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Zum gleichnamigen Hörspiel siehe Hitze (Hörspiel).

In dem Physik ist Wärme, oft angezeigt durch das Symbol Q, eine Form von EnergieAustausch- zwischen Systemen, die nicht miteinander interagieren thermisches Gleichgewicht (d. h. haben unterschiedliche Temperaturen, wenn die Temperatur für die Systeme definiert wird; dies ist der Fall, wenn sich die Systeme im inneren thermischen Gleichgewicht befinden). Grundsätzlich kann dieser Austausch auf drei verschiedene Arten erfolgen: Leitung, Strahlung und Konvektion; also NICHT durch Arbeit. Wärme wird im . aufgenommen SIEinheitensystem ausgedrückt in Joule (J). (Das Kalorie ist eine veraltete Einheit, die offiziell längst abgeschafft wurde, aber immer noch im allgemeinen Sprachgebrauch ist.) Wärme kann gemäß der Erster Hauptsatz der Thermodynamik profitieren sowohl die innere EnergieSIE des Empfangssystems sowie der von diesem System durchgeführten ArbeitW die Umgebung dieses Systems. Innere Energie kann in thermische Energie unterteilt werden SIE_das (was in den zufälligen Bewegungen der konstituierenden Moleküle liegt) und BindungsenergieSIE_p (aufgrund der Kräfte, die die Moleküle und ihre Bestandteile aufeinander ausüben). Das Absolute Temperatur T ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie pro Molekül und damit für SIE_das.Hitze ist nicht wie Arbeit Zustandsfunktion des Systems, während innere Energie, Druck, Temperatur, Energie oder Volumen sind. Wie die zugeführte Wärme verteilt wird SIE_das, SIE_p und W (alles ausgedrückt in Joule) und wie sich die Zustandsgrößen Volumen, Temperatur und Druck ändern, hängt ganz von der Beschaffenheit des Aufnahmesystems und den an es gestellten Randbedingungen ab. In Gasen ist die Rolle von SIE_p sind oft fast vernachlässigbar, nicht bei Feststoffen. Bei Feststoffen und Flüssigkeiten ist die Außenarbeit fast immer W durch Volumenänderung vernachlässigbar Es gibt ein eng verwandtes, aber wesentlich anderes Konzept: reduzierte Hitze. Dies ist eine Zustandsfunktion, also in einem Gleichgewichtszustand eindeutig bestimmt. Reduzierte Hitze spielt eine entscheidende Rolle bei der Formulierung der Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.Bei isothermen Prozessen ist die reduzierte Wärme gleich ${displaystyle {frac {Q}{T}}}$.
Für andere Prozesse ist es

${displaystyle int {frac {dQ(T)}{T}}}$.

Geschichte

Ursprünglich dachte man, Wärme sei eine Eigenschaft von Materie wie Masse und Volumen. Es sollte also endlich sein und kann auslaufen. Dies erwies sich als nicht der Fall. Graf Rumford (der Flüchtling aus Amerika) Benjamin Thompson) kam darauf, aber es war James Joule der um 1840 Experimente durchführte und zeigte, dass sich die Temperatur einer Flüssigkeit nicht nur dadurch erhöhen kann, dass man eine Flamme darunter hält, sondern auch um Arbeit (in seinem klassischen Experiment durch schnelles Rühren eines Paddels). Mechanische Arbeit und Wärme stellten sich als zwei äquivalente Energieaustauschmöglichkeiten heraus.

Falsche Alltagssprache

Auch der alltägliche Sprachgebrauch nutzt den physikalisch falschen Ausgangspunkt, als ob Wärme eine Eigenschaft eines Systems wäre. Ein erstes Beispiel. „Wie heiß ist es im Raum“ sollte eigentlich heißen „wie heiß ist die Temperatur im Raum“. Diese Temperatur ist ein Maß für die Wärmeenergie der Raumluft, die durch die Aufnahme von Wärme durch diese Luft im Raum des heißeren Ofens (der eine höhere Temperatur hat) gewonnen wird. Ein Objekt, das durch Reibung mit dem Boden zum Stillstand kommt, wandelt seine kinetische Energie nicht in Wärme um (schließlich besteht kein Temperaturunterschied zwischen Objekt und Boden), sondern in Wärmeenergie sowohl im Boden als auch im Objekt. Beide bekommen lokal eine höhere Temperatur, weil die Moleküle des Bodens und des Objekts die kinetische Energie aufnehmen und in Wärmeenergie umwandeln, wodurch sie schneller schwingen (falsch: beide werden wärmer). Damit verbunden ist das "Erwärmen der Bremsen oder Reifen". Kinetische Energie wird bei Bremsen und Reifen in eine minderwertigere Wärmeenergie umgewandelt: Beide erhalten eine höhere Temperatur. Wärme durch Energieaustausch durch eine Temperaturdifferenz ist hier nicht beteiligt.

Niedrige Energieform

Ein weiteres Missverständnis ist, dass ein System durch das Hinzufügen von Wärme immer eine höhere Temperatur erhält. Das erster Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Differenz von zugeführter Wärme und von der Umgebung geleisteter Arbeit die innere Energie U eines Systems verändert: ΔSIE = Q − einDie thermische Energie, die ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle ist, stellt in der Regel einen wichtigen Teil der inneren Energie dar. Bei isothermen Prozessen (bei konstanter Temperatur) ändert sich die thermische Energie nicht: ΔSIE_Thermal- = 0 Verursachen Q − ein =SIE_p. Dieser ist bei Gasen in der Regel sehr gering. Wärmeversorgung Q wird dann fast vollständig für die Arbeit genutzt.Bei nicht-isothermen Prozessen ändert sich nicht nur die Temperatur, sondern noch mindestens eine weitere Größe wie Volumen und Druck. Das Volumen eines Schnellkochtopfs beispielsweise kann sich nicht ändern, also ändern sich nur Temperatur und Druck. Wenn in einem Heißluftballon Wärme angewendet wird, erhöhen sich sowohl die Temperatur, der Druck als auch das Volumen. In einem durch einen reibungsfreien Kolben verschlossenen Gefäß nehmen nur Temperatur und Volumen zu. Bei Temperaturerhöhung wird die Energiezufuhr (meist in Form von Wärme) von (einem Teil) eines Objekts aufgenommen, dessen atomare oder molekulare Teilchen sich schneller bewegen zufällig Richtungen: die kinetische Energie der Partikel nimmt zu.

