Wärmelehre


W-Bewegung  W-Ausbreitung  W-Ausdehnung  W-Kapazität  Phasenübergänge 
 

Wärmebewegung
Auf atomarer Ebene ist Wärmeenergie Bewegungsenergie, nämlich Bewegungsenergie der Moleküle (bzw. Atome). Je höher die Temperatur, desto schneller schwingen die Atome um ihre Ruhelage, bzw. bei gasförmigen Stoffen, desto schneller fliegen die Atome.
Celsius legte seine Temperaturskala so fest, dass er die Temperatur von gefrierendem Wasser als 0°C und die Temperatur von siedendem Wasser als 100°C festlegte.
Da die Temperatur der Bewegungsenergie der Atome entspricht, muss es eine Untergrenze der Temperatur geben: wenn die Bewegungsenergie Null ist, kann es nicht mehr kälter werden. Dies ist bei ca. -273°C der Fall.
Lord Kelvin regte eine neue Temperaturskala an:
Der Nullpunkt der absoluten Temperatur ist beim Stillstand der Atome, die Gradschritte sind wie bei Celsius.
Der absolute Nullpunkt ist also bei 0K (Null Kelvin) oder ca. -273°C, der Gefrierpunkt von Wasser beträgt 273K (273 Kelvin) oder 0°C.
(Kälter als 0K oder -273°C kann es nie werden, nach oben gibt es keine Begrenzung.)
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Wärmeausbreitung
  Wärmeenergie kann sich auf drei Arten ausbreiten:
  • Wärmeleitung
    Bei gleicher Temperatur fühlt sich Holz wärmer an als Eisen. Beim Berühren gibt die wärmere Hand Wärmeenergie an den berührten Körper ab, da das Eisen wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit die Wärmeenergie von der Berührstelle schnell wegleitet, bleibt die Berührstelle kühler.
  • Wärmetransport
    Wenn warme Körper ihren Ort verändern, dann wandert mit ihnen auch Wärmeenergie. Dies ist das Prinzip der Zentralheizung: mit dem heißen Wasser gelangt Wärmeenergie vom Heizkessel zum Heizkörper.
  • Wärmestrahlung
    Wärmeenergie kann sich auch ganz ohne Materie ausbreiten. Die Sonne liefert uns Wärmeenergie über Strahlung. Die Wärmestrahlung kann man selbst ganz einfach erfahren: nähern Sie ihre Hände mit offenen Handflächen einander an, so ab ca. 2 cm Entfernung werden Sie deutlich die Wärmestrahlung der einen Hand an der anderen wahrnehmen.
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Wärmeausdehnung
Fast alle Stoffe dehnen sich bei Erwärmung aus. (D.h. ihr Volumen nimmt zu.)
Der "Wärmeausdehnungskoeffizient" gibt an, um wieviel Millimeter sich ein Stab der Länge 1 Meter bei Erwärmung um 1 Grad verlängert.
Die Kräfte, die bei der Wärmeausdehnung auftreten, sind sehr groß.
Mit dem "Dilatometer" können wir die Längenausdehnung verschiedener Stoffe messen.
Wir messen z.B., dass sich ein Eisenstab der Länge 0,5m bei Erwärmung von 20°C auf 100°C um 0,48mm verlängert.
Aus dieser Messung lässt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient berechnen:
Wäre der Eisenstab 1m lang gewesen, dann wäre seine Verlängerung 2·0,48mm gewesen, also 0,96mm. Wäre dann dieser (1m lange) Eisenstab nicht um 80 Grad sondern nur um 1 Grad erwärmt worden, wäre seine Verlängerung auch nur 0,96mm/80 gewesen, also 0,012mm.
Walzt man zwei Metalle mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung aufeinander, erhält man ein "Bimetall".
Wird ein Bimetall erwärmt, dann verbiegt es sich. Mit einem Bimetall können Thermometer und Thermostaten aufgebaut werden.
  Die Wärmeausdehnung von Gasen ist Grundlage für unsere Benzin- und Dieselmotoren, für Düsentriebwerke und Raketenantriebe und auch für den Stirlingmotor.
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Wärmekapazität
Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffs gibt an, wieviel Energie (J) nötig ist, um 1g um 1Grad zu erwärmen. Bei Wasser ist dieser Wert ca. 4,2.

