Wärmeleitung ist zunächst einmal der Grundmechanismus des Wärmetransports. Darunter verstehen wir die Ausbreitung thermischer Energie durch ein ruhendes Medium. Stellen wir uns beispielsweise ein Stück Metall vor. Ist die Temperatur am einen Ende dieses Metallstücks höher als am anderen Ende, dann fließt Wärme vom einen Ende zum anderen. Von außen betrachtet bewegt sich dabei zunächst nichts. Auf atomarer Ebene gibt es aber durchaus eine Bewegung. Die Atome des Metalls schwingen alle um ihren Platz. Je höher die Temperatur ist, desto stärker schwingen sie. Die Energie dieser Schwingungen können sie auf ihre Nachbaratome übertragen. Dadurch geben stärker schwingende Atome Energie an schwächer schwingende Atome ab. Ein Bereich mit stark schwingenden Atomen überträgt so nach und nach Schwingungsenergie auf angrenzende Bereiche mit weniger stark schwingenden Atomen. Dieser Prozess läuft so lange ab, bis überall im Metallstück die gleiche Schwingungsstärke herrscht. Da die Atome bei hoher Temperatur stark schwingen, bei niedriger aber nur schwach, wird so Energie aus Bereichen mit hoher Temperatur in Bereiche mit niedriger Temperatur transportiert. Diesen Energiefluss nennt man Wärme. Der zugrundeliegende Transportmechanismus ist die Wärmeleitung.

Mehr zur Theorie der Wärmeleitung und ihrer mathematischen Beschreibung gibt es im Video.

Wärmeleitung kann nicht nur in festen Körper wie einem Stück Metall auftreten, sondern auch in Flüssigkeiten oder Gasen. Allerdings ist in Flüssigkeiten oder Gasen (man fasst diese beiden Zustände auch unter dem Begriff „Fluid“ zusammen) oft ein anderer Transportmechanismus für die Wärme viel wichtiger. Im Inneren eines Fluids kann es zu Strömungen kommen. Strömung kann von außen aufgezwungen sein. Technisch denke man da einfach an einen Ventilator oder in der Natur an die Wasserströmung in einem Fluss. Man spricht von Zwangskonvektion. Strömung kann jedoch auch im Fluid selber entstehen. Fluide haben bei hoher Temperatur im Normalfall eine geringere Dichte als bei niedriger Temperatur. Unterscheidet sich die Temperatur innerhalb des Fluids, so sinken kalte Teile des Fluids nach unten, während warme Teile nach oben steigen. Man spricht von freier Konvektion.

Eine kurze Einführung in das Thema Konvektion gibt es hier als Video.

Durch die Strömung wird nicht nur das Fluid transportiert, sondern mit ihm auch die in ihm gespeicherte thermische Energie. Dadurch trägt die Strömung ganz erheblich zum Wärmetransport bei. Besonders interessant ist oft wie Wärme von einem festen Körper auf ein Fluid (oder anders herum) übertragen wird. Man spricht hier vom Wärmeübergang. Ein einfaches Beispiel ist der menschliche Körper. Dieser gibt permanent Wärme an das umgebende Fluid, die Luft, ab.

Mehr zum Wärmeübergang gibt es in diesem Video.

Ein für die Praxis sehr wichtiger Fall wird als Wärmedurchgang bezeichnet. Stellen wir uns einen Heizkörper vor. Im Inneren strömt heißes Wasser. Dieses überträgt Wärme auf die metallene Wand. Das ist ein Wärmeübergang. Anschließend wird die Wärme durch das Metall des Heizkörpers zur Außenseite transportiert. Das ist Wärmeleitung. Zum Schluss wird die Wärme dann von der Außenwand auf die Umgebungsluft übertragen. Das ist wieder ein Wärmeübergang. Eine solche Verknüpfung von Wärmeübergang, Wärmeleitung und nochmal Wärmeübergang wird als Wärmedurchgang bezeichnet. Ein anderes Beispiel dafür ist eine Hauswand über die Wärme aus dem Inneren des Gebäudes im Winter an die Umgebung abgegeben wird.

Mehr zum Wärmedurchgang gibt es in diesem Video.

Die bisher vorgestellten Mechanismen des Wärmetransports waren alle an Materie gebunden. Gewaltige Mengen an Wärme werden jedoch permanent von der Sonne durch das Vakuum des Weltraums zur Erde transportiert – ganz ohne Materie durch die sie transportiert würde. Hierbei handelt es sich um den dritten Transportmechanismus: Wärmestrahlung.

Jeder Körper strahlt Wärme in Form von elektromagnetischer Strahlung ab. Je höher die Temperatur ist, desto stärker ist die Strahlung. Eine Verdoppelung der absoluten Temperatur (in Kelvin, nicht in Grad Celsius) bewirkt dabei nicht nur eine Verdoppelung der Strahlungsstärke, sondern eine Versechzehnfachung. Die Intensität ist proportional zur Temperatur hoch vier. Außerdem verändert sich mit der Temperatur die Wellenlänge. Bei niedriger Temperatur können wir diese Strahlung noch nicht sehen. Ein menschlicher Körper leuchtet beispielsweise Infrarot. Erst bei sehr hohen Temperaturen wird die Wellenlänge so kurz, dass das Licht für uns sichtbar wird. Aus diesem Grund können wir die etwa 6000 Kelvin heiße Sonnenoberfläche mit bloßem Auge sehen. Eine Wärmebildkamera ist nur nötig, um das Leuchten der Menschen, deren Temperatur etwa 310 Kelvin beträgt, zu sehen.

Mehr zur Wärmestrahlung gibt es in diesem Video.

Wenn man den Wärmetransport verstanden hat, dann hat man bereits die wesentlichen Grundlagen des Stofftransports verstanden. Abgesehen von der Wärmestrahlung haben alle Wärmetransportmechanismen eine Entsprechung beim Stofftransport.

Sehen wir uns einmal das Beispiel von Zucker an, der in Wasser gegeben wird. Auch wenn wir nicht umrühren stellen wir fest, dass sich der Zucker im Wasser verteilt. Dieser Mechanismus ist analog zur Wärmeleitung und wird als Diffusion bezeichnet. Rühren wir um, so erzeugen wir eine Zwangskonvektion. Diese transportiert den Zucker sehr viel schneller durch das Wasser als die Diffusion. Die Entsprechung zum Wärmeübergang ist der Stoffübergang, der zwischen den festen Zuckerkristallen und dem Wasser stattfindet, während sich die Kristalle auflösen.

Mehr zum Stofftransport gibt es in diesem Video.