Thermische Energie

Thermische Energie
Die thermische Energie eines Körpers ist die Summe der Energien aller seiner Teilchen.
Formelzeichen:
Einheit:
ein Joule (1 J)
Die thermische Energie ist eine spezielle Energieform. Sie wird manchmal auch als innere
Energie bezeichnet.
Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme
abzugeben oder Licht auszusenden. Eine Form der Energie ist die thermische Energie,
die die Körper aufgrund ihrer Temperatur besitzen.
Die thermische Energie eines Körpers ist die Summe der Energien aller seiner Teilchen.
Benannt ist die Einheit der thermischen Energie nach dem englischen Physiker JAMES
PRESCOTT JOULE (1818-1889). Die thermische Energie ist eine spezielle Energieform.
Es ist eineZustandgröße, beschreibt also den thermischen Zustand eines Körpers. Sie
wird manchmal auch als innere Energie bezeichnet.
Die thermische Energie ist vor allem die kinetische Energie (Bewegungsenergie) der
Teilchen des Körpers, aber auch die Energie aufgrund der Bindung der Teilchen
aneinander (Bindungsenergie).
Die thermische Energie eines Körpers ist umso größer,


je höher die Temperatur des Körpers ist und
je größer die Masse des Körpers ist.
So besitzt z. B. eine bestimmte Menge heißes Wasser eine wesentlich größere thermische
Energie als die gleiche Menge kaltes Wasser.
Die thermische Energie eines Körpers hängt bei gleicher Temperatur - der
Umwandlungstemperatur - auch vom Aggregatzustand des Stoffes ab. So besitzt z.B.
Wasserdampf von 100 °C eine größere thermische Energie als die gleiche Menge Wasser
von ebenfalls 100 °C.
Gibt ein Körper Wärme ab, so verringert sich seine thermische Energie. Nimmt er Wärme
auf, so vergrößert sich seine thermische Energie. Dabei gilt für
den Zusammenhang zwischen abgegebener bzw. aufgenommener Wärme Q und der
Änderung der thermischen Energie:
Der größte Speicher für thermische Energie ist das Wasser der Weltmeere. Es ist
allerdings technisch schwierig, diese in den Weltmeeren gespeicherte thermische Energie
in größerem Umfange zu nutzen.
Unter der Bedingung, dass keine Änderung des Aggregatzustandes erfolgt, gilt für die
einem Körper zugeführte oder von ihm abgegebene Wärme:
Führt man einem Körper Wärme zu, so erhöht sich i. Allg. seine Temperatur. Gibt ein
Körper Wärme ab, so verringert sich seine Temperatur. Um wie viel Grad sich die
Temperatur eines Körpers bei bestimmter Wärmezufuhr bzw. Wärmeabgabe verändert,
hängt auch von dem Stoff ab, aus dem er besteht.
Der Zusammenhang zwischen der Temperaturänderung eines Körpers und der von ihm
aufgenommenen bzw. abgegebenen Wärme ist in der Grundgleichung der
Wärmelehre (auch: Grundgleichung der Thermodynamik oder Gleichung für die Wärme)
erfasst. Sie lautet:
Grundgleichung der Wärmelehre
Unter der Bedingung, dass keine Änderung des Aggregatzustandes erfolgt, gilt für die
einem Körper zugeführte oder von ihm abgegebene Wärme:
Die Gleichung ist nicht anwendbar, wenn bei dem betrachteten Stoff
eine Aggregatzustandsänderung vor sich geht. In diesem Falle muss auch noch die
jeweilige Umwandlungswärmeberücksichtigt werden.
Interpretation der Grundgleichung und Beispiele
Nachfolgend ist eine Interpretation der Grundgleichunggegeben und es sind
jeweils Beispiele für die Anwendunggenannt.
(1) Für einen bestimmten Stoff (c = konstant) mit bestimmter Masse
(m = konstant) gilt:
Bild 2
Das bedeutet: Die Temperaturänderung ist umso größer, je größer
die zugeführte bzw. abgegebene Wärme ist.
