Es ist nicht immer ganz einfach, den Begriff Wärme eindeutig zu definieren. Physikalisch gesehen ist Wärme Energie. Wird von thermischer Energie gesprochen, ist hingegen die Wärme gemeint, die angibt, wie warm etwas ist. Thermische Energie wird als Temperatur angegeben.
Aber keine Sorge Du hast Dich nicht im Fachbereich geirrt, hier soll es auch um Wärme und in dem Kontext auch um die Temperatur als abiotischer Faktor gehen. Außerdem werden Dir Aspekte wie Solarenergie, Ökostrom oder auch "Grüne Energie" vorgestellt.
Wärme Definition
Die Wärme, bzw. Wärmemenge, ist eine physikalische Größe. Mit ihr wird die Energie beschrieben, die aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen zwei Körpern ausgetauscht wird. Die Wärmemenge wird in der Einheit Joule [J] angegeben, was wiederum 1 Wattsekunde [Ws] entspricht.
Für Wärme wird das Formelzeichen "Q" verwendet. Wie warm etwas ist, ist abhängig von der Masse, der Temperatur und der Wärmekapazität des jeweiligen Körpers. Dementsprechend muss der Aggregatzustand entweder flüssig, fest oder gasförmig sein.
Merke: Je größer die Masse des Körpers, desto größer ist auch die Wärmemenge. Das liegt daran, dass größere Körper mehr bewegliche Teilchen enthalten, die sich bewegen und somit mehr Wärme erzeugen können.
Körper können Wärme aufnehmen oder auch abgeben. Die unmittelbare Reaktion ist, dass sich die Temperatur des Körpers verringern oder erhöhen kann und dass sich der Aggregatzustand oder das Volumen verändert. Außerdem kann sich, vor allem bei Flüssigkeiten und Gasen in einer geschlossenen Umgebung, der Druck im Körper verändern.
Spezifische Wärme
Die spezifische Wärme, oder auch spezifische Wärmekapazität, ist eine physikalische Einheit aus der Thermodynamik.
Mit der spezifischen Wärme wird das Verhältnis zwischen der zugeführten Wärme eines Körpers und der daraus entstandenen Temperaturveränderung beschrieben.
Anders formuliert: Die spezifische Wärme beschreibt die Fähigkeit eines Körpers, Wärme zu speichern. Wie gut das funktioniert hängt hauptsächlich vom Körper, bzw. dem Stoff selbst ab.
Für die spezifische Wärmekapazität findet Du im Internet Tabellen zum Ablesen – Du musst die Werte also nicht alle selbst berechnen oder auswendig wissen.
Wie entsteht Wärme?
Wärme kann durch verschiedene Vorgänge, wie z. B. durch elektrischen Strom, durch Reibung, aber auch durch Verbrennung entstehen. Ebenfalls möglich ist die Entstehung von Wärme durch Kernspaltung oder Kernfusion.
Wärme Formel
Formel zur Berechnung der Wärmeenergie:
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ΔQ ist dabei die Änderung der Wärmeenergie in Joule [J], m ist die Masse in Kilogramm [kg], c ist die spezifische Wärmekapazität [J/(kg∗K)] und ΔT ist die Temperaturänderung in Kelvin [K].
Wärme und Temperatur Unterschied
Wärme und Temperatur wird oftmals für das Gleiche gehalten – ist es aber nicht. Beides sind physikalische Größen, allerdings ist die Temperatur eine Zustandsgröße und Wärme eine Prozessgröße. Anders formuliert: Wärme ist eine Energie und die Temperatur sagt aus, wie warm oder kalt etwas ist.
Mit der Temperatur wird der Wärmezustand eines Körpers beschrieben, ganz unabhängig davon, um welchen Stoff es sich handelt. Für die Temperatur wird das Formelzeichen "T" verwendet.
Wärme als abiotischer Faktor
Wärme, bzw. Temperatur als abiotischer Faktor ist wichtig, weil viele Lebensprozesse von Pflanzen davon abhängig sind, z. B. die Photosynthese, Keimung, Transpiration oder die Atmung. Aber auch für die Entwicklung von Tieren, z. B. Aktivität, Verhalten, Wachstum usw. ist Wärme ein wichtiger Faktor.
Ein Beispiel wäre, dass viele Pflanzensamen erst ab einer bestimmten Temperatur keimen. Oder auch, dass das Schlüpfen von Insekten abhängig von der Temperatur sein kann.
Außerdem passen sich einige Tierarten an die Jahreszeiten an, z. B. durch Winterruhe oder auch Winterschlaf etc. Abhängigkeiten von der Temperatur gibt es auch in stehenden Gewässern zwischen der Temperatur und dem Sauerstoffgehalt. Dabei gilt: Je wärmer das Wasser ist, desto geringer ist der Sauerstoffgehalt und umgekehrt. Das ist vor allem für Fische ein wichtiger Aspekt.
Mehr zu den Anpassungen von Tieren an verschiedene Jahreszeiten findest Du in den Artikeln zu den Überwinterungsformen.
