Wärmeabgabe Alluminium und Kupfer

[Eon-Deon]

Nehmen wir mal ein konkretes Beispiel. Der Thermalright Ultra 120 vs sein Schwestermodell Copper. Einziger Unterschied, der Copper ist komplett aus Alu der Ultra 120 eben voll aus Alu. Gut, der Cooper kühlt etwas besser (nicht viel), allerdings steigt dessen Leistung progressiv mit der Stärke des verwendeten Lüfters. Drosselt man den Lüfter aber extrem herunter, kühlt der Kupferkühler Prozentual zu seinen sonstigen Ergbniessen schlechter als der Alu Kühler, dem ein langsamerer Lüfter weniger ausmacht. Der Kupferkühler bleibt zwar insgesamt der Bessere, aber völlig passiv ist der Kupfer Kühler in diesem Fall schlechter.

Warum?

 

[M-Z]

Zeig mal bitte den Test auf den du dich beziehst.

 

[d_bolle]

Grund: Messfehler

 

[Eon-Deon]

Gibt mehrere, hier mal den ersten den ich gefunden habe.

 

[M-Z]

Ah okay.

Also ich sage auch, dass, wenn man einen bestimmten Bereich abkühlen möchte (zB CPU) und nur die reine Kühlleistung interessiert, Kupfer besser geeignet ist.

Es leitet die Wärme schneller vom warmen Ort der Körpers zum Kalten. Ausserdem sollte es die gleiche Menge Wärmeenergie schneller abgeben können, da, bedingt durch die bessere Wärmeleitfähigkeit, die Aussenseiten wärmer sind als beim Alu. Somit ist der Temperaturunterschied: Oberfläche - Umgebung höher und es wird mehr Wärmeenergie abgegeben.

 

[Eon-Deon]

Es "sollte", es "könnte" es "müsste". Das sind meine Probleme. Ich brauche Fakten, Zahlen, etwas greifbares. Etwas das auch ein Laie versteht.

 

[TermyLucky]

@Eon-Deon:
Das Problem, was du hier anschneidest ist höhere Thermodynamik. Das Zauberwort ist hier nicht die Wärmekapazität (die ist hier nämlich fast völlig uninteressant), sondern der Wärmeübergang. Und das wird in 2 Semestern an deutschen Hochschulen abgehandelt, das ist also nicht 1.2.3 erklärt

Der Lehre von der Wärmeübertragung gliedert sich dabei in zwei Teilgebiete: instätionärer und stationärer Wärmeübergang. Ersteres tut sich niemand freiwillig an, es gibt auch selten Anwendungen, in denen man das braucht. Die Lösung ist meist nicht mehr algebraisch zu finden (eine Abkühlung ist schon sehr schwer berechenbar). Dafür werdenaußerdem drei oder vier verschiedenen dimensionslose Kennzahlen benötigt und diverse Tabellen.

Stationäre Wärmeübergang (d.h. du hast kontinuierlichen Luftstrom und kontinuierliche Wärmeentwicklung z.B. durch die CPU) ist dagegen noch lösbar. Aber es ist dennoch von vielen Einflussfaktoren abhängig:
Wie groß ist die Temperaturdifferenz (absolut oder logarithmisch)?
Welche Strömungsverhältnisse herrschen im System (turbulent oder laminar) bzw. sind diese im System konstant?
Wie groß ist die charakteristische Länge des Angeströmten Querschnitts?
Welche Materialien kommen zum Einsatz?
Hat die freie oder die erzwungene Konvektion den größeren Einfluss?

Selbst Schätzungen sind hier sehr schwer zu machen, die Abweichungen sind dann nämlich enorm von der Genauigkeit der Schätzung und den Vereinfachungen abhängig. Das ist wahrlich kein Zuckerschlecken.

 

[Eon-Deon]

@TermyLucky
Mir ist schnell bewusst gewesen das es kein leichtes Thema ist. Ich hatte nur gedacht das es vielleicht eine Konstante gibt, oder ein Richtwert ohne hier exakt zu sein. Nach dem Motto " Eine 1m² große und 1cm dicke Platte aus Aluminium braucht bei 60° Eigentemperatur und 30° Raumtemperatur die Zeit XY um auf Raumtemperatur abzukühlen und Kupfer den Wert XX".
So etwas in der Art suche ich. Wenn es so etwas definitiv nicht gibt, dann habe ich Pech gehabt und muss sehen das ich mit meinen bisherigen Infos zurande komme.

 

[M-Z]

Mach einfach nen Experiment.

