Wärmelehre Die thermische Energie
Von: Christian Döllinger
Stand: 16.06.2021 |Bildnachweis
Schau dir zunächst das Video auf die folgenden Fragen hin an:
- Von welchen Einflussgrößen hängt die thermische Energie eines Körpers ab?
- Was versteht man unter der Einheit Joule?
- Was versteht man unter der "spezifischen Wärmekapazität" eines Stoffes?
- Warum eignet sich Wasser besonders gut zur Kühlung von Verbrennungsmotoren oder Reaktorblöcken in Kernkraftwerken?
Weiter unten findest du die Antworten auf die Fragen und vertiefende Informationen.
Die Teilchen (Atome und Moleküle), aus denen ein Körper aufgebaut ist, sind ständig in Bewegung: Bei einem festen Körper schwingen sie um ihre Plätze innerhalb der Gitterstruktur, bei einer Flüssigkeit führen sie unregelmäßige Bewegungen aus, wobei sie sich gegeneinander verschieben können. In einem Gas schließlich bewegen sie sich völlig ungeordnet. Die Ordnungsstruktur der Bewegungen nimmt vom festen zum gasförmigen Zustand immer weiter ab.
Im Folgenden erklären wir wichtige Begriffe genauer:
Die Temperatur ist ein makroskopisches Maß für die Intensität der Teilchenbewegung: Sie ist umso größer, je heftiger sich die Teilchen bewegen, das heißt je größer deren (mittlere) Bewegungs- oder kinetische Energie ist.
Sie hängt nicht vom Aggregatzustand ab, das heißt Wasserteilchen haben bei 0°C dieselbe (mittlere) Bewegungsenergie wie die Teilchen von Eis bei 0°C. Die Temperatur ist auch unabhängig von der Masse.
Im Gegensatz zur Temperatur ist die thermische Energie eines Körpers nicht nur von der Intensität der Teilchenbewegung, sondern auch von der Masse des Körpers und seinem Aggregatzustand abhängig. Sie ergibt sich als Summe der Bewegungsenergie und der potentiellen Energie aller Teilchen des Körpers.
Die potentielle Energie der Teilchen wird durch die zwischen ihnen wirkenden Kräfte bestimmt: Im festen Zustand sind diese zwischenatomaren bzw. zwischenmolekularen Kräfte wegen der hohen Ordnungsstruktur sehr groß. Bei einer Flüssigkeit mit ihrer nur noch schwachen Ordungsstruktur dagegen sind die Kräfte zwischen den Teilchen wesentlich kleiner. Bei einem Gas schließlich wirken zwischen den Teilchen, außer bei Zusammenstößen untereinander, überhaupt keine Kräfte mehr.
Die potentielle Energie zwischen den Teilchen ist umso größer, je kleiner diese zwischenmolekularen Kräfte sind. Das bedeutet, dass die (mittlere) potentielle Energie der Teilchen eines Körpers im festen Zustand am kleinsten und im gasförmigen am größten ist (genau entgegengesetzt zu den zwischenmolekularen Kräften).
Man kann sich dies wie bei einer Weltraumrakete vorstellen: Zwischen der Rakete und der Erde wirkt die Gravitationskraft: Sie entspricht den Kräften zwischen den Teilchen eines Körpers. Je weiter sich die Rakete von der Erde entfernt, desto kleiner wird die Graviationskraft. Gleichzeitig benötigt man aber umso mehr Treibstoff und damit Energie, je weiter sich die Rakete (innerhalb des Anziehungsbereichs) von der Erde entfernen soll. Diese Energie ist, abgesehen von den prinzipiellen Verlusten des Raketenmotors, als potentielle Energie in der Rakete gespeichert, sprich: Je größer der Abstand, desto kleiner die Kräfte und desto größer die potentielle Energie.
Wegen der größeren (mittleren) potentiellen Energie der Teilchen im flüssigen im Vergleich zum festen Zustand ist die thermische Energie von Wasser bei 0°C trotz gleich großer mittlerer Bewegungsenergie der Teilchen größer als die von Eis bei derselben Temperatur.
Darunter versteht man die Summe aller Energieformen, die die Teilchen eines Körpers aufweisen können: Zur Bewegungs- und potentiellen Energie der Teilchen kommt zusätzlich noch die Energie, die die Teilchen aufgrund ihrer Energie im Teilchenverband besitzen (Bindungsenergie der Teilchen). Sie tritt als chemische Energie bei chemischen Reaktionen in Erscheinung. Auch die Energie, die in den Atomkernen verborgen ist (Kernenergie), muss man zur inneren Energie eines Körpers zählen.
Bei rein thermischen und mechanischen Vorgängen bleiben die chemische und die Kernenergie unverändert, so dass man für derartige Prozesse die thermische Energie qualitativ mit der inneren Energie gleichsetzen kann.
