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4.1 Zustandsgrößen und Stoffeigenschaften
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Wärmelehre
Fragen in den letzten 10 Examen: 8
Wärme ist eine spezielle Energieform (thermische Energie). Die Wärmelehre (Thermodynamik) beschäftigt sich u. a. mit der Umwandlung von thermischer Energie in andere
Energieformen. Dabei gilt die Energieerhaltung (siehe Kapitel 2) und das Prinzip, dass die
Entropie („Unordnung“) im Universum ständig zunimmt. Wärme ist die Energieform mit
der größten Entropie, daher
kann sie nur zum Teil in „geordnetere“ Energieformen umgewandelt werden. Ein warmer
Ball kühlt z. B. nicht spontan ab
und hüpft dafür in die Höhe.
4.1
Zustandsgrößen und
­Stoffeigenschaften
In der Thermodynamik wird der Zustand eines Stoffes mit Hilfe von Zustandsgrößen beschrieben, z. B. Druck, Temperatur, Volumen,
Stoffmenge, Energie, Entropie … Um aus allgemein formulierten thermodynamischen Zusammenhängen Zustandsgrößen für einen
konkreten Stoff vorhersagen zu können, müssen dessen Stoffeigenschaften, wie z. B. Wärmekapazität, thermischer Ausdehnungskoeffizent oder Kompressionsmodul bekannt sein.
In den Physikumsaufgaben werden besonders
gerne Fragen zur Temperatur und zur Wärmekapazität gestellt.
4.1.1 Temperatur
Die Temperatur ist ein Maß für die Wärmeenergie eines Stoffes. Auf mikroskopischer Ebene
entspricht die Temperatur eines Stoffes der kinetischen Energie seiner Teilchen, allerdings
gemittelt über alle Bewegungsrichtungen. Die
Temperatur ist daher selbst keine Energieform.
Die Temperatur, die ein physikalisches Objekt
hätte, wenn es überhaupt keine Energie besä-
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ße, heißt der absolute Nullpunkt. Er liegt bei
etwa −273 °C und wurde als Nullpunkt der Kelvin-Temperaturskala festgelegt (−273 °C = 0 K).
Die Kelvin-Skala hat zwar dieselben Temperaturabstände wie die Celsius-Skala, aber im Unterschied zu ihr keine negativen Werte.
Willst du eine Temperaturangabe in °C in die
Einheit Kelvin umrechnen, addierst du 273:
Kelvin = °Celsius + 273
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Temperaturdifferenzen brauchst du nicht umrechnen, sie sind in beiden Skalen gleich.
Merke!
Temperaturangaben in den Physikumsaufgaben,
die auf 7 enden, müssen oft in Kelvin umgerechnet werden, es ergeben sich dann nämlich schöne glatte Zahlen.
4.1.2 Wärmekapazität
Die Wärmekapazität eines Körpers ist die Wärmemenge, die einem Körper zugeführt werden
muss, damit sich seine Temperatur um 1 Kelvin (= 1 °C) erhöht:
c=
∆Q
∆T
[c] =
∆Q : Wärmemenge
∆T : Temperaturunterschied
J
K
Die Wärmekapazität c hängt u. a. vom Material und der Masse m des Körpers ab. Die spezifische Wärmekapazität cspez bezieht sich auf
ein Kilogramm des Materials:
∆Q
c
cspez =
=
∆T ∙ m
m
[cspez] =
J
K ∙ kg
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