Thermische Energie und Wärme


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Was ist Energie?

Energie ist die Fähigkeit eines Systems, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden. Die thermische Energie ist eine Energieform, die ein Körper oder System aufgrund seiner Temperatur besitzt.

Wärme und thermische Energie

Die thermische Energie eines Körpers setzt sich zusammen aus der Energie die in der ungeordenten Bewegung seiner Atome oder Moleküle gespeichert ist. Sie ist Teil der inneren Energie eines Systems, ihre Einheit wird in Joule \([J]\) gemessen. Die thermische Energie wird unter anderem auch als Wärmeenergie bezeichnet, sollte aber nicht mir der Wärme verwechselt werden.

Erhöht man die Temperatur eines Körpers, so erhöht sich seine thermische Energie, wird die Temperatur reduziert, dann verringert sich die thermische Energie. Aus dem Teilchenmodell wissen wir bereits, dass die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Systems bei einer Temperaturerhöhung steigt. Nimmt also die Bewegungsenergie zu, dann erhöht sich ebenso die thermische Energie. Um die Temperatur eines Körpers zu erhöhen, muss dem Körper Wärme \(Q\) zugeführt werden.

Was ist Wärme?

Der Begriff Wärme in der Physik ist deutlich anders als seine umgangssprachliche Verwendung. Im alltag verwendet man den Begriff Wärme im Hinblick auf den Zustand eines Körpers. Man sagt: "Die Heizung ist warm". Damit möchte man einen bestimmten Zustand der Heizung beschrieben.
In der Physik dient der Begriff Wärme nicht um den Zustand eines Körpers zu beschreiben, sondern um die Prozesse bei denen der Zustand eines Körpers sich ändert zu beschrieben. Wärme existiert nur dann wenn dich der Zustand eines Körpers ändert.

Ändert sich die Temperatur eines Körpers nicht, so existiert auch keine Wärme. Um die Temperatur eines Körpers zu verändern, muss vom Körper Wärme zu oder abgeführt werden. Die menge an Energie die dem Köper genommen oder zugeführt wird um dessen Temperatur zu ändern nennt man in der Physik Wärme.

Wärme ist der Teil an Energie, der von einem Körper aufgenommen oder abgegeben wird. Wärme kann auch als "Energiefluss" bezeichnet werden, zwischen zwei Systemen mit verschiedenen Temperaturen fließt Wärme stets von der höheren zur tieferen Temperatur. Der Wärme Transport wird durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Konvektion realisiert.

Das Erwärmungsgesetz

Die zugeführte Wärme \(Q\) kann in form von thermischer Energie gespeichert werden. Mit dem Erwärmungsgesetz kann die Wärmemenge \(Q\), die als thermische Energie gespeichert wird berechnet werden.

Erwärmungsgesetz

\(Q=m\cdot c\cdot \Delta T\)

Dabei ist \(m\) die Masse, \(\Delta T\) der Temperaturunterschied und \(c\) die spezifische Wärmekapazität.



Beispiel

Wie viel Wärme in \(kJ\) muss einem Liter Wasser zugefügt werden, um dessen Temperatur von 20°C auf 100°C zu erhöhen?
Tipp: Wasser besitzt eine Wärmekapazität von \(c=4,19\frac{kJ}{kg\cdot K}\)

Lösung

Mit Hilfe der Formel \(Q=m\cdot c\cdot \Delta T\) kann die nötige Wärmemenge berechnet werden.

Dazu muss man zunächst \(\Delta T\) bestimmt:

\(\Delta T=T_{End}-T_{Anfang}=100°C-20°C=80K\)

Desweiteren benötigen wir die Masse von einem Liter Wasser:

\(m_{Wasser}=\rho_{Wasser}\cdot V_{Wasser}=1\frac{kg}{dm^3}\cdot 1L=1kg\)

Ein Liter Wasser wiegt 1 Kilogramm.

Damit ergibt sich für die nötige Wärmemenge:

\(Q=m\cdot c\cdot \Delta T=1kg\cdot 4,19\frac{kJ}{kg\cdot K}\cdot 80K=335,2kJ\)

Um einen Liter Wasser von 20°C auf 100°C zu erhitzen, benötigt man \(335,2kJ\) Wärme.