Temperatur und Wärme

Wärme und Temperatur sind zwei verschiedene Größen. Dies wird aus folgender Überlegung deutlich:

Erwärmt man zwei unterschiedlich große Wassermengen mit gleicher Ausgangtemperatur jeweils mit einem Tauchsieder, so ist es leicht ersichtlich, dass sich die kleinere Wassermenge bei gleicher Energiezufuhr stärker erwärmt als die größere Wassermenge.

Das bedeutet:

Trotz gleicher Energiezufuhr unterscheidet sich die Temperatur.

Um die größere Wassermenge auf die gleiche Temperatur zu erwärmen, ist eine größere Energiezufuhr notwendig. In einer größeren Menge eines Stoffs ist demzufolge bei einer bestimmten Temperatur mehr Energie gespeichert als in einer kleineren Menge.

Wärme und Wärmeübertragung

Bringt man zwei Körper unterschiedlicher Temperatur miteinander in Kontakt, so fließt immer Energie vom Körper mit der größeren Temperatur zum Körper mit der niedrigeren Temperatur. Die dabei übertragene Energie wird als Wärme bezeichnet.

Häufig spricht man auch von Wärmemenge oder Wärmeenergie*.

Das Formelzeichen für die Wärme lautet Q, die Einheit ist das Joule (J).

Wärmeübertragung

Stehen zwei Körper gleicher Temperatur in Kontakt miteinander, gibt es keinen Energieaustausch zwischen ihnen. Beide behalten ihre ursprüngliche Temperatur.

Man spricht von einem thermodynamischen Gleichgewicht.

Erhöhung der Temperatur durch Zufuhr von Energie

Die Temperatur eines Körpers lässt sich durch die Zufuhr von Wärme erhöhen, aber auch durch Zufuhr mechanischer Arbeit W (z.B. durch Reibung beim bremsen, bohren, sägen etc.).

Die Zufuhr von Wärme kann jedoch außer einer Temperaturerhöhung weitere Auswirkungen haben:

  • Änderung des Volumens bzw. der Länge eines Körpers (Ausdehnung bei Erwärmung)
  • Änderung des Drucks
  • Änderung des Aggregatzustandes

Innere Energie

Die gesamte im Inneren eines Körpers gespeicherte Energie wird als innere Energie U bezeichnet.

Aufgrund der Anziehungskräfte zwischen den Teilchen im festen und flüssigen Zustand wird Energie benötigt, um einen festen Stoff zum schmelzen oder eine Flüssigkeit zum verdampfen zu bringen. Die dafür zugeführte Energie wird als potentielle Energie der Teilchen gespeichert.

Eine weitere Energiezufuhr führt zur Erhöhung der Temperatur, also zur Erhöhung der mittleren kinetischen Energie.

Die Summe aus potentieller und kinetischer Energie wird zusammenfassend als thermische Energie bezeichnet.

Daneben steckt zusätzlich chemische Energie und nukleare Energie in einem System.

Da sich bei thermischen Prozessen chemische und nukleare Energie nicht verändern, werden diese in der Wärmelehre bei der Betrachtung der inneren Energie nicht berücksichtigt.

Die Änderung der inneren Energie ist in der Thermodynamik daher gleichbedeutend mit einer Änderung der thermischen Energie.

Innere Energie kinetische Energie Thermische Energie
potentielle Energie
chemische Energie spielt bei thermodynamischenProzessen keine Rolle
nukleare Energie

Nimmt ein Körper Wärme auf, so vergrößert sich seine thermische Energie. Gibt er Wärme ab, so verringert sich seine thermische Energie.

Die Wärme oder Wärmemenge gibt an, wie viel thermische Energie von einem Stoff bzw. Körper auf einen anderen übertragen wird.

Änderung der inneren Energie im Teilchenmodell

Die Änderung der inneren bzw. thermischen Energie eines Stoffs kann mit dem Teilchenmodell beschrieben werden:

Alle Körper bestehen aus kleinsten Teilchen (Atome bzw. Moleküle). Diese befinden sich bei allen Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunktes in ständiger Bewegung (→ Brown'sche Bewegung).

Je schneller die Bewegung ist (genauer: je größer die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen ist → s. kinetische Gastheorie), umso höher ist die Temperatur des Körpers.

Je nach Aggregatzustand gibt es verschiedene Möglichkeiten der Teilchenbewegung:

Aggregatzustand Teilchenmodell Teilchenanordnung und -bewegung
fest  Teilchenmodell Festkörper
  • eng beieinander
  • schwingen hin und her
  • große Anziehungskräfte untereinander

 

flüssig  Teilchenmodell Flüssigkeit
  • keinen festen Platz
  • untereinander verschiebbar
  • immer noch relativ große Anziehungskräfte untereinander
gasförmig  Teilchenmodell Gas
  • Teilchen bewegen sich frei
  • große Abstände untereinander
  • praktisch keine Anziehungskräfte zwischen den Teilchen
  • Teilchen stoßen ständig zusammen

Die Teilchendichte ist im festen und flüssigen Zustand etwa gleich - im gasförmigen Zustand ist sie jedoch wesentlich kleiner.

Mit dem Teilchenmodell lässt sich die Wärmeübertragung (s.o.) folgendermaßen erklären:

Die schnelleren Teilchen des heißeren Körpers stoßen mit den langsameren Teilchen des kälteren Körpers zusammen und übertragen einen Teil ihrer Energie auf diese.

Die mittlere kinetische Energie der Teilchen und damit die innere Energie des heißen Körpers nimmt dabei ab, die innere Energie des kälteren Körpers nimmt zu.

* Wärme und Wärmeenergie - was ist der Unterschied?

Streng genommen muss klar unterschieden werden zwischen Wärme und Wärmeenergie:

Mit Wärme Q ist die Energie gemeint, die zwischen zwei thermodynamischen Systemen aufgrund eines Temperaturunterschiedes übertragen wird. Die übertragende Wärme beschreibt einen Prozess und ist somit eine sogenannte Prozessgröße.

Spricht man von Wärmeenergie ist meist thermische Energie als Teil der inneren Energie (s.o.) gemeint. Darunter versteht man die Energie die in einem Stoff aufgrund der Anordnung und Bewegung der Atome oder Moleküle gespeichert ist. Sie beschreibt den Zustand eines Systems und ist im Gegensatz zur Wärme Q eine Zustandsgröße.

Um beide Größen miteinander in Verbindung zu bringen, kann man sagen:

"Wird Wärme übertragen, so ändert sich die Thermische Energie."

Analog dazu kennst Du aus der Mechanik die Größen Arbeit W und Energie E - wird an einem System Arbeit verrichtet, so wird diesem System Energie zugeführt.

Auch mechanische Arbeit ist eine Prozessgröße, während die Energie eine Zustandsgröße beschreibt. Arbeit und Energie haben die gleiche Einheit.

Oft wird dieser Zusammenhang so formuliert:

"Energie ist gespeicherte Arbeit" oder "Energie beschreibt das Arbeitsvermögen".

Für das Verständnis der innerhalb der Schulphysik vermittelten Zusammenhänge der Thermodynamik ist diese strenge Trennung nicht unbedingt notwendig und u.U. sogar hinderlich zum Verständnis thermodynamischer Prozesse.

Auch in dem in vielen Leistungskursen verwendeten Buch "Metzler Physik" wird der Begriff Wärmeenergie anstelle von Wärme verwendet.