Beispiel: Je länger ein Liter Wasser auf einer Herdplatte steht, desto
höher ist die Temperatur, die erreicht wird. Dabei wird natürlich
vorausgesetzt, dass die Temperaturen unterhalb der
Siedetemperatur liegen.
(2) Für einen bestimmten Stoff (c = konstant) und eine bestimmte
Temperaturänderung
Bild 3
gilt:
Das bedeutet: Die einem Körper zugeführte oder von ihm
abgegebene Wärme ist umso größer, je größer die Masse des
Körpers ist.
Beispiel: Wenn sich Wasser in einem See abkühlt, dann wird
wesentlich mehr Wärme frei als beim Abkühlen von 1 l Wasser um
die gleiche Temperaturdifferenz.
(3) Für einen bestimmten Stoff (c = konstant) und eine bestimmte
Wärme (Q = konstant) gilt:
Bild 4
Das bedeutet: Die Temperaturänderung ist für einen Stoff umso
größer, je kleiner seine Masse ist.
Beispiel: Wenn 1 Liter Wasser und 0,5 Liter Wasser die gleiche
Wärme zugeführt werden, dann erwärmen sich 0,5 Liter Wasser
stärker (doppelt so stark) wie 1 Liter Wasser.
Verbrennungswärme
Die Verbrennungswärme gibt an, wie viel Wärme abgegeben wird, wenn eine bestimmte
Menge Brennstoff (Holz, Kohle, Benzin, ...) verbrannt wird.
Die Verbrennungswärme ist von der Menge des Brennstoffes und von seinem Heizwert
abhängig.
Zum Betrieb vieler Wärmequellen werden Brennstoffe wie Kohle, Holz, Erdgas oder
Heizöl verbrannt. Auch beim Verbrennen von Benzin oder von Dieselkraftstoff in Motoren
wird Wärme frei. Diese beim Verbrennen von Stoffen frei werdende Wärme wird
alsVerbrennungswärme bezeichnet.
Die Verbrennungswärme gibt an, wie viel Wärme abgegeben wird, wenn eine
bestimmte Menge Brennstoff (Holz, Kohle, Benzin, ...) verbrannt wird.
Die Verbrennungswärme ist umso größer,


je größer die Menge (Masse) des verbrannten Stoffes ist und
je größer sein Heizwert ist.
Bei festen Brennstoffen, z. B. Kohle, gibt man die Masse in der Regel in Kilogramm an.
Bei flüssigen Brennstoffen, z. B. Benzin, istLiter die gebräuchliche Einheit. Die Menge
eines Gases wird meist in Kubikmeter angegeben, wobei man diesen Wert auf den
Normzustand (Druck von 1013 mbar, Temperatur von 0 °C) bezieht.
Die Berechnung der Verbrennungswärme kann dann mit folgenden Gleichungen
erfolgen:
Bild 2
Der Heizwert von Brennstoffen
Der Heizwert von Brennstoffen ist sehr unterschiedlich. Er gibt an,
wie viel Wärme frei wird, wenn ein Kilogramm oder 1 Liter oder 1
Kubikmeter eines Stoffes vollständig verbrannt werden.
Der Heizwert hängt nicht nur von dem jeweiligen Stoff ab, sondern
auch von dessen Zusammensetzung. Das Holz einer Eiche hat
einen anderen Heizwert als das Holz einer Buche. Trockenes Holz
gibt beim Verbrennen mehr Wärme ab als feuchtes Holz. Der
Heizwert von Benzin hängt von dessen Qualität ab. Deshalb ist es
üblich, für eine Reihe von Brennstoffen keinen bestimmten
Heizwert, sondern ein Intervall anzugeben. In Bild 2 sind die
Heizwerte einiger Stoffe zusammengestellt.
