, wenn die Temperatur der Flüssigkeit die Sättigungstemperatur leicht überschreitet. Die an der Oberfläche gebildeten Blasen werden dann durch Auftriebskräfte durch die Flüssigkeit nach oben getrieben und entweichen schließlich von einer freien Oberfläche. Diese Art des Siedens ist durch das Vorhandensein von Blasen und die Bewegung dieser Blasen durch die Flüssigkeit aufgrund von Auftriebskräften gekennzeichnet.

Sonnenstrahlung bezieht sich auf die elektromagnetische Strahlung, die von der Sonne emittiert wird. Sie ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des Lebens auf der Erde, da sie die Hauptenergiequelle für Prozesse wie die Photosynthese ist, die Nahrung, Fasern und Brennstoffe für den Menschen bereitstellt. Sonnenstrahlung hat auch das Potenzial, einen erheblichen Bedarf an Wärme und Elektrizität durch thermische und photovoltaische Prozesse zu decken. Der Sonnenstrahlungsfluss an der äußeren Oberfläche der Erdatmosphäre wurde mit 1368 W/m² gemessen und variiert basierend auf Faktoren wie geografischer Breite, Tageszeit und Jahreszeit. Diese Strahlung trägt Energie und spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Temperatur der Erdoberfläche und der Atmosphäre.

Unterkühltes Sieden tritt auf, wenn die Temperatur des größten Teils der Flüssigkeit unter der Sättigungstemperatur liegt. In dieser Siedemethode können sich an der Oberfläche gebildete Blasen in der Flüssigkeit kondensieren. Der Wärmestrom beim unterkühlten Sieden nimmt typischerweise als $\left( T_s - T_l\right)^n$ oder $\left( \Delta T_e + \Delta T_{sub} \right)^n$ zu, wobei 5/4 ≤ n ≤ 4/3, abhängig von der Geometrie der heißen Oberfläche. Der Einfluss der Unterkühlung wird in der Siederegion als vernachlässigbar angesehen, in der der maximale Wärmestrom auftritt. Der Prozess des unterkühlten Siedens beinhaltet freie Konvektion und das Mischen, das durch das Wachstum und die Ablösung der Blasen verursacht wird, und hat Auswirkungen auf den Wärmeübertragungskoeffizienten.

Eine thermische Grenzschicht entwickelt sich, wenn es einen Temperaturunterschied zwischen dem Fluidfreistrom und der Oberfläche gibt, über die das Fluid strömt. Diese Grenzschicht ist grundlegend für Probleme, die den Wärmetransport und den Konvektionstransport betreffen. Sie ist für Ingenieure von Bedeutung aufgrund ihres Zusammenhangs mit der Oberflächenschubspannung, den Oberflächenreibungseffekten und den Wärmeübertragungsraten. Die Dicke der thermischen Grenzschicht wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, wie der Prandtl-Zahl und der Entfernung vom Vorderkante der Oberfläche.

Thermische Strahlung bezieht sich auf die elektromagnetische Energie, die von Materie als Folge ihrer Temperatur ausgestrahlt wird. Sie ist im Spektralbereich von etwa 0,1 bis 100 μm konzentriert. Die Emission thermischer Strahlung ist mit den Schwingungen oder Übergängen der vielen Elektronen verbunden, die Materie bilden und die durch die innere Energie und Temperatur der Materie erhalten werden. Alle Materieformen emittieren thermische Strahlung, und sie ist ein Schlüsselfaktor beim Wärmetransfer zwischen Oberflächen und ihrer Umgebung. Dieser Prozess ist entscheidend für das Verständnis der Abkühlung heißer Feststoffe, des Energiegleichgewichts an Oberflächen und des Strahlungsbilanz in der Umwelt, einschließlich des Einflusses der Sonnenstrahlung auf die Erdatmosphäre.

Übertragung bezieht sich auf den Prozess der Übertragung thermischer Energie aufgrund eines räumlichen Temperaturunterschieds. Wann immer es innerhalb eines Mediums oder zwischen verschiedenen Medien eine Temperaturdifferenz gibt, findet ein Wärmetransfer statt. Dieser Energieaustausch kann durch Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung erfolgen, wobei jede Methode ihre eigenen physikalischen Ursprünge und Ratenformeln hat.

Turbulente Strömung ist eine chaotische und ungeordnete Flüssigkeitsbewegung, die durch unregelmäßige Schwankungen in Geschwindigkeit und Druck gekennzeichnet ist. Sie zeichnet sich durch das Vorhandensein turbulenter Wirbel und Vortices aus, was zu einer Vermischung der Flüssigkeitsteilchen führt. Bei turbulenter Strömung wird der Transport von Impuls, Energie und Spezies durch die turbulente Vermischung verstärkt, was zu erhöhten Übertragungsraten führt. Der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung wird durch Auslösemechanismen wie natürliche Strömungsstrukturen oder Störungen im Fluid beeinflusst. Innerhalb einer turbulenten Grenzschicht können drei Bereiche basierend auf dem Abstand von der Oberfläche unterschieden werden: eine viskose Unterschicht, eine Pufferzone und eine turbulente Zone. Diese Bereiche weisen unterschiedliche Merkmale in Bezug auf Transportmechanismen und Geschwindigkeitsprofile auf.

Verdampfung ist die Umwandlung einer Substanz von einem flüssigen oder festen Zustand in eine Dampf- oder Gasphase. Dies kann durch Sieden geschehen, was eine schnelle Verdampfung ist, die beim Siedepunkt der Flüssigkeit auftritt, oder durch Verdunstung, die ein langsamerer Prozess ist, der an der Oberfläche einer Flüssigkeit unterhalb ihres Siedepunkts stattfindet.

Eine Geschwindigkeitsgrenzschicht entwickelt sich, wenn Flüssigkeitsströmung über eine Oberfläche erfolgt. Diese Grenzschicht zeichnet sich durch eine dünne Schicht von Flüssigkeit aus, in der Geschwindigkeitsgradienten und Schubspannungen groß sind, während außerhalb dieser Schicht Geschwindigkeitsgradienten und Schubspannungen vernachlässigbar sind. Die Grenzschichtdicke, dargestellt als δ, ist der Abstand von der Oberfläche, bei dem die Flüssigkeitsgeschwindigkeit das 0,99-fache der Freistrahlgeschwindigkeit erreicht. Mit zunehmender Entfernung von der Vorderkante dringen die Effekte der Viskosität weiter in den Freistrahl ein, wodurch die Grenzschicht wächst. Die Geschwindigkeitsgrenzschicht ist von grundlegender Bedeutung für Probleme, die den Konvektionstransport betreffen, und ist mit der Oberflächenschubspannung und Reibungseffekten verbunden.

Formfaktoren, auch als Konfigurations- oder Gestaltfaktoren bekannt, sind ein Konzept, das verwendet wird, um den Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen zu quantifizieren. Sie repräsentieren den Bruchteil der Strahlung, die eine Oberfläche verlässt und von einer anderen Oberfläche empfangen wird. Formfaktoren werden durch die Geometrie der Oberflächen definiert und zur Berechnung des Wärmetransfers durch Strahlung zwischen Oberflächen verwendet. Sie sind im Kontext der thermischen Strahlung von Bedeutung und spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Energieaustauschs in verschiedenen technischen und physikalischen Systemen.