In der Physik muss diese Größe klar von ihrer schwammigen umgangssprachlichen Bedeutung abgegrenzt werden:
Physikalisch versteht man unter Wärme die Energie, die von einem Körper auf einen anderen übertragen wird, wenn zwischen beiden eine Temperaturdifferenz besteht. Bringt man einen 50 g schweren Körper mit einer Temperatur von 20°C mit einem Körper aus gleichem Material, aber einer Masse von 1.000 g und 10°C in enge Berührung, so geht Wärme vom Körper mit der höheren Temperatur auf den mit der niedrigeren über, obwohl dieser aufgrund seiner größeren Masse eine weit höhere thermische Energie besitzt.
Wärme geht immer vom Körper mit der höheren auf den mit der tieferen Temperatur über.
Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes ist eine für diesen Stoff charakteristische Konstante. Ihr Zahlenwert gibt an, wie groß die Energie ist, die in Form von Wärme oder Arbeit einem Körper mit der Masse 1 kg aus dem betreffenden Material zugeführt werden muss, um seine Temperatur um 1°C zu erhöhen.
Derselbe Energiebetrag wird umgekehrt bei einer Abkühlung um 1°C an die Umgebung in Form von Wärme wieder abgegeben.
Die im Vergleich zu anderen Stoffen sehr große spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,18 kJ/(kg · °C), das heißt: Um 1l Wasser um 1°C zu erwärmen, wird eine Energiezufuhr in Form von Wärme oder Arbeit von 4,18 kJ benötigt. Mit einem äquivalenten Energiebetrag könnte man einen 100 kg schweren Körper 4,18 m anheben! Dieser Vergleich demonstriert, wie groß aufgrund der enormen Teilchenzahl in 1l Wasser die uns verborgene Summe aus der kinetischen und potentiellen Energie der Wasserteilchen ist.
Derselbe Energiebetrag von 4,18 kJ wird bei der Abkühlung von 1l Wasser um 1°C an die Umgebung abgegeben.
Um einen Körper der Masse m, der aus einem Material mit der spezifischen Wärmekapazität c besteht, von der Temperatur ϑ1 auf eine höhere Temperatur ϑ2 zu erwärmen, muss seine thermische Energie um den Betrag ΔETherm = c · m · (ϑ2 – ϑ1) erhöht werden. Dies erreicht man z. B., indem man ihm die entsprechende Wärme WQ zuführt, d. h. für die zur Erwärmung erforderliche Wärme gilt:
WQ = c · m · (ϑ2 – ϑ1)
Beispiel
Du möchtest 0,8l Wasser mit einem Wasserkocher von 16°C auf 98,3°C erwärmen. Berechne die dazu erforderliche Wärme.
Lösung
Für die benötigte Wärme WQ = c · m · (ϑ2 – ϑ1) ergibt sich durch Einsetzen der Eingangswerte:
WQ = 4,18 kJ / (kg · °C) · 0,8 kg · (98,3°C - 16°C) = 275 kJ
Frage
Von welchen Einflussgrößen hängt die thermische Energie eines Körpers ab?
Antwort
Die thermische Energie eines Körpers hängt von seiner Temperatur, seiner Masse und dem Material ab, aus dem er besteht (und für das die spezifische Wärmekapazität maßgeblich ist) ab. Daneben hat auch der Aggregatzustand, in dem sich der Körper befindet, einen Einfluss auf die thermische Energie:
Die gleiche Masse Wasser von 0°C hat eine höhere thermische Energie als Eis von 0°C.
Frage
Was versteht man unter der Einheit Joule?
Antwort
Joule ist die Einheit für die Energie und die Größen, die Energieübertragungen beschreiben, nämlich Arbeit und Wärme. Für die im Alltag auftretenden Energiebeträge ist diese Einheit sehr klein, daher wird oft die 1.000-fache Einheit Kilo-Joule (kJ) verwendet:
Einen Körper mit der Masse 100 kg einen Meter hochzuheben, erfordert eine Arbeit von 1 kJ. Diese Arbeit ist dann als Lage- oder potentielle Energie in dem Körper gespeichert.
Frage
Was versteht man unter der "spezifischen Wärmekapazität" eines Stoffes?
Antwort
Die spezifische Wärmekapazität ist ein Maß für die Wärmespeicherfähigkeit eines Stoffes, das heißt sie gibt an, um welchen Betrag die thermische Energie eines Körpers aus dem betreffenden Material mit einer Masse von 1 kg abnimmt, wenn sich seine Temperatur um 1°C vermindert. Dieser Energiebetrag wird dabei in Form von Wärme an die Umgebung übertragen.
Frage
Warum eignet sich Wasser besonders gut zur Kühlung von Verbrennungsmotoren oder Reaktorblöcken in Kernkraftwerken?
Antwort
Wasser hat eine besonders große spezifische Wärmekapazität. Bei gleicher Kühlflüssigkeitsmenge steigt die Temperatur von Wasser bei derselben Wärmeaufnahme aus dem heißen Motor weniger stark an als zum Beispiel die von Öl mit seiner kleineren spezifischen Wärmekapazität.