Wärmetransport
Wie bereits erwähnt wird Wärme immer dann übertragen, wenn zwischen zwei Körpern oder einem Körper und seiner Umgebung ein Temperaturunterschied besteht. Für den Wärmetransport gibt es drei Mechanismen:
Wärmeleitung
Wärmeströmung
Wärmestrahlung
Wärme wird übrigens immer vom Körper mit der höheren Temperatur zu dem mit der niedrigeren Temperatur übertragen.
Wärmeleitung
Die Wärmeleitung oder auch Konduktion beschreibt die Tatsache, dass Wärme durch einen Körper hindurch immer von der höheren zur niedrigeren Temperatur übertragen wird. Wie gut das Ganze funktioniert, hängt von der Wärmeleitfähigkeit λ ab. Diese variiert je nach Stoff, manche können Wärme besser weiterleiten als andere.
Um Dir kurz einen Überblick zu geben: Gute Wärmeleiter sind die meisten Metalle, wie z. B. Kupfer, Gold, Silber oder Aluminium. Schlechte Wärmeleiter wären hingegen Kunststoffe, Wasser, Glas, Holz oder auch Luft.
Wärmeleitung kann in einem Stoff selbst erfolgen oder von einem Stoff in einen anderen. Dann wird auch von einem Wärmeübergang gesprochen oder die Wärme geht durch einen Stoff hindurch, das wäre dann ein Wärmedurchgang.
Ein Beispiel für einen Wärmeübergang wäre z. B. wenn Du Essen in einem Topf erwärmst. Dann hast Du an der Stelle einen Wärmeübergang vom Topfboden in das Essen.
Ein Beispiel für einen Wärmedurchgang wäre die Übertragung der Wärme eines geheizten Zimmers durch Glas oder die Wände nach außen.
Die Wärmeleitung ist nicht in allen Fällen erwünscht. Um das Beispiel vom Wärmedurchgang aufzugreifen: In der Regel ist es nicht erwünscht, dass Wärme vom Inneren eines Hauses nach außen gelangt. Ebenfalls unerwünscht ist die Konduktion bei den Griffen von Töpfen oder Pfannen. Das ist auch der Grund, warum diese meistens mit einem schlechten Wärmeleiter, wie z. B. Kunststoff, versehen sind.
Ein weiteres Beispiel, dass Du vermutlich bereits kennst: Wenn Du einen Löffel (ohne isolierten Griff) in eine Tasse mit Tee oder Kaffee steckst und dort drin liegen lässt, dann erwärmt sich der Griff, obwohl nur der untere Teil sich im Getränk befindet.
Erwünscht ist Wärmeleitung z. B. beim Heizen oder auch beim Kühlen.
Wärmeströmung
Bei der Wärmeströmung, oder auch Konvektion, wird Wärme durch Flüssigkeiten oder Gase übertragen. Wie viel Wärme übertragen wird, ist zum einen abhängig vom Stoff, der die Wärme transportiert. Zum anderen spielt auch die durchströmte Fläche selbst eine Rolle. Außerdem ist die Wärmeleitung noch abhängig von der Temperaturdifferenz, der Strömungsgeschwindigkeit und von der Zeit.
Beispiele für Wärmeströmungen wären: Warmwasserheizungen, Winde von Föhnen, kalte oder warme Meeresströmungen (z. B. der Golfstrom) oder auch die Luftkühlung bei technischen Geräten (z. B. Computern).
Wärmestrahlung
Bei der Wärmestrahlung wird Wärme durch elektromagnetische Wellen (Infrarotstrahlung/infrarotes Licht) übertragen. Im Gegensatz zur Wärmeleitung und Wärmeströmung kann sich die Wärmestrahlung auch in einem Vakuum ausbreiten.
Die wichtigste Wärmestrahlungsquelle ist die Sonne. Andere Quellen wären z. B. Infrarotlampen, Öfen, Heizkörper, Glühlampen. Auch der Mensch gibt genau genommen Energie in Form von Wärmestrahlung ab.
Wärmestrahlung kann von Körpern reflektiert, absorbiert (aufgenommen) und hindurchgelassen werden. In welchem Maße das passiert, ist abhängig vom Stoff, aus dem der Körper besteht, von der Dicke des Körpers und von dessen Oberflächenbeschaffenheit.
Körper mit einer dunklen, rauen Oberfläche absorbieren viel und reflektieren eher wenig Wärmestrahlung. Das ist auch der Grund, warum z. B. für Sonnenkollektoren raue, schwarze Flächen verwendet werden.
Körper mit hellen und glatten Oberflächen absorbieren hingegen wenig und reflektieren viel Wärmestrahlung. Deswegen haben Tank- und Kühlwagen eher helle Flächen und auch im Sommer bei viel Sonne ist es sinnvoll eher hellere Kleidung zu tragen als dunklere.
Ökologische Wärme
Ökologische Wärme oder kurz auch Ökowärme genannt, bezeichnet Wärme, die aus erneuerbaren Energien, bzw. Energiequellen gewonnen wird.
