Sieben Uhr morgens und schon über 15 °C. Das wird ein warmer Schultag werden. Vielleicht ziehst Du also lieber kurze Kleidung an, damit es nicht unnötig warm wird.
Temperatur und Wärme spielen in unserem Alltag eine wichtige Rolle und werden meist im gleichen Kontext oder gar synonym verwendet. Dabei machen wir uns selten Gedanken darüber, was wirklich hinter diesen Begriffen steckt, was sie unterscheidet und wie sie zusammenhängen.
Temperatur und Wärme Physik
Nicht nur für unseren Alltag, sondern auch in der Physik haben Temperatur und Wärme eine besondere Bedeutung. Insbesondere die Wärmelehre (auch als Thermodynamik bezeichnet) widmet sich der Wärmeübertragung und beschreibt das Verhalten von unterschiedlichen Materialien bei verschiedenen Temperaturen. Doch was genau bedeuten diese Begriffe und wie unterscheidet sich die Temperatur von der Wärme?
Definition Temperatur und Wärme
In der Wärmelehre wird immer ein thermodynamisches System und seine Umgebung betrachtet. Als „System“ kannst Du dabei alles bezeichnen – das kann ein fester Körper sein, eine Maschine, ein Gas oder auch eine Flüssigkeit. Dabei wird zwischen offenem, geschlossenen oder isolierten System unterschieden.
Während ein isoliertes System weder Teilchen noch Energie mit seiner Umgebung austauschen kann, ist einem offenen System jeglicher Austausch möglich. Ein geschlossenes System kann hingegen nur Energie austauschen. Eine genaue Erklärung zu thermodynamischen Systemen findest Du bei „Wärmelehre“.
Im Alltag benutzt Du die Temperatur als ein Maß dafür, wie warm oder kalt ein Körper oder die Außenluft gerade ist. Dies kannst Du auch in die Physik übertragen: Wie warm oder kalt ein System gerade ist, entspricht dem aktuellen Zustand des Systems. Somit gibt die Temperatur stets den aktuellen Zustand des Systems an.
Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße. Sie beschreibt den momentanen, thermischen Zustand eines Systems und kann in Grad Celsius oder Kelvin gemessen werden. Dabei ist Kelvin die SI-Basiseinheit der Temperaturmessung.
Weshalb es unterschiedliche Einheiten für die Temperatur gibt und wie sie miteinander zusammenhängen, erfährst Du in der Erklärung zur Temperaturmessung.
Sobald Temperaturdifferenzen auftreten, kann Energie in Form von Wärme ausgetauscht werden. Somit beschreibt Wärme die energetische
Wärme ist also eine Prozessgröße. Sie gibt die Menge an thermischer Energie an, die während eines Prozesses aufgenommen oder abgegeben wird.
Als „thermisch“ werden Größe oder Prozesse bezeichnet, die unter Wärmeaustausch auftreten. Mehr dazu erfährst Du in der gleichnamigen Erklärung!
Die ausgetauschte Wärme ist dabei höher, je größer die Temperaturdifferenz ist. Außerdem hängt der Wärmeaustausch davon ab, wie viel Wärme pro Temperaturänderung aufgenommen werden kann. Dies unterscheidet sich je nach betrachteten Stoff und wird durch die Wärmekapazität bestimmt. Dabei gibst Du in Bezug auf die Masse des Stoffes stets die spezifische Wärmekapazität an.
Der Zusammenhang zwischen ausgetauschter Wärmemenge Q und der Temperaturdifferenz ΔT wird in der Grundgleichung der Wärmelehre zusammengefasst:
Dabei ist m die Masse des Systems und c die spezifische Wärmekapazität.
Dieser Zusammenhang besteht, solange sich der Aggregatzustand bei Wärmeübertragung nicht ändert. Findet eine Aggregatzustandsänderung statt, so wird auch die dafür aufgewandte Wärme zusätzlich betrachtet.
Temperatur und Wärme Unterschied
Temperatur und Wärme sind also zwei unterschiedliche physikalische Größen.