2 gleichgroße Alu / Kupferblöcke nehmen und dann, je nachdem was dich interessiert:

Entweder auf gleiche Temperatur bringen (zB Wasserbad, aber beachten, dass der Kupferblock natürlich mehr Wärmeenergie aufnimmt als der Alublock!)
oder "gleiche" Menge Energie hinzufügen (meinetwegen Feuerzeug gleich lang ranhalten)

Dann guckste einfach was sich schneller abkühlt. Ist jetzt zwar sehr simpel gehalten, aber es sollte seinen Zweck erfüllen.

Und wenn du jemandem das erklären möchtest zeigste ihm dein Experiment einfach. Fertig.

 

[Eon-Deon]

@m-z
Sinpel, Effizient und eigentlich genau das was ich hätte längst machen können. Problem ist nur das ich grade nichts parat habe und mir die Meßgeräte fehlen Mal sehen, brauche so oder so Temp Fühler und anders.

 

[ThomasK_7]

@TE
Hhm, Du bist schwer zu überzeugen.

1. Du vergleichst mit Deinem Bezug auf diese CPU-Kühler Äpfel mit Birnen.
Da wird zwar von Schwestermodell o.ä. geredet, aber es sind keine nur bis auf das Material identischen Kühler. Dann habe ich schon ein Problem zu erkennen, wo der Al-Kühler besser abgeschnitten haben soll. Falls ja, dann wegen anderer Körperform (Oberfläche, Kubatur, Lüfter) und nicht wegen des Materials.

2. Kupfer kühlt schneller ab als Aluminium, weil es im Gegenzug auch schneller die Wärme aufnimmt. Nimm ein Al- und ein größenähnliches Cu-Bauteil (Draht, Kühlkörper, Stück) und lege es in Deinen Backofen dicht neben einander und heize an. Dann nimm die Teile heraus und messe nach z. Bsp. 5 Minuten mit einen Infrarotthermometer jeweils die Temperatur.

Ich habe BWL mit Spezialisierung Umwelttechnologie studiert. Wir hatten solche Tabellen/Grafiken wie Du suchst. Die Wärmeauf- und Abgabefähigkeit ist abhängig von der Ausgangstemperatur (bei 0°C anders als bei 80°C), für jeden Stoff gibt es solche Tabellen. Ich habe aber jetzt keine Lust mir im Netz mühsam eine solche Grafik für Dich zu suchen, weil solch eine Grafik auch stark erläuterungsbedürftig ist. Glaube mir und anderen Fachkundigen einfach bitte, dass Kupfer schneller abkühlt als Aluminium.

3. Jeder renomierte CPU-Kühlerhersteller in den letzten Jahrzehnten hat Kupfer und nicht Aluminium für seine Topprodukte benutzt. Die Heatpipes und die Bodenplatten sind aus Kupfer. Lediglich die Lamellen sind öfters aus Al-, weil der Wärmeabtransportgewinn durch Kupfer da im Vergleich geringer ausfällt (aber immer noch da ist) und mit Kupferlamellen das Gewicht sich deutlich erhöhen würde.

 

[Eon-Deon]

@ThomasK_7
1. Der Copper und der Ultra 120 sind baulich völlig identisch. Und wenn du der MEinung bist das der Cooper hier nicht besser abschneidet solltest du genauer nach lesen. Zumal es auch noch andere Tests gibt bei denen es noch deutlicher ist. Und es liegt rein am Material.

2. Da ich mittlerweile noch ein paar andere Foren abgeklappert habe und mal in meiner Verwandschaft herum telefoniert habe wo es ein paar Profs und Dr. auf den Gebieten Physik und Chemie gibt, steht auch fest das Alu bei gleichem Körper schneller abkühlt als Kupfer. Was an der geringeren Dichte von Kupfer und dessen höhere Wärmeaufnahme liegt.

3. Jahrzehnten? Weißt du eigentlich wie Kühler vor 10 Jahren aussahen? Kupfer? Hast du niergends gefunden. Zumal die absoluten Top Hersteller eher weniger Kupferkühler herausgebracht haben als andere. Der Orchi ist aus Alu, der Cooper war nur in geringer Stückzahl erhältlich, der IFX ist aus ALU u.s.w.! Selbst deren Böden sind aus Alu. Und deren Heatpipes... schau dir mal die der Top Kühler an, alles Alu. Kupfer ist schlichtweg zu schwer bei solchen Monsterkühlern.

 

[Tschorreck]

. Da ich mittlerweile noch ein paar andere Foren abgeklappert habe und mal in meiner Verwandschaft herum telefoniert habe wo es ein paar Profs und Dr. auf den Gebieten Physik und Chemie gibt, steht auch fest das Alu bei gleichem Körper schneller abkühlt als Kupfer. Was an der geringeren Dichte von Kupfer und dessen höhere Wärmeaufnahme liegt.

