Was ist der Zusammenhang zwischen Strahlung, Konvektion und Leitung?
Strahlung, Konvektion und Leitung sind drei verschiedene Arten der Wärmeübertragung. Konvektion und Leitung erfordern Materie, um Wärme zu übertragen. Strahlung überträgt Wärme in Form von Wellen durch den Raum. Obwohl diese drei Methoden der Wärmeübertragung unterschiedliche Prinzipien beinhalten, können sie alle auf der Grundlage der Physik der Wärme oder der Wärmeenergie verstanden werden.
Materie besteht aus Partikeln, die miteinander interagieren, um Wärmeenergie zu übertragen. Wenn ein Material mit einer höheren Temperatur mit einem Material mit einer niedrigeren Temperatur in Kontakt kommt, fließt Wärme vom heißeren zum kälteren Material. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis beide Materialien die gleiche Temperatur haben und ein thermisches Gleichgewicht erreicht haben.
In der Leitung kommt ein heißeres Stück Materie mit einem kälteren Stück Materie in Kontakt, und Wärme fließt von dem heißeren in den kälteren Bereich. Die Wärme wird geleitet, weil sich schnell bewegende Teilchen der heißeren Materie Energie an die kälteren, sich langsamer bewegenden Moleküle der kälteren Materie übertragen. Die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten, hängt von seiner Molekülstruktur und seiner Konsistenz ab. Beispielsweise leiten Metalle Wärme besser als Holz, und Feststoffe leiten Wärme besser als Flüssigkeiten.
Die Konvektion überträgt Wärme nach einem anderen Prinzip der Partikelbewegung. Wenn Partikel eine große Menge an Wärmeenergie besitzen, bewirkt diese Energie, dass sie sich schneller bewegen und ausbreiten, wodurch das Material weniger dicht wird. Teilchen in einer kälteren Region haben weniger Energie und bewegen sich langsam, was zu einer größeren Dichte führt. In Flüssigkeiten und Gasen führt dieses Prinzip dazu, dass kältere Bereiche des Materials nach unten sinken, während heißere Bereiche nach oben steigen.
Ein Strom wird durch die Zirkulation von Flüssigkeit oder Gas in diesem Muster gebildet. Dies wird Konvektionsstrom genannt. In der Atmosphäre sinkt beispielsweise kalte Luft, während warme Luft aufsteigt und Zirkulation erzeugt.
Die dritte Methode der Wärmeübertragung, die Strahlung, erfordert keine Materie und hängt nicht von der Wechselwirkung der Partikel ab. Ein Beispiel ist die Sonnenstrahlung. Die Wärme der Sonne erreicht die Erde, obwohl sie sich durch das Vakuum des Weltraums bewegt. Bei Strahlung liegt Wärmeenergie in Form von Wellen vor. Es ist eine Art elektromagnetische Strahlung, wie sichtbares Licht.
Atome absorbieren die Strahlungsenergie durch ihre Elektronen, die diese Energie nutzen, um sich innerhalb des Atoms auf ein höheres Niveau zu bewegen. Diese Energie kann wieder abgegeben werden, wenn das Elektron auf sein ursprüngliches Niveau fällt. Die Temperatur eines Objekts bei Vorhandensein von Strahlung hängt davon ab, wie viel Energie es absorbiert und wie viel es emittiert. Daher steigt die Temperatur eines Objekts, das mehr Energie absorbiert als emittiert.