Während Temperatur eine Zustandsgröße ist und den Zustand des Systems beschreiben kann, ist Wärme eine Prozessgröße und dient der Energieübertragung.
Energie kann in Form von Wärme übertragen werden, um beispielsweise Wasser zum Kochen zu bringen, Dein Zimmer zu heizen oder Essen zu erwärmen. Die Temperatur ist hingegen nicht übertragbar. Du kannst sie allerdings messen, um festzustellen, wie „warm“ oder „kalt“ ein System ist.
Wärme ist beispielsweise die Energie, die vom Gaskocher auf das Wasser übertragen wird und dieses aufwärmt:
Das Wasser besitzt dadurch eine Temperatur, die Du messen kannst.
Sobald es einen Temperaturunterschied gibt, kann Wärme von Bereichen oder Systemen höherer Temperatur zu niedrigeren Temperaturen übertragen werden. Die Wärmeübertragung kann allerdings erst dann stattfinden, wenn die Austauschpartner miteinander verbunden sind. Dabei reicht es bereits aus, dass sich zwei Systeme berühren. Wenn ein System hingegen absolut keine Energie austauschen kann, handelt es sich um ein isoliertes System.
Aber wie genau kannst Du Dir die Energie eines Systems vorstellen und welche Energieformen gibt es?
Temperatur und Wärme Zusammenhang mit Energie
Teilchen bewegen sich schneller, je höher die Temperatur eines Systems ist.
Bei niedrigen Temperaturen hingegen ist die Teilchenbewegung allgemein langsamer.
Somit ist also die Temperatur ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen.
Allerdings bestehen Systeme, die in der Thermodynamik betrachtet werden (z.B. Gase) oft aus sehr vielen Teilchen. In solchen Fällen kann den Teilchen kein einheitlicher Wert der Bewegungsenergie zugeordnet werden, da sich alle Teilchen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Diese Geschwindigkeiten werden dann geeignet gemittelt und daraus die mittlere kinetische Energie bestimmt.
Temperatur und Wärme thermische Energie
Die Gesamtheit der kinetischen Energien aller Teilchen in einem System entspricht der thermischen Energie.
Thermische Energie ist die gesamte kinetische Energie aller Teilchen, die sich ungeordnet im System bewegen.
Merkst Du den Unterschied zur kinetischen Energie? Jedes einzelne Teilchen besitzt eine kinetische Energie. Die Summe aller kinetischen Energien ergibt die thermische Energie des Systems.
Thermische Energie hängt einerseits, genauso wie die mittlere kinetische Energie, von der Temperatur des Systems ab. Andererseits wird sie auch von der Masse des Systems beeinflusst: Je mehr Masse ein Körper besitzt, desto mehr Teilchen stehen für die Energieaufnahme zur Verfügung und desto mehr Energie kann das System aufnehmen.
Tauscht das System Wärme aus, so ändert sich auch seine thermische Energie: Sie steigt bei einer Wärmezufuhr und sinkt, wenn das System Wärme abgibt.
Die Änderung der thermischen Energie ΔEtherm eines Systems entspricht der ausgetauschten Wärmemenge Q:
Deswegen wird thermische Energie oftmals auch als Wärmeenergie bezeichnet. Sie kann beispielsweise dazu genutzt werden, um mit Seewasser zu heizen.
Seen verfügen, nicht zuletzt wegen ihrer großen Masse, über hohe thermische Energie. Um diese zu nutzen, wird Seewasser ans Ufer gepumpt, wo die Wärmeenergie des Wassers über einen Wärmetauscher an ein Kühlmittel weitergeleitet wird. Das Seewasser kühlt durch den Wärmeaustausch ab und wird wieder in den See geleitet:
Kühlmittel sind Gase oder Flüssigkeiten, die zum Austausch von Wärme eingesetzt werden. Nimmt das Kühlmittel die Wärme des Seewassers auf, so erhöht sich seine Temperatur.
Über einen weiteren Wärmetauscher (oder eine Wärmepumpe), der am selben Kreislauf angeschlossen ist, kann das Kühlmittel dann die aufgenommene Wärme an das Heizwasser übertragen. Somit wird auch dieses erwärmt und kann zum Heizen genutzt werden!