Selten so einen Unfug gelesen...
Dir ist schon klar, dass ein baugleicher Körper aus Kupfer mehr wiegt, als einer aus Aluminium? Liegt das vielleicht an der höheren Dichte des Kupfers?

Und das haben Dir Professoren und Doktoren erzählt? o.O

Das das ganze Thema Thermodynamik komplex ist, wurde Dir ja schon versucht zu erklären.
Wenn wir aber mal von Baugleichheit, einem stationären Prozess und identischer Kühlung (erzwungene Konvektion bspw.) mit gleichem Medium (Luft), bei gleichen Bedingungen, ausgehen dann kühlt das Kupfer schneller ab als das Aluminium.

Wieviel? Schwer zu sagen, da das ganze Thema wie erwähnt nicht mal eben auszurechnen ist. Stoffeigenschaften ändern sich auch mit der Temperatur.

Aber ein kleiner Anhaltspunkt:
Die Wärmeleitfähigkeit Lambda beträgt bei 20°C etwa 384 W/(m*K) bei KUPFER und etwa 204 W/(m*K) bei ALUMINIUM.
Aus Lambda wird weiterhin der Wärmeübergangskoeffizient alpha berechnet, das sei jetzt aber erstmal egal.
Kupfer ist also ein besserer Wärmeleiter, kann seine Wärme also besser an die Luft abgeben, als das Aluminium.

Das hat nichts mit der Dichte zu tun. Und (erstmal) auch nichts mit der spezifischen Wärmekapazität (cp).

Um 1kg Alu um 1Kelvin zu erwärmen brauchst Du 0.879 KJ Wärme.
Um 1kg Kupfer um 1Kelvin zu erwärmen 0.394 KJ Wärme.

Das ist aber in erster Näherung uninteressant.

Also nocheinmal - Kupfer kühlt schneller ab.

Und da Du soviel auf irgendwelche Titel von irgendwelchen Pseudokoryphäen zu geben scheinst:
Ich bin Dipl.-Ing. und hatte damals 3 Semester Thermodynamik.

 

[ThomasK_7]

Kupfer hat eine rund 3x so hohe Dichte wie Aluminium.

Ich klaue jetzt einmal aus einem Forum für Köche nachfolgenden Text, der sehr gut die Problematik beschreibt:

Überrascht hat mich die hohe Wärmespeicherkapazität von Aluminium, bezogen auf das Gewicht. Bei gleicher Dicke des Materials hat Aluminium 71% der Wärmekapazität von Kupfer, aber nur 30% des Gewichtes.

Die Relation ist etwas anders bei der Wärmeleitfähigkeit. Aluminium hat bei gleicher Dicke nur 59% der Wärmeleitfähigkeit. Um gleiche Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, muß ein Aluboden ca. 70% dicker sein als ein Kupferboden. Er wiegt dann ziemlich genau halb so viel wie der Kupferboden, hat aber ca. 20% mehr Wärmekapazität, liegt also etwas ungünstiger als Kupfer.

Vergleich 2mm Kupfer mit 8mm Alu:
Die Wärmeleitfähigkeit und damit die Verteilung der Wärme des dicken Aluminiumbodens ist 2,36 mal so groß wie bei dem dünnen Kupferboden.
Die Wärmekapazität, also das Speichervermögen ist bei dem Aluboden 2,84 mal so groß wie bei dem Kupferboden.

Alle Vergleiche beziehen sich natürlich nur auf den Kupfer- bzw. Aluminiumkern des Topfsandwiches. Die Materialeigenschaften der äußeren Stahlschichten sind dabei nicht berücksichtigt.

Aus dem oben verlinkten Wikipedia noch folgendes Zitat

Elektronik

Aluminium als Leitermaterial für Bonddrähte und Metallisierung in einem BipolartransistorDie Elektronikindustrie setzt Aluminium aufgrund der guten Verarbeitbarkeit und der guten elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ein.

Bonddrähte (Verbindungsdrähte zwischen Chip und Gehäuseanschluss) bestehen insbesondere bei Leistungshalbleitern aus Aluminium.

Die Leiterbahnen integrierter Schaltkreise und von Leistungshalbleitern bestehen oft ebenfalls aus Aluminium.

Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für Wärmeübertrager (Kühler), stranggepresste Kühlprofile und wärmeableitende Grundplatten verwendet (bei höherwertigen Kühlern wird allerdings wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit Kupfer eingesetzt).

