1.

Einleitung

Wärme (Physik), Übertragung von Energie aufgrund eines Temperaturunterschieds, z. B. von einem Teil einer Substanz zu einem anderen. Wärme ist Energie im Übergang. Sie fließt immer von einer Substanz mit höherer Temperatur zu einer Substanz mit niedrigerer Temperatur. Dabei erhöht sie die Temperatur der Letzteren und senkt die der Ersteren, vorausgesetzt, das Volumen der Körper bleibt gleich. Wärme fließt nur von einer niedrigeren zu einer höheren Temperatur, wenn Arbeit verrichtet wird.

Bis zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde die Wirkung von Wärme auf die Temperatur eines Körpers erklärt. Man nahm die Existenz einer unsichtbaren Substanz oder Materieform mit der Bezeichnung Kalorikum an. Nach der damaligen Theorie enthält ein Körper mit hoher Temperatur mehr Kalorikum als einer mit niedriger Temperatur. Benjamin Thompson 1798 und Humphry Davy 1799 lieferten den experimentellen Beweis dafür, dass das Fließen von Wärme der Arbeit einer Energieübertragung entspricht. Zwischen 1840 und 1849 lieferte James Prescott Joule in einer Reihe von sehr genauen Experimenten den schlüssigen Beweis, dass Wärme eine Energieform ist und dass sie in Körpern die gleichen Veränderungen wie Arbeit hervorrufen kann.

2.

Temperatur

Obwohl es möglich ist, die relative Temperatur zweier Substanzen durch den Tastsinn zu vergleichen, ist es unmöglich, die absolute Größe der Temperatur durch subjektive Reaktionen festzustellen. Wenn einer Substanz Wärme zugeführt wird, so ändert das jedoch nicht nur ihre Temperatur, sondern verändert auch verschiedene physikalische Eigenschaften. Manche Substanzen können sich bei Temperaturveränderungen ausdehnen oder zusammenziehen, ihr elektrischer Widerstand verändert sich. Bei gasförmigen Stoffen ändern sich ihre Partialdrücke. Die Veränderungen bezüglich einer Standardeigenschaft dienen z. B. als Grundlage für eine genaue numerische Temperaturskala (siehe unten).

Temperatur hängt von der durchschnittlichen Bewegungsenergie der Moleküle einer Substanz ab. Nach der kinetischen Gastheorie (siehe Gase; Thermodynamik) kann Energie in drei Teilformen vorkommen: Rotations-, Vibrations- und Translationsenergie. Diese Formen resultieren aus den Bewegungen, die die Teilchen ausüben können (Rotation = Drehbewegung; Vibration = Schwingung; Translation = Bewegung in eine beliebige Richtung). Die Temperatur hängt jedoch nur von der Translationsbewegung ab. Rein theoretisch betrachtet, zeigen Moleküle am absoluten Temperaturnullpunkt keine Aktivität (Siehe Molekül).

Das Ganze bleibt jedoch Theorie, denn der absolute Nullpunkt ist technisch nicht realisierbar.

3.

Temperaturskalen

Heute sind mehrere verschiedene Temperaturskalen in Gebrauch. Es sind die Celsiusskala, die Fahrenheitskala, die Kelvinskala, die Rankineskala und die internationale thermodynamische Temperaturskala (siehe Thermometer). Die Celsiusskala mit einem Gefrierpunkt von 0 °C und einem Siedepunkt von 100 °C ist auf der ganzen Welt weit verbreitet, besonders im wissenschaftlichen Bereich. Die Fahrenheitskala wird in englischsprachigen Ländern im nichtwissenschaftlichen Bereich verwendet. Nach der Fahrenheitskala beträgt der Gefrierpunkt von Wasser +32 °F, der Siedepunkt +212 °F. Auf der thermodynamischen Kelvin-Temperaturskala ist Null definiert als der absolute Temperaturnullpunkt. Diese Temperaturskala beruht auf dem 2. und 3. Hauptsatz der Thermodynamik und ist nicht von Materialeigenschaften abhängig. Null Kelvin entsprechen -273,15 °C. Die Größe einer Kelvin-Einheit (abgekürzt mit K) entspricht einem Grad Celsius. Die Rankineskala wird im angloamerikanischen Raum verwendet. Der Nullpunkt der Rankineskala ist der absolute Temperaturnullpunkt. Ein Grad Rankine entspricht einem Grad auf der Fahrenheitskala. Der Gefrierpunkt von Wasser auf der Rankineskala beträgt 492 °R, der Siedepunkt 672 °R.

Für die heutige Praxis verbindlich ist die Internationale Temperaturskala von 1990. Sie erstreckt sich bei tiefen Temperaturen bis zu 0,65 Kelvin. Temperaturunterschiede sollen in Kelvin, können aber auch heute noch in Grad Celsius angegeben werden.

1954 wurde der Tripelpunkt von Wasser – d. h. der Punkt, an dem die drei Phasen von Wasser (Dampf, Flüssigkeit und Eis) im Gleichgewicht sind – durch ein internationales Abkommen auf 273,16 K festgelegt. Der Tripelpunkt kann mit größerer Genauigkeit bestimmt werden als der Gefrierpunkt und bietet somit einen geeigneteren Festpunkt für die absolute thermodynamische Skala. In der Tieftemperaturforschung sind durch so genannte adiabatische Entmagnetisierung von paramagnetischen Materialien Temperaturen bis zehn Mikrokelvin (= zehn millionstel Kelvin) erzeugt worden.

4.

Wärmeeinheiten

In der Wissenschaft wird die Wärmemenge in den gleichen Einheiten wie Energie und Arbeit, namentlich in Joule ausgedrückt. Eine überholte Einheit ist die Kalorie. Im Prinzip ist das Joule die Arbeit, die verrichtet wird, wenn eine Kraft von einem Newton einen Gegenstand um einen Meter verschiebt. Im Maschinenbau wird in den Vereinigten Staaten und in Großbritannien Wärme in Britischen Wärmeeinheiten oder Btu (= British thermal unit) gemessen. Eine britische Wärmeeinheit ist die benötigte Wärmemenge, um 1 lb (= britisches Pfund) Wasser um 1 °F (= Fahrenheit) zu erwärmen und entspricht etwa einem Kilojoule. Mechanische Energie kann durch Reibung in Wärme umgewandelt werden. Gemäß dem Energieerhaltungsgesetz erscheint die gesamte mechanische Arbeit, die Reibungswärme erzeugt, als Energie in den Körpern, auf die die Arbeit gerichtet ist. Diese Tatsache wurde erstmals in einem Experiment von Joule schlüssig bewiesen. Er erwärmte Wasser in einem geschlossenen Gefäß durch rotierende Schaufelräder. Dabei fand er heraus, dass der Anstieg der Wassertemperatur proportional zu der Arbeit war, die für das Drehen der Räder aufgewendet wurde.

Wenn Wärme in mechanische Energie umgewandelt wird, wie z. B. in der Verbrennungskraftmaschine, gilt das Gesetz der Energieerhaltung auch. In jeder Maschine geht jedoch ein Teil der Energie in Form von Wärme verloren, da keine Maschine einen Wirkungsgrad von 100 Prozent hat.

5.

Umwandlungsenthalpie

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.

6.

Spezifische Wärme

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.

7.

Wärmeübertragung

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.