Das Wesen der Wärme

Wärme ist eine Form von Energie. Die Wärme wird mit der Bewegungsenergie der Atome und Moleküle eines Stoffes gleichgesetzt (Brownsche Molekularbewegung). Wird ein Körper erwärmt, so erhöht sich die Bewegungsenergie der Atome und Moleküle; geht Wärme verloren, so nimmt die Bewegungsenergie ab, er kühlt ab. Wärme kann auf verschiedene Arten erzeugt werden.

• aus mechanischer Energie:

Wird ein Dübelloch gebohrt, so erwärmt sich der Bohrer und ein Bereich um das Bohrloch aufgrund der hohen Reibung der beiden Werkstoffe.

• aus chemischer Energie:

Bei der Verbrennung eines Stoffes (Oxidation) wird Wärme erzeugt. Brennendes Holz, Öl oder Gas erwärmt das Wasser in einem Heizkessel.

• aus elektrischer Energie:

Fließt Strom durch einen elektrischen Widerstand (z. B. Tauchsieder), so erwärmt sich dieser.

• aus Strahlungsenergie:

Auf der Erde auftreffende Sonnenstrahlen werden von der Erdoberfläche absorbiert (in sich aufgenommen) und erwärmen sie.

• aus Kernenergie:

Durch Beschießen von Atomkernen (z. B. Uran 235) mit Neutronen zerfällt der Kern in mehrere Teile. Die Spaltprodukte fliegen mit hoher Geschwindigkeit fort und geben ihre kinetische Energie beim Auftreffen auf Materie (z. B. Wasser) in Form von Wärme ab.

Die SI-Einheit der Wärmemenge, das Joule (J) geht auf den Engländer James Joule zurück, der 1843 nachgewiesen hat, dass jede Wärmemenge einer bestimmten mechanischen Arbeit entspricht. Die physikalischen Größen Energie, Arbeit und Wärmemenge werden als Größen gleicher Art bezeichnet. Ihre Einheiten entsprechen sich:

1 J = 1 Nm = 1 Ws.

Wärme und Temperatur werden oft verwechselt oder einander gleichgesetzt. Die Wärme gibt die in einem Stoff enthaltene Wärmemenge an (siehe Kapitel 1.2). Sie wird in Joule (J) angegeben.

Die Temperatur zeigt den Grad der Erwärmung an, also den jeweiligen Wärmezustand. Die Einheit ist Kelvin (K) oder Grad Celsius (°C).

Bei der Celsiusskala wurde der Gefrierpunkt (Eispunkt) des Wassers als 0 °C festgelegt, der Siedepunkt (Dampfpunkt) des Wassers bei normalem Luftdruck als 100 °C. Die Kelvinskala besitzt dieselbe Teilung, beginnt jedoch beim absoluten Nullpunkt, wo keine Bewegungsenergie der Moleküle mehr vorliegt. Er liegt bei -273 °C. Die um 273 Grad verschobene Celsiusskala entspricht demnach der Kelvinskala. Die Bezeichnung Grad entfällt bei Angabe der Temperatur in Kelvin.

K = °C – 273

Thermometer sind Messinstrumente zur Temperaturmessung.

Nach wie vor findet das Flüssigkeitsthermometer (z. B. mit Quecksilber oder Alkohol) Verwendung. Es ist im Bereich von – 39 °C bis etwa + 200 °C einsetzbar.

In der Technik, im Bauwesen und oft auch im privaten Bereich wird häufig mit elektrischen (z. B. Thermoelement) oder Bimetallthermometern gemessen. Die Messfühler eines Thermoelements sind sehr klein, präzise und geben die Temperatur in kürzester Zeit an. Zunehmend werden Strahlungsmessgeräte eingesetzt, die die Temperatur auch über größere Entfernungen exakt angibt, ohne mit dem Prüfkörper direkt Kontakt zu haben (berüh-rungslose Messung).

Die Energie, die einem Körper zu- oder abgeführt werden muss, um seine Temperatur (Wärmegrad) zu ändern, wird als Wärmemenge Q bezeichnet.

Sie wird mit der Formel berechnet:

Q = m · c · iU•

dabei ist:

Q = Wärmemenge in J

m = Masse in kg

c = spezifische Wärmekapazität in J/kg · K

iU = Temperaturdifferenz in K

Verschiedenartige Stoffe, die dieselbe Masse besitzen, müssen mit unterschiedlichen Wärmemengen erwärmt werden.

Um 1 kg eines Stoffes um 1 °C bzw. 1 K zu erwärmen ist eine ganz bestimmte Wärmemenge nötig. Sie wird spezifische Wärmekapazität genannt. Einheit J/kg · K.

Nachfolgend einige spezifische Wärmekapazitäten, jeweils in J/kg · K (Werte gerundet):

Beispiel: Wie viel kWh sind erforderlich, um den Inhalt eines 250 l Wasserboilers von 6 °C auf 45 °C aufzuheizen?

Q = 250 kg · 4200 J · (45 °C – 6 °C)

Q = 40 950 000 J bzw. Ws

Zur Umrechnung von Joule in Kilojoule wird durch 1000 geteilt; ergibt: Q = 40 950 kJ bzw. kWs

Zur Umrechnung in Kilowattstunden wird durch 3600 s/h geteilt und man erhält:

Q =11,4 kWh

Wie viel kostet der einmalige Aufheizvorgang mit Heizöl, wenn pro Liter Heizöl mit 0,40 Euro und einem Heizwert von 10 kWh pro Liter gerechnet werden kann?

Bei diesem Beispiel wird auch der Unterschied zwischen Temperatur und Wärmemenge deutlich. Um 1 l Wasser auf 45 °C zu erwärmen ist sicherlich viel weniger Wärme nötig als bei 250 l, beide haben aber dann die gleiche Temperatur. o