Ökowärme kann mithilfe von Solarthermie-Anlagen gesammelt werden. Dafür können ökologische Brennstoffe (z. B. Biogas, Biomethan etc.) oder auch nachwachsende Rohstoffe verwendet werden. Die Wärme kann auch mithilfe von Wärmepumpen aus der Umwelt gewonnen werden.
Ökowärme wird oftmals auch als "Grüne Wärme" bezeichnet.
Grüne Wärme – Vorteile
Die Vorteile von grüner Wärme ist einerseits die Umweltfreundlichkeit. Andererseits werden mit der Verwendung endliche Ressourcen geschont und die Natur somit nicht weiter belastet. Außerdem werden die Kosten für die Gewinnung, den Transport und die Aufbereitung etc. ebenfalls eingespart.
Ökowärme wird dezentral gewonnen bzw. erzeugt. Die Gewinnung ist also nicht auf einen Ort beschränkt. Zudem ist ein Import in der Regel nicht mehr nötig, wodurch das Geld bei an vor Ort gewonnener, bzw. erzeugter ökologischer Wärme im Land bleibt. Das kurbelt wiederum die Wirtschaft vor Ort an, schafft Arbeitsplätze und sichert generell die Versorgung.
Grüne Wärme – Nachteile
Die Nachteile der grünen Wärme sind auch immer davon abhängig, um welche Art von Ökowärme es sich handelt. Mehr dazu findest Du in den nächsten Abschnitten.
Grundsätzliche Nachteile sind in der Regel die Investitionskosten, da z. B. für die Geothermie und die Solarenergie entsprechende Geräte zur Umwandlung benötigt werden. Ein weiterer Nachteil ist an der Stelle oftmals auch der Platzbedarf.
Solar- und Geothermie haben zudem beide noch den Nachteil, dass sie an ihre Grenzen stoßen, wenn hohe Temperaturen benötigt werden. Bei der Geothermie wäre die Lösung, tiefer zu bohren, was dann wieder mit einem größeren Aufwand und mehr Kosten verbunden ist.
Ökowärme ist nicht gleich Ökowärme
Ökowärme kann je nach Energiequelle unterschiedenen werden:
Geothermie
Biomasse
Solarenergie
Geothermie
Bei der sogenannten Geothermie wird mithilfe von Wärmepumpen Wärme aus der Umwelt gewonnen. Dabei gilt, je tiefer in die Erde, desto wärmer wird es. Wärme kann allerdings auch schon nahe der Oberfläche gewonnen werden. Ein Nachteil ist dabei, dass die Pumpen Strom verbrauchen, was wiederum höhere Betriebskosten bedeutet.
Eine Sonderform der Geothermie wäre die Tiefengeothermie, mit der sowohl Strom als auch Wärme besonders effizient erzeugt werden können.
Biomasse
Ökowärme kann durch Biomasse erzeugt werden. Dabei handelt es sich ebenfalls um einen nachwachsenden Rohstoff. Aber auch hier ist die Verwendung wieder mit diversen Vorarbeiten und Transportkosten etc. verbunden. Zudem stellt der Lieferverkehr, um z. B. Holz für Pellets zu der Verarbeitung zu transportieren, eine zusätzliche Umweltbelastung da.
Ein Beispiel für Biomasse wären Holzpellets.
Solarenergie
Die ökologischste Art von Ökowärme ist die Solarwärme. Bei der Solarenergie wird auf erneuerbare Energien, vor allem auf Wind- und Sonnenenergie, gesetzt. Unterschieden werden kann in Solarthermie (Erzeugung von Wärme) und Photovoltaik (Strom). Als Solarenergie wird die Energie der Sonne bezeichnet, die vom Menschen technisch genutzt werden kann.
Ein großer Vorteil ist dabei, dass die Sonne eine nahezu konstante Strahlungsenergie abgibt und somit eine grenzenlose Energiequelle abgibt. Solarenergie kann vielfältig verwendet werden. Beachtet werden muss, dass die solare Einstrahlung nach Tages- und Jahreszeit sowie regionalen Gegebenheiten schwanken kann.
Wärme - Das Wichtigste
Wärme beschreibt die Energie, die aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen zwei Körpern ausgetauscht wird. Einheit Joule und Formelzeichen "Q".
Die Temperatur ist eine Zustandsgröße und beschreibt den Wärmezustand eines Körpers, unabhängig davon, um welchen Stoff es sich handelt. Formelzeichen "T".
Für den Wärmetransport gibt es die folgenden drei Mechanismen: Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung.
Ökologische Wärme bezeichnet Wärme, die aus erneuerbaren Energien, bzw. Energiequellen gewonnen wird.
Vorteile von grüner Wärme: Umweltfreundlich, ressourcenschonend, dezentrale Gewinnung.
Ökowärme kann je nach Energiequelle unterschiedenen werden in: Umweltwärme, Biomasse oder Solarenergie.
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