Wärme

Mit der Temperaturänderung einer Substanz sind eine Reihe von physikalischen Änderungen verbunden. Fast alle Substanzen dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen. Das Verhalten von Wasser zwischen 0 °C und 4 °C bildet eine Ausnahme von dieser Regel (siehe Eis). Die Phasen einer Substanz sind ihr fester, flüssiger und gasförmiger Zustand. Phasenübergänge in reinen Substanzen finden bei bestimmten Temperaturen und Drücken statt (siehe Gibb’sches Phasengesetz). Der Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand wird als Sublimation bezeichnet, der vom festen in den flüssigen Zustand als Schmelzen und der vom flüssigen zum gasförmigen (Dampf) als Sieden (oder Verdampfen). Wenn der Druck gleich bleibt, laufen diese Vorgänge in einem abgeschlossenen System bei konstanter Temperatur ab. Die Wärmemenge, die für einen Phasenübergang benötigt wird, bezeichnet man als Umwandlungsenthalpie. Es gibt die Umwandlungsenthalpien der Sublimation, des Schmelzens und der Verdampfung (siehe Destillation; Verdampfung). Wenn Wasser in einem offenen Gefäß bei einem Druck von 101 Kilopascal (früher: eine Atmosphäre) gekocht wird, steigt seine Temperatur nicht über 100 °C, gleichgültig, wie viel Wärme zugeführt wird. Die ohne Temperaturerhöhung des Wassers aufgenommene Wärme ist Umwandlungsenthalpie. Diese geht nicht verloren, sondern wird für die Umwandlung des Wassers in Dampf aufgewendet und dann als Energie im Dampf gespeichert. Sie wird wieder freigesetzt, wenn der Dampf zu Wasser kondensiert (siehe Kondensation). Ähnlich verhält sich eine Mischung aus Wasser und Eis bei Wärmezufuhr: Die Temperatur erhöht sich nicht, bis das Eis vollständig geschmolzen ist. Die aufgenommene Umwandlungsenthalpie wird benutzt, um die Kräfte zu überwinden, die die Teilchen des Eises zusammenhalten, und wird im Wasser gespeichert. Um ein Kilogramm Eis zu schmelzen, werden 19 Kilojoule benötigt, um ein Kilogramm Wasser in Dampf von 100 °C zu verwandeln, werden 129 Kilojoule benötigt.

Die Wärmemenge, die für die Temperaturerhöhung einer Masseeinheit einer Substanz um ein Grad benötigt wird, nennt man spezifische Wärme. Wenn die Erwärmung bei konstantem Volumen oder konstantem Druck der Substanz stattfindet, wird sie als spezifische Wärme bei konstantem Volumen oder konstantem Druck bezeichnet. Die Letztere ist für jede Substanz immer größer oder wenigstens gleich der Ersteren. Die spezifische Wärme von Wasser beträgt bei 15 °C 4 185,5 Joule pro Kilogramm und Grad. Bei Wasser und anderen Substanzen, die sich kaum komprimieren lassen, ist es nicht notwendig, zwischen den spezifischen Wärmen bei konstantem Volumen und bei konstantem Druck zu unterscheiden. In diesen Fällen sind sie ungefähr gleich. Im Allgemeinen hängen die beiden spezifischen Wärmen einer Substanz von der Temperatur ab.

Die Wärmeübertragung findet durch drei Prozesse statt: Die ersten beiden sind Wärmeleitung und -strahlung. Der dritte Prozess, der auch die Bewegung von Materie einschließt, wird als Konvektion bezeichnet. Wärmeleitung erfordert physischen Kontakt zwischen den Körpern oder Teilen von Körpern, die Wärme austauschen. Strahlung hingegen erfordert keinen Kontakt der Körper, auch nicht die Anwesenheit von Materien zwischen den Körpern. Konvektion läuft mit Hilfe der Bewegung einer Flüssigkeit oder eines Gases ab, die Kontakt zu Materie mit unterschiedlicher Temperatur haben.