Verbrennungswärme aus energetischer und ökologischer Sicht
In den Brennstoffen ist chemische Energie gespeichert. Beim
Verbrennen erfolgt eine Umwandlung in thermische Energie, die in
Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
Ziel bei technischen Anordnungen ist es, einen möglichst großen
Teil dieser Wärme zu nutzen, z. B. zum Beheizen einer Wohnung,
zum Kochen oder zum Erwärmen von Wasser und der Erzeugung
von Wasserdampf in Kraftwerken. Ein erheblicher Teil der frei
werdenden Wärme wird aber nutzlos an die Umgebung abgegeben,
bei PKW-Motoren etwa 70 %. Darüber hinaus wird beim
Verbrennen von Stoffen Kohlenstoffdioxid freigesetzt, was ein
klimawirksames Gas ist.
Ziel muss es sein, die Umweltbelastung beim Verbrennen von
Stoffen so klein wie möglich zu halten. Darüber hinaus gehören fast
alle Brennstoffe zu den nicht erneuerbaren Energieträgern. Deshalb
ist es unbedingt notwendig, rationell und verantwortungsbewusst
mit Brennstoffen umzugehen.
Die Wärme
Die Wärme gibt an, wie viel thermische Energie von einem Körper auf einen anderen
Körper übertragen wird.
Formelzeichen:
Q
Einheit:
ein Joule (1 J)
Beispiel
Q=245J
Die Wärme ist eine Prozessgröße, da sie den Prozess der Energieübertragung zwischen
Körpern beschreibt.
Wird von einem Körper Wärme abgegeben, so verringert sich seinethermische Energie.
Die thermische Energie des Körpers, auf den die Wärme übertragen wird, vergrößert sich
dementsprechend (Bild 1). Die Wärme ist somit ein Maß für die zugeführte oder
abgegebene thermische Energie. Allgemein gilt:
Die Wärme gibt an, wie viel thermische Energie von einem Körper auf einen
anderen Körper übertragen wird.
Formelzeichen: Q
Einheit:
ein Joule (1 J)
Benannt ist die Einheit der Wärme nach dem englischen PhysikerJAMES PRESCOTT
JOULE (1818-1889).
Vielfache der Einheit 1 J sind ein Kilojoule (1 kJ) und ein Megajoule (1 MJ):
1 kJ
= 1 000 J
1 MJ = 1 000 kJ = 1 000 000 J
Früher wurden als Einheiten für die Wärme auch eine Kalorie (1 cal) und
eine Kilokalorie (1 kcal) genutzt. Es gilt:
1 cal = 4,19 J
1 kcal = 4,19 kJ
Gibt ein Körper Wärme ab, so verringert sich seine thermische Energie. Nimmt er Wärme
auf, so vergrößert sich seine thermische Energie. Dabei gilt für den Zusammenhang
zwischen der abgegebenen bzw. aufgenommenen Wärme Q und der Änderung der
thermischen Energie:
Die Wärme kennzeichnet den Prozess der Übertragung thermischer Energie von einem
Körper auf einen anderen oder auch von einem Körper auf seine Umgebung. Sie wird
deshalb als eineProzessgröße bezeichnet.
Formen und Auswirkungen der Wärmeübertragung
Bild 2
Wärmeübertragung zwischen zwei Körpern oder einem Körper und
seiner Umgebung erfolgt immer dann, wenn zwischen diesen
Körpern oder einem Körper und seiner Umgebung eine
Temperaturdifferenz besteht. Die Übertragung von Wärme kann
dabei erfolgen durch



Wärmeströmung, auch Konvektion genannt,
Wärmeleitung,
Wärmestrahlung.
Ausführliche Informationen zu den drei genannten Formen der
Wärmeübertragung sind unter den betreffenden Stichwörtern zu
finden.
Wird Wärme von einem Körper abgegeben oder von ihm
aufgenommen, dann kann das folgende Auswirkungen haben:




Die Temperatur des Körpers verringert oder erhöht sich.
Der Aggregatzustand des Körpers ändert sich.
Das Volumen des Körpers ändert sich.
Der Druck im Körper ändert sich. Das gilt insbesondere für
Flüssigkeiten und Gase in abgeschlossenen Gefäßen.
Die spezifische Wärmekapazität
Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes gibt an, wie viel Wärme von einem
Kilogramm (1 kg) dieses Stoffes abgegeben oder aufgenommen wird, wenn sich seine
Temperatur um ein Kelvin (1 K) ändert.
