Was ist ein Temperaturgradient?
Ein Temperaturgradient ist die allmähliche Abweichung der Temperatur von der Entfernung. Die Steigung des Verlaufs ist innerhalb eines Materials konsistent. Ein Gradient wird immer dann hergestellt, wenn zwei Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen in physikalischem Kontakt miteinander stehen. Maßeinheiten für Temperaturgradienten sind Grad pro Entfernungseinheit, z. B. ° F pro Zoll oder ° C pro Meter.
Viele Temperaturgradienten existieren natürlich, während andere erzeugt werden. Der größte Temperaturgradient auf der Erde ist die Erde selbst. Die Temperatur des Erdkerns wird auf ungefähr 9.000 ° F (5.000 ° C) geschätzt. Sie liegt an der Grenze zwischen Kern und Mantel bei 3.700 ° C (6.650 ° F), während die Krustentemperatur bei 93 ° C (200 ° F) liegt. Jede Schicht hat einen Temperaturgradienten mit einer unterschiedlichen Steigung, abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der Schicht.
Zwischen der Erde und der Sonne besteht kein Temperaturgradient, da sich zwischen ihnen keine Atmosphäre befindet. Wärmekapazität ist die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu speichern. Ein Vakuum hat keine Wärmekapazität.
Konvektion zerstört einen thermischen Gradienten. Beim Erhitzen eines Topfes Sauce wird die dem Brenner am nächsten liegende Flüssigkeit am heißesten. Beim Rühren mischt sich die heiße Flüssigkeit mit der kühleren Flüssigkeit, die Wärme wird gleichmäßig verteilt und der Temperaturgradient wird aufgehoben.
Wenn die konvektive Wärmeübertragung nicht gerührt wird, steigt die warme Flüssigkeit auf und fällt sie ab, und es kommt zu einer gewissen Zirkulation, die jedoch nicht so wirksam ist wie aktives Rühren. Mit der Zeit stellen die Wärmeleitungskräfte, die Wärme vom Boden übertragen, ein Gleichgewicht mit den Konvektionskräften her, die das Wasser zirkulieren lassen. Wenn die Wärmequelle niedrig ist, ist die Zirkulation langsam, es kann ein steiler Temperaturgradient auftreten und die Sauce kann am Boden verbrannt werden. Wenn die Hitze hoch ist, kocht die Sauce, die Wärmeübertragung durch Konvektion ist hoch und der Temperaturgradient ist nahe Null.
Die Isolierung wird verwendet, um die Wärmeübertragung zu verzögern, indem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit neben die Wärmequelle gelegt wird. Die Isolierung hilft dabei, den Wärmegradienten zwischen dem isolierten Objekt und den Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Kaffee bleibt in einer Schaumtasse wärmer als in einer Aluminiumtasse, da der Schaum die Wärme weniger leicht leitet. Ebenso kann der Kaffeetrinker einige Finger verbrennen, die den Aluminiumbecher aufnehmen, da der Wärmegradient nahe Null ist und die Temperatur der Außenseite des Bechers nahezu der Innenseite des Bechers entspricht.
Um stabil zu sein, muss ein Wärmegradient eine konstante Wärmequelle und eine verfügbare Wärmesenke aufweisen. Es ist selten wichtig, konstante Gradienten aufrechtzuerhalten, außer wenn chemische Reaktionen durchgeführt werden. Viele industrielle Prozesse erfordern eine sorgfältige Wärmesteuerung. Die lebende Zelle muss außerdem eine sorgfältige Wärmesteuerung durchführen, um eine optimale Leistung zu erzielen. Während Wissenschaftler verstehen, wie der menschliche Körper als Ganzes einen Temperaturgradienten zwischen seinem Kern und der Außenwelt aufrechterhält, sind die Optionen, die einzelnen Zellen zur Verfügung stehen, weniger klar.