Aluminium-Elektrolytkondensatoren verbauen Aluminium als Elektrodenmaterial und Gehäusewerkstoff.

Aluminium wird zur Herstellung von Antennen und Hohlleitern verwendet.

Im übrigen zeigen Deine CPU-Kühlerbeispiele lediglich Kühler der letzten 3-4 Jahre und man sieht wieder einmal, wie unwissend und testgläubig unsere heutige Jugend ist. Ich könnte mir spontan noch einige Äpfel-Birnen-Tests einfallen lassen, aus denen dann völlig falsche Schlussfolgerungen zum Grundverhalten der Stoffe gezogen werden können. Das ist jetzt nicht persönlich gegen Dich (@TE) gerichtet.

 

[Eon-Deon]

@Ignaz007
Ich hatte mich da unglücklich ausgedrückt und das Gewicht nicht mit einbezogen, das stimmt. Das war mein Verständnis Fehler. Ich hatte mir grade nochmal die Mails die ich bekommen hatte durch gelesen und gesehen das ich ein völligen Verständnis Fehler inne hatte. Oberflächlich betrachtet kühlt Aluminium schneller ab, nur hat Kupfer bei einem gleichen Körper mehr Wärmeenergie aufgenommen.

Blöd gesagt, die Oberflächentemperatur eines Kupferblocks kann die identische sein wie die eines gleichen Alublocks, nur hat Kupfer aufgrund seiner Dichte mehr Wärme gespeichert die er abgeben kann.

Verstehst du was ich verdreht hatte?

@ThomasK_7
Wie ich Ignaz007 schon erläutert hatte, ich hatte ein Verständnis Fehler. Im übrigen bin ich selbst Tester und 30. Also weit entfernt von der "Jugend"

 

[Tschorreck]

Nein, ich verstehe nicht, was Du verdreht hast.

Komm doch bitte mal weg von der Dichte, die ist irrelevant!

Beispiel:
Achat hat annähernd die gleiche Dichte wie Alu. Und annähernd die gleiche Wärmekapazität.
Dennoch ist die Wärmeleitfähigkeit um ein 20faches geringer, was heißt, dass Achat ein guter Isolator ist.

Das alles hat nichts mit der Dichte zu tun!

Um es mit Deinen Worten auszudrücken: Achat und Aluminium sind etwa gleich schwer und haben (wenn sie die gleiche Temperatur haben) etwa gleich viel Wärme aufgenommen. Jedoch kühlt Aluminium wesentlich schneller wieder ab als Achat.
Jetzt mal sehr simpel ausgedrückt.

Nicht böse sein, aber der Sachverhalt kann durchaus komplex sein und Du drehst Dir das ganz merkwürdig zurecht bzw. völlig falsch.

Kupfer kühlt schneller ab als Alu.
Hat nichts mit der Dichte zu tun.
Hat (erstmal) nichts mit der Wärmekapazität zu tun.

 

[Eon-Deon]

Mit der Dichte meinte ich eigentlich das Gewicht. bei gleicher Körpergröße wiegt Kupfer deutlich mehr, was ja klar ist.

 

[Tschorreck]

Gewicht=Volumen * Dichte

Guck Dir nochmal mein Beispiel Achat/Alu an.

Dichte/Gewicht ist irrelevant. Glaubs doch einfach endlich....
Was ein Körper an Wärmeleitfähigkeit besitzt hat nichts mit der Dichte zu tun.
Wirklich!

 

[Eon-Deon]

Das habe ich doch gar nicht gesagt, Es ging um den direkten Vergleich zwischen Alu und Kupfer. Und mir ging es auch rein gar nicht um die Wärmeleitfähigkeit.

Es ging mir um die Speicherkapazität. Kupfer kann in einem identischen Körper mehr Wärme Speicher als Alu, deshalb kommt es einem so vor als würde Alu schneller abkühlen, allerdings wird da insgesamt weniger Wärme abgegeben bei gleichem Rahmenbedingungen.

 

[Tschorreck]

Doch, es ging Dir um die Leitfähigkeit, wenn Du fragst "Was kühlt schneller ab?".

Solange Du nicht zu lesen scheinst, was die Leute hier schreiben, ist für mich jegliche weitere Diskussion müßig.

Die "Speicherkapazität" hat nichts damit zu tun, wie schnell ein Körper seine Wärme abgeben kann. Ich verweise noch ein letztes Mal auf mein Beispiel Achat/Alu.

Wenn Du hier schon um Antworten/Erklärungen bittest, dann sei doch so freundlich und lese Dir durch, was die leute schreiben.

Gruß

Ignaz007