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Wärmetransport

Wärmeübertragung ist der Transport thermischer Energie infolge eines Temperaturunterschiedes über mindestens eine thermodynamische Systemgrenze hinweg.

Diese transportierte Energie wird als Wärme bezeichnet und ist eine Prozessgröße. Die Wärmeübertragung erfolgt in Richtung der Orte mit tieferen Temperaturen.

Es gibt vier Arten von Wärmetransportvorgängen:

Die Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche eines Festkörpers und einem Fluid bezeichnet man als Wärmeübergang. Der Wärmeübergang wird durch den Wärmeübergangskoeffizienten beschrieben.

Von Wärmedurchgang wird gesprochen, wenn Wärmeleitung durch eine Wand verbunden mit Wärmeübergängen an den Oberflächen betrachtet wird.

Die physikalische Größe der Wärmeübertragung ist der Wärmestrom.

Bedeutung in der Geothermie

Auch Erdwärme kann vorrangig auf zweierlei Weise transportiert werden: einmal konvektiv, sozusagen mit dem fließenden Grundwasser, bzw. allgemein mit Flüssigkeiten (oder Gasen) oder konduktiv durch das Gestein. Der konduktive Transport von Erdwärme aus der Tiefe an die Erdoberfläche wird durch die Fähigkeit der Gesteine, Wärme zu transportieren, d. h. zu leiten, ermöglicht.

Bei manchen Gesteinen ist die Fähigkeit, Wärme zu leiten, nicht in alle Richtungen gleich groß entwickelt, sie ist richtungsabhängig, anisotrop. In Tonen kann bspw. die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Schichtung teilweise nur ein Drittel oder sogar weniger betragen als parallel dazu.

Alle Gesteine verfügen über einen gewissen Hohlraumgehalt, eine Porosität oder Klüftigkeit. Für den Wärmetransport ist es entscheidend, ob diese Hohlräume mit Wasser oder Luft ausgefüllt sind, also ob der Grundwasserstand hoch oder sehr niedrig ist. Luft ist nahezu ein Isolator. Die Wärmeleitfähigkeit von Luft ist etwa um den Faktor 100 geringer als die von Gesteinen, während der Unterschied von Gestein zu Wasser nur bei einem Faktor von 2–5 liegt.

Die spezifische Wärmekapazität (c) oder kurz spezifische Wärme eines Stoffes ist die Wärmekapazität bezogen auf eine bestimmte Masse dieses Stoffes. Sie bezeichnet die Wärmemenge (ΔQ), die benötigt wird, um die Temperatur pro Masse (m) eines Körpers um ΔT anzuheben.

Um den Wärmetransport im Untergrund vollständig zu bechreiben müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

  • Wärmeleitung
  • Wärmeproduktion
  • Wärmetransport durch Massentransport

Zusätzlich ist die Duckabhängigkeit dieser Faktoren zu beachten.

Literatur

Stober, Ingrid; Kurt Bucher (2020): Geothermie, Springer Spektrum, 3. Auflage. ISBN 978-3-662-60939-2 ISBN 978-3-662-60940-8 (eBook). https://doi.org/10.1007/978-3-662-60940-8.

Weblink

http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmetransport

zuletzt bearbeitet September 2020