Wärme, Temperatur und spezifische Wärmekapazität
Du unterscheidest Temperatur und Wärme, berechnest mit Q = c · m · ΔT, wie viel Energie zum Erwärmen nötig ist, und lernst die Arten der Wärmeübertragung kennen.
Erklärung
Temperatur und Wärme
- Die Temperatur gibt an, wie schnell sich die Teilchen eines Körpers im Mittel bewegen. Einheiten: Grad Celsius (°C) und Kelvin (K). Es gilt T in K = ϑ in °C + 273,15. Temperaturdifferenzen sind in °C und K gleich groß.
- Die Wärme (genauer: übertragene thermische Energie) Q ist Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds von einem Körper auf einen anderen übergeht. Einheit: Joule.
Ein Liter kochendes Wasser und ein Fingerhut voll kochendes Wasser haben dieselbe Temperatur, aber der Liter enthält viel mehr thermische Energie.
Spezifische Wärmekapazität
Wie viel Energie man zum Erwärmen braucht, hängt von der Masse, der Temperaturänderung und dem Stoff ab:
Q = c · m · ΔT
c ist die spezifische Wärmekapazität: die Energie, die man braucht, um 1 kg eines Stoffes um 1 K zu erwärmen.
| Stoff | c in kJ/(kg · K) |
|---|---|
| Wasser | 4,19 |
| Luft | 1,0 |
| Aluminium | 0,90 |
| Eisen | 0,45 |
| Kupfer | 0,38 |
Wasser hat eine besonders große Wärmekapazität. Deshalb speichern Meere viel Wärme und mildern das Klima an den Küsten, und deshalb eignet sich Wasser gut für Heizungen und Wärmflaschen.
Wärmeübertragung
- Wärmeleitung: Energie wird in einem Stoff von Teilchen zu Teilchen weitergegeben (Löffel im heißen Tee). Metalle leiten gut, Luft und Styropor schlecht.
- Wärmeströmung (Konvektion): Erwärmte Flüssigkeit oder Luft steigt auf und trägt Energie mit (Heizkörper, Meeresströmungen).
- Wärmestrahlung: Energie wird durch Strahlung übertragen, auch durch den leeren Raum (Sonne, Lagerfeuer).
Mischen
Mischt man warmes und kaltes Wasser, gibt das warme Wasser so viel Energie ab, wie das kalte aufnimmt (ohne Verluste). Daraus lässt sich die Mischtemperatur berechnen: ϑ_m = (m₁ϑ₁ + m₂ϑ₂) : (m₁ + m₂) für gleiche Stoffe.
Das musst du dir merken
Temperatur misst die mittlere Teilchenbewegung, Wärme ist übertragene Energie. Q = c · m · ΔT, für Wasser c = 4,19 kJ/(kg · K). Wärme wird durch Leitung, Strömung und Strahlung übertragen.
So sieht es in der Praxis aus
Beispiel 1
- ΔT = 100 °C − 20 °C = 80 K
- Q = 4,19 kJ/(kg · K) · 1,5 kg · 80 K
Ergebnis Q = 502,8 kJ
Beispiel 2
- t = Q : P = 502 800 J : 2 000 W
Ergebnis t ≈ 251 s, also gut 4 Minuten
Übungen
Wie viel Energie braucht man, um 2 kg Eisen um 50 K zu erwärmen?
Lösung anzeigen
Q = 0,45 · 2 · 50 = 45 kJ
Rechne 25 °C in Kelvin um.
Lösung anzeigen
298,15 K
1 kg Wasser mit 80 °C wird mit 1 kg Wasser mit 20 °C gemischt. Mischtemperatur?
Lösung anzeigen
(80 + 20) : 2 = 50 °C
Welche Art der Wärmeübertragung wärmt dich in der Sonne?
Lösung anzeigen
Wärmestrahlung.
Darauf solltest du achten
Temperatur und Wärme werden gleichgesetzt.
Temperatur ist ein Zustand, Wärme ist übertragene Energie in Joule.
Für ΔT wird die Endtemperatur eingesetzt: Q = 4,19 · 1,5 · 100.
ΔT ist die Temperaturänderung: 80 K.
Hinweis zur Klassenstufe
In welcher Klasse genau dieses Thema drankommt, unterscheidet sich zwischen den Ländern. Klasse 9 ist der häufigste Zeitpunkt.