Formelzeichen:
Einheit:
Beispiel
c
ein Kilojoule je Kilogramm und
Kelvin 1
c=236
kJ
kg∗K
kJ
kg∗K
Für Natur und Technik von besonderer Bedeutung ist die spezifische Wärmekapazität von
Wasser.
Magma quillt aus dem Erdinneren und kühlt sich allmählich ab (Bild 1). Dabei gibt es Wärme an die
Umgebung ab. Seine thermische Energie verringert sich.
Wenn wir heißes Wasser brauchen, so müssen wir dem aus der Leitung entnommenen Wasser
Wärme zuführen, indem wir es z. B. auf eine Herdplatte stellen. Das Wasser nimmt Wärme auf.
Seine thermische Energie vergrößert sich.
Die Wärme, die von einem Körper an seine kältere Umgebung abgegeben oder die von einem
Körper aufgenommen wird, ist abhängig von



dem Stoff, aus dem der Körper besteht,
der Masse des Körpers und
der Temperaturdifferenz zwischen der Endtemperatur und der Anfangstemperatur des
Körpers.
Die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Größen sind in der Grundgleichung der
Wärmelehre beschrieben. Die Abhängigkeit der abgegebenen oder aufgenommenen Wärme vom
jeweiligen Stoff wird durch die spezifische Wärmekapazität charakterisiert. Allgemein gilt:
Die spezifische Wärmekapazität ist eine wichtige Stoffkonstante. In Bild 2 sind
für die verschiedenen Stoffe die Werte für diese Stoffkonstante angegeben.
Bei Gasen beziehen sich die angegebenen Werte auf konstanten Druck.
Darüber hinaus gibt es für Gase auch eine spezifische Wärmekapazität bei
konstanten Volumen.
Bild 2
Bedeutung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser
Die Bedeutung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser ergibt sich
daraus, dass Wasser von allen in der Natur vorkommenden Stoffen mit die
größte spezifische Wärmekapazität hat und darüber hinaus gut verfügbar ist.
Der Wert von
Bild 3
bedeutet: Ein Liter Wasser nimmt eine Wärme von 4,19 kJ auf, wenn es um 1 K
erwärmt wird. Es gibt eine Wärme von 4,19 kJ wieder ab, wenn es sich um 1 K
abkühlt.
Große Wassermengen können demzufolge bei Temperaturänderungen große
Mengen Wärme aufnehmen oder abgeben. Deshalb haben größere Seen,
Meere oder Ozeane erheblichen Einfluss auf das Klima.
Im Frühjahr und Sommer wird vom Wasser bei Sonneneinstrahlung aufgrund
der großen spezifischen Wärmekapazität des Wassers viel Wärme gespeichert.
Diese Wärme wird auch der Umgebung entzogen. An großen Seen und Küsten
ist es deshalb im Frühjahr und Sommer meist nicht so warm wie im
Binnenland.
Im Herbst und Winter wird ein erheblicher Teil dieser Wärme an die Umgebung
abgegeben. An großen Seen und Küsten ist es dann milder als im Binnenland.
Durch große Wasserflächen entsteht somit ein typisches Seeklima mit relativ
milden Wintern und relativ kühlen Sommern.
Beeinflusst wird das Klima in vielen Regionen auch durch
gewaltigeMeeresströmungen, z. B. durch den warmen Golfstrom, der seinen
Ausgangspunkt im karibischen Raum (Mittelamerika) hat und der das Klima in
England, Irland und an der norwegischen Küste deutlich beeinflusst.
Auch in der Technik besitzt Wasser wegen seiner großen spezifischen
Wärmekapazität und natürlich auch wegen seiner guten Verfügbarkeit große
Bedeutung. InWarmwasserheizungen wird genutzt, dass Wasser aufgrund
seiner Wärmekapazität viel Energie durch Wärme transportiert. Für
die Kühlung von Motoren oder als Kühlmittel in Kraftwerken wird aus diesem
Grunde ebenfalls Wasser verwendet.