Wärme wird als minderwertige Energieform angesehen, denn alle Arten von Energie werden automatisch - wenn man also nichts Besonderes tut und lange genug wartet - in Wärme umgewandelt, während sie laut Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Hitze in a irreversibler Prozess kann nicht vollständig in eine andere Form umgewandelt werden. Bei der Umwandlung von Energie in eine andere Form als Wärme entsteht immer ein gewisser „Verlust“, da ein Teil der Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird und nicht „nützlich“ genutzt werden kann. es gibt Energieerhaltung, aber das sagt nichts über den praktischen Nutzen der verschiedenen Formen der umgewandelten Energie aus. Beispielsweise werden bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht in einer Glühlampe nur etwa 5 % in Licht umgewandelt, während die restlichen 95 % in Wärme umgewandelt werden. Energiesparlampen und LED-Beleuchtung haben eine höhere Effizienz.

Hitzetemperatur

Wenn Arbeit ausgeschlossen wird, indem das Volumen konstant gehalten wird und ΔSIE_p vernachlässigt, wird die zugeführte Wärme vollständig für die thermische Energie genutzt: ΔSIE_das = Q. Es besteht dann ein Zusammenhang zwischen Wärme und der Zunahme der Temperatur des Systems: die Zufuhr von Wärme zu einer Stoffmenge, es sei denn, es gibt Phasenübergang auftritt, was zu einem Temperaturanstieg führt. Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um ein Kilogramm einer bestimmten Substanz ein Grad Celsius (°C) oder ein Kelvin (K) Temperaturerhöhung ist stoffabhängig und wird als spezifische Wärme (in Einheit J/kg K). Wenn wir nicht ein Kilogramm Staub als Einheit nehmen, sondern a Maulwurf dann scheinen viele Feststoffe alle ungefähr dieselbe molare spezifische Wärme von ungefähr 25 J/mol·K zu haben.

Für Objekte, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen (experimentell) ist die Wärmekapazität werden bestimmt: die Wärme, die erforderlich ist, um das Objekt um 1 K zu erwärmen. Die Einheit hierfür ist J/K.

Die Beziehung zwischen der Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Objekts mit bekannter Wärmekapazität zu ändern bei konstanter Lautstärke wird durch die folgende Formel angezeigt:

${Displaystil Q=C_{V};Delta T}$

Darin ist ${Anzeigestil Q}$ die Wärmemenge (Energieänderung) in J, die für benötigt wird ${Anzeigestil Delta T}$ Kelvin Temperaturänderung bei konstantem Volumen und ${Displaystil C_{v}}$ die Wärmekapazität in J/K. Bei konstantem Druck wie bei atmosphärischen Prozessen spielt die Wärmekapazität bei konstantem Druck die Hauptrolle:

${Anzeigestil Q=C_{P};Delta T}$

In einem Gas, bei dem gleichzeitig Druck und Volumen schwanken, spielen beide Arten der Wärmekapazität eine Rolle:

${displaystyle dQ(P,V)=C_{V}left({frac {partial T}{partial P}}ight)_{V}dP C_{P}left({frac {partial T}{partial V}} Flug)_{P}dV}$.

Die Differentialquotienten in obigem Ausdruck werden abgeleitet von Staatsgleichung des Gases.
C_p ist immer größer als C_v, denn bei Wärmezufuhr bei konstantem Druck immer ein Teil von Q wird für äußere Arbeit und manchmal auch für den potentiellen Teil der inneren Energie aufgewendet. An einer ideales Gas ist C_p − C_v = nR, bei welchem R das molare Gaskonstante ist und nein die Anzahl der Gasmole.

Phasenübergänge

Mit einer Mischung aus verschiedenen Phasen des gleichen Stoffes, zum Beispiel kochendes Wasser oder schmelzendes Eis, bewirkt die zusätzliche Wärmezufuhr nur eine Verschiebung der Verhältnisse zwischen den beiden Phasen: Beim Sieden von Wasser wird Wasser in Wasserdampf umgewandelt, während die Temperatur konstant bleibt. Die zugeführte Energie Q wird verwendet, um Verdampfungswärme notwendig, um die kinetische Energie der Moleküle des Stoffes zu erhöhen, damit sie von der festen in die flüssige Phase übergehen können. Erst wenn sich alle Moleküle in der neuen Phase befinden, wird die Energiezufuhr (Wärme) wieder genutzt, um die Temperatur des Systems zu verändern. Biene Kondensation diese Wärmemenge wird wieder abgegeben. Biene schmelzen und Erstarrung gilt eine ähnliche Geschichte, in der die Schmelzwärme spielt eine Rolle.

Siehe auch

• Thermodynamik
• Verbrennung
• Wärmepumpe

Externer Link

• (und) Beretta, G. P., EP Gyftopoulos, (1990). was ist wärme?. Ausbildung in Thermodynamik und Energiesystemen AES 20 (American Society of Mechanical Engineers: New York).