Sollen also 500g Wasser von 20°C auf 70°C (Differenz also 50K) erwärmt werden, ist dazu die Energie
E = 4,2 · 500 · 50 (J) = 105000 J = 105 kJ
nötig.
Wenn ein Bunsenbrenner in 3,5min 200g Wasser von 20°C auf 80°C erwärmen kann, dann kann man seine Wärmeleistung (=Energieabgabe pro Sekunde) berechnen.
1.Schritt: 200g Wasser um 60K zu erwärmen erfordert die Energie:
E = 4,2 · 200 · 60 (J) = 50400 J
2.Schritt: Diese Energie wurde in 3,5min = 210sec abgegeben.
Pro Sekunde wurden somit 50400/210 = 240 Joule abgegeben. Die Leistung ist also 240W (Watt).

->Spezifische Wärme von Öl messen
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Phasenübergänge
  • Verdampfen
    Wasser siedet bei 100°C und trotz Energiezufuhr nimmt die Bewegungsenergie der Wassermoleküle nicht zu. (Die Temperatur bleibt bei 100°C!) Nach dem Energieerhaltungssatz kann Energie nicht verloren gehen. Die zugeführte Energie ist zum Verdampfen nötig. 100°C heißer Dampf enthält mehr Energie als 100°C heißes Wasser!
    Wird bei dem Phasenübergang flüssig -> gasförmig keine Energie zugeführt, dann muss sich die Flüssigkeit bzw. die Umgebung dabei abkühlen. ("Schwitzen", "Kältespray")
    Beim Kondensieren gibt der Wasserdampf diese Energie wieder ab. Bei Espressomaschinen ist häufig eine Dampfdüse zum Erwärmen von Milch o.ä., der Dampf kondensiert in der Milch und gibt dabei seine Verdampfungsenergie wieder ab. Mit relativ wenig Dampf kann die Milch stark erwärmt werden.
  • Schmelzen
    Auch zum Schmelzen ist Energie nötig. Wasser von 0°C enthält mehr Energie als Eis von 0°C. Beim Gefrieren gibt das Wasser seine Schmelzenergie wieder ab. Deswegen dauert es auch in einer Tiefkühltruhe relativ lange, bis aus Wasser Eis geworden ist: Beim Gefrieren "heizt" das Wasser die Tiefkühltruhe auf 0°C auf.
    Dieser Effekt des "Heizens" auf den Gefrierpunkt (0°C) wird als Frostschutz im Obstbau ausgenutzt: In Frostnächten werden blühende Obstbäume beregnet: Das gefrierende Wasser "heizt" auf 0°C, bei dieser Temperatur erfrieren die Blüten noch nicht.
Messen der Verdampfungsenergie von Wasser:

Es wird eine beliebige Menge Wasser (z.B. 200 g) erwärmt. Während des Erwärmens wird die Wärmeleistung des Brenners ermittelt, z.B. wie lange es dauert bis das Wasser von 30°C auf 80°C erwärmt wurde.(Z.B. 145 sec)
Dann läßt man das Wasser eine bestimmte Zeit sieden, z.B. stoppt man ab Siedebeginn 5 Minuten ab. Dann schaltet man den Brenner ab und mißt, wieviel Wasser verdampft wurde (Z.B. 40 g).
Die Auswertung geht folgendermaßen:
Während des Erwärmens (von 30°C auf 80°C) wurde folgende Energie zugeführt:
E = 4,2 · 200 · 50 (J) = 42000 J
Der Brenner benötigte dazu 145 sec, somit ist seine Energieabgabe pro Sekunde:
P = 42000 J / 145 s = 290 W
Das Wasser hat 5 min = 300 sec gesiedet, in dieser Zeit hat der Brenner also folgende Energie an das Wasser abgegeben:
E = 290 W · 300 sec = 87000 J
Mit dieser Energie wurden 40 g Wasser verdampft, pro Gramm ist somit folgende Energie nötig:
87000 J / 40 g = 2175 J/g
Der Tabellenwert liegt bei 2260 J/g.

->Kühlschrank, Wärmepumpe
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