Wärmeübertragung: Heiz- und Kühlmedien

Bei vielen Laboranwendungen spielt die Temperaturregelung eine wichtige Rolle. Im chemischen Labor muss bei exothermen Reaktionen Wärme abgeführt, bei endothermen Wärme zugeführt werden. Manche Analysegeräte oder Beschichtungsanlagen benötigen eine Wasserkühlung zum Schutz vor Überhitzung. Flüssiger Stickstoff wiederum wird als Kühlmittel zum Tiefgefrieren von biologischen Proben sowie zur Kühlung von Hochtemperatur-Supraleitern verwendet.

Was versteht man unter Wärmeübertragung?

Wärme ist eine physikalische Größe und wird mit dem Formelsymbol Q gekennzeichnet. Ihre Einheit wird in Joule (J) angegeben.

Das System mit der niedrigeren Temperatur muss in der Lage sein, Wärme aufzunehmen und zu speichern. Diese Eigenschaft wird als Wärmekapazität C bezeichnet. Wärme kann durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung übertragen werden, wobei diese Prozesse oft gleichzeitig auftreten können.

Wärmeübertragung über Wärmeleitung

Die Wärmeleitung, auch Konduktion genannt, beruht auf einem Wärmestrom aufgrund einer Temperaturdifferenz, ohne dass Teilchen selbst transportiert werden. In Festkörpern erfolgt die Wärmeübertragung durch Schwingungen der Atome oder Ionen, die von Nachbar zu Nachbar weitergeleitet werden. In Metallen tragen die frei beweglichen Elektronen zusätzlich zur Wärmeübertragung bei. In Gasen und Flüssigkeiten stoßen Teilchen eines Stoffes mit anderen Teilchen zusammen und übertragen in einer Kollisionskette die Energie, wodurch sich der gesamte Stoff erwärmt.

Der Wärmestrom ist die Wärmemenge, die in einer bestimmten Zeit von einem Ort hoher Temperatur zu einem Ort niedrigerer Temperatur übertragen wird. Er ist abhängig von der Temperaturdifferenz, der Zeit, Wärmeleitfähigkeit λ eines Stoffes, der Länge und der Querschnittsfläche eines Körpers.

Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Materialkonstante und gibt an, wie gut und schnell ein Stoff Wärme transportieren kann. Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sind gute Wärmeleiter wie Silber und Kupfer mit 430 W/m*K beziehungsweise 400 W/m*K. Gase besitzen niedrige Wärmeleitfähigkeiten wie zum Beispiel Stickstoff 0,026 W/m*K oder Wasserstoff 0,186 W/m*K. Kunststoffe wie Polystyrol (0,17 W/m*K) oder Polyurethan (0,245 W/m*K) kommen als Dämmmaterialien zum Einsatz, beispielsweise als Schutzschläuche und Isolierschläuche sowie als Schaumstoffplatten oder Moosgummiplatten.

Im Alltag begegnet uns Wärmeleitung beim Erhitzen einer Pfanne auf einer Herdplatte, in Heizkörpern sowie in Kühlrippen in elektrischen und elektronischen Geräten. In Labor und Technik werden Wärmetauscherschläuche mit flacher Sohle genutzt, um Reaktionskolben, Säulen und andere Laborbehälter zu temperieren.

Wärmeübertragung durch Konvektion

Im Gegensatz zur Wärmeleitung, bei der die Wärmeübertragung ohne Stofftransport stattfindet, wird bei der Konvektion Wärme durch strömende Teilchen transportiert. Da strömende Flüssigkeiten oder Gase meist in Kontakt mit einer festen, stationären Kontaktfläche stehen, wie zum Beispiel der Wandung eines Kunststoffrohrs oder eines Heizkörpers, treten Konvektion und Wärmeleitung oft gleichzeitig auf.

Wird die Strömung durch äußere Einwirkung verursacht, etwa durch Pumpen, Rührer oder Gebläse, nennt man den Wärmetransport erzwungene Konvektion. Diese Art der Wärmeübertragung findet im Kühlkreislauf von Automobilen, bei Lüftern von Prozessoren, Umwälzpumpen in Heizungsanlagen sowie beim Haartrocknen mit einem Föhn statt.

Von freier Konvektion spricht man, wenn die in Flüssigkeiten oder Gasen verursachte Strömung auf Temperatur- und Dichteunterschieden beruhen. Wird Wasser in einem Topf erwärmt, nehmen zuerst die Wassermoleküle Wärme auf, die den Topfwänden am nächsten sind. Sie steigen nach oben, kühlen an der Oberfläche ab und sinken nach unten. So wird eine Strömung erzeugt, das Wasser durchmischt sich, und die Gesamttemperatur steigt an.

Um Konvektion zu vermeiden, werden Leitungen wie Warmwasserrohre mit Dämmmaterial umgeben, in Form von Schutzschläuchen und Isolierschläuchen für die Wärmeisolierung.

Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung

Im Gegensatz zur Wärmeleitung und Konvektion wird die Wärme bei der Wärmestrahlung durch elektromagnetische Wellen übertragen. Elektromagnetische Wellen können von einem Körper absorbiert, reflektiert oder durchgelassen werden. Dabei spielen das Material, die Oberfläche und die Dicke eines Körpers eine wichtige Rolle.