Dieses Heizprinzip ist beispielsweise in der Schweiz bereits weitverbreitet und bietet eine umweltfreundliche und klimaneutrale Alternative zu konservativen Heizmethoden.
Temperatur und Wärme innere Energie
Die thermische Energie ist Teil der inneren Energie eines Systems. Diese kann entweder durch Wärmeaustausch oder durch verrichtete Arbeit verändert werden.
Die innere Energie U eines Systems entspricht der Gesamtenergie. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich ihre Änderung ΔU als die Summe der ausgetauschten Wärmemenge Q und verrichteter Arbeit W:
Verrichtet das System etwa Arbeit, dann ist das entsprechende Vorzeichen negativ und die innere Energie sinkt. Wird hingegen am System Arbeit verrichtet, so ist die Arbeit positiv und die innere Energie steigt um den entsprechenden Betrag. Nimmt das System wiederum Energie in Form von Wärme auf, so ist die Wärme positiv und die innere Energie steigt um den entsprechenden Betrag an. Wird Wärme hingegen abgeführt, dann hat die Wärme ein negatives Vorzeichen und die innere Energie sinkt.
Du drückst die Luft in einer Spritze zusammen. Dabei verrichtest Du eine Arbeit von . Gleichzeitig gibt die Luft Wärme an die Umgebung ab.
Indem Du am System „Luft“ Arbeit verrichtest, erhöhst Du die innere Energie des Systems um 75 Joule. Damit hat die Arbeit ein positives Vorzeichen. Da die Luft allerdings auch Wärme an die Umgebung abgibt, hat die Wärme ein negatives Vorzeichen und die innere Energie sinkt gleichzeitig um 90 Joule:
Für die innere Energie ergibt sich insgesamt ein negatives Vorzeichen. Das bedeutet, dass die innere Energie während des gesamten Prozesses sinkt. Dies kannst Du auch dadurch erklären, dass insgesamt mehr Energie in Form von Wärme abgeführt wird, als Du in Form von Arbeit reinsteckst.
Da Wärme allerdings stets vom kälteren System zum wärmeren strömt, steigt mit der inneren Energie auch die Temperatur des Systems, das die Wärme aufnimmt. Gleichzeitig sinkt die Temperatur des abgebenden Systems. Auch wenn wir über die Temperatur beschreiben können, wie „warm“ ein System ist, so sprechen wir dabei also nicht von Wärme an sich, denn Wärme ist eine ganz andere physikalische Größe!
Temperatur und Wärme - Das Wichtigste
- Bei Temperatur und Wärme handelt es sich um unterschiedliche physikalische Größen.
- Temperatur ist eine Zustandsgröße und beschreibt den momentanen thermischen Zustand eines Systems.
- Gleichzeitig ist die Temperatur ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen im System. Je höher die Temperatur, umso höher die mittlere kinetische Energie.
- Wärme ist eine Prozessgröße und gibt die Energie an, die bei Temperaturdifferenzen während eines Prozesses ausgetauscht wird.
- Die ausgetauschte Wärme kannst Du aus der Grundgleichung der Wärmelehre als Produkt der Wärmekapazität c, der Masse m und der Temperaturänderung ΔT des Systems berechnen:
- Thermische Energie entspricht der gesamten kinetischen Energie aller Teilchen, die sich ungeordnet im System bewegen.
- Die Änderung der thermischen Energie ΔEtherm entspricht der ausgetauschten Wärmemenge Q.
- Thermische Energie ist Teil der inneren Energie.
- Die innere Energie eines Systems entspricht der Gesamtenergie.
- Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ändert sich die innere Energie, wenn Wärme ausgetauscht oder Arbeit verrichtet wird.
Nachweise
- Giancoli (2019). Physik (4. aktualisierte Auflage). Pearson Deutschland GmbH.
- Oberholz, ed. (2013). DORN-BADER Physik in einem Band. Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH
- Peter Atkins, Julio de Paula (2014). Atkins' Physical Chemistry. Oxford University Press.
- energie-experten.ch: Heizen und Kühlen mit Seewasser. (24.06.2022)
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