Elektromagnetische Wellen werden nach der Wellenlänge eingeteilt. Als UV-Strahlung werden Wellen mit Wellenlängen zwischen 100 nm und 380 nm bezeichnet. Die Wellenlänge von sichtbarem Licht liegt zwischen 380 nm und 780 nm und die von infraroter Strahlung zwischen 780 nm und 1000 nm. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher ist die Energie der Strahlung. Glühlampen oder Feuer senden neben sichtbarem Licht auch Infrarotstrahlung aus, die für die Wärmeübertragung verantwortlich ist. Die Erwärmung der Erde durch die Sonne beruht ebenfalls auf Wärmestrahlung.

Wärmeübertragungsmittel: Kühl- und Heizmedien

Kühlmittel entziehen thermische Energie

Ein Kühlmittel entzieht einem System thermische Energie. Dabei kann es sich erwärmen oder seinen Aggregatzustand ändern. Es kann schmelzen, verdampfen oder sublimieren. Beispiele für Kühlmittel, die ihren Aggregatzustand ändern, sind flüssiger Stickstoff und Trockeneis.

Die Wahl des Kühlmittels richtet sich nach der Kühltemperatur und der abzuführenden Wärmemenge. Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität, des geringen Preises und der guten Verfügbarkeit wird Wasser am häufigsten als Kühlmittel verwendet. Umlaufkühler mit Wasser oder einem Wasser-Glykol-Gemisch werden zur Kühlung von Analysegeräten, Rotationsverdampfern, Lasern, Mikroskopen oder Beschichtungsanlagen eingesetzt.

Im chemischen Labor dient es als Kühlflüssigkeit für Heiz- und Kühlgeräte, etwa für Rückflusskühler, Liebigkühler oder in Wasserbädern. Werden tiefere Temperaturen benötigt, können mit einer Eis-Wasser-Mischung eine Temperatur von 0 °C, mit Eis-Kochsalz-Gemischen etwa -20 °C erreicht werden. Mischungen aus Trockeneis und einem Lösungsmittel wie Methanol oder Aceton kühlen bis zu einer Temperatur von -78 °C.

Biologisches Material, Medikamente oder Chemikalien müssen dauerhaft bei konstanten Temperaturen aufbewahrt werden und sind deshalb in Kühl- und Tiefkühlgeräten zu lagern. Blutkonserven müssen bei Temperaturen zwischen +2 °C und + 6 °C, Blutplasma bei -40 °C, biologische Proben für Forschungszwecke wie Gewebe-, Blut- und DNA-Proben, Proteine, Antikörper, Bakterien, Viren oder Pilze oft unter -80 °C aufbewahrt werden. Kühlpflichtige Medikamente und Impfstoffe sind nach DIN 58345 bei Temperaturen zwischen +2 °C und +8 °C zu lagern. Chemikalien mit niedrigem Flammpunkt wie Diethylether (-40 °C) oder Acetaldehyd (-20 °C) müssen in einem Kühlschrank mit explosionsgeschütztem Innenraum aufbewahrt werden.

Mit flüssigem Stickstoff können Temperaturen bis -196 °C erreicht werden. Er dient dazu, Blut, Eizellen, Sperma und Zellen aufzubewahren. Mit dieser Kühlflüssigkeit werden Hochtemperatursupraleiter auf die Temperatur gekühlt, bei der die Supraleitung stattfindet, sowie Infrarotsensoren, um deren Empfindlichkeit zu erhöhen. Flüssiger Stickstoff wird auch in Kühlfallen verwendet, um kondensierbare Gase aus einem Gasgemisch abzutrennen.

Heizmedien bei der Wärmeübertragung

Die Wahl des Heizmediums hängt von Heiztemperatur und Heizgeschwindigkeit ab. Temperierbare Wasserbäder können in einem Temperaturbereich von etwa +10 °C bis +100 °C genutzt werden. Für einen Temperaturbereich von +100 °C bis +200 °C eignet sich Polyethylenglykol als Temperierflüssigkeit. Silikonöle decken, je nach Zusammensetzung, verschiedene Temperaturbereiche von -95 °C bis +250 °C ab. Bis +350 °C können Mineralöle und Sandbäder benutzt werden. Sandbäder, Silikon- und Mineralöle sind im Gegensatz zu Wasser elektrisch isolierend, besitzen jedoch deutlich niedrigere Wärmekapazitäten.

Auch Salzschmelzen zählen zu den Wärmeübertragungsmitteln, die hauptsächlich in der Industrie und Wissenschaft eine wichtige Rolle spielen. Je nach Zusammensetzung können Salzschmelzen in einem Temperaturbereich von +150 °C bis +1300 °C eingesetzt werden. Sie sind über einen weiten Temperaturbereich stabil und zeichnen sich durch eine gute elektrische Leitfähigkeit, einen niedrigen Dampfdruck und niedrige Viskosität aus. Diese Wärmeübertragungsmittel werden zum Härten und Glühen von Metallen verwendet. In der Solartechnik dienen sie als Wärmespeicher. Bei der Vulkanisation von Profilen werden die Gummiprofile direkt in eine Salzschmelze gepresst.

Heiz- und Kühlmedien sind unverzichtbar sowohl bei der Herstellung vieler Produkte als auch in Wissenschaft und Forschung und tragen erheblich zum Komfort im Alltag bei.

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Wasser über einer Gasflamme | © Sandip – stock.adobe.com