Wärmelehre: Temperatur, Wärme und Energie verstehen

Eine kalte Hand wird an einer warmen Tasse wärmer. Energie gelangt von der Tasse zur Hand. Diese Übertragung heißt Wärme. Temperatur sagt dagegen, wie warm die Tasse oder die Hand gerade ist.

Die innere Energie ist die Energie der Teilchen in einem Körper. Eine große Portion lauwarmen Wassers kann mehr davon besitzen als eine kleine Tasse heißes Wasser. Die Temperatur allein verrät also nicht die gesamte Energie.

Die Haut misst Temperatur ungenau: Metall fühlt sich oft kälter an als Holz mit derselben Temperatur. Es leitet Energie schneller von der Hand weg. Ein Thermometer ist dafür besser. Bei normalem Luftdruck gefriert reines Wasser ungefähr bei 0 °C und siedet bei 100 °C. Eine andere Temperaturskala heißt Kelvin. Auf ihr entsprechen 0 °C genau 273,15 K.

Viele Stoffe dehnen sich beim Erwärmen aus. Zwei fest verbundene Metalle können sich unterschiedlich ausdehnen. So biegt sich ein Bimetallstreifen und kann einen Schalter betätigen.

Gleich große Portionen verschiedener Stoffe brauchen oft unterschiedlich viel Energie für dieselbe Erwärmung. Wasser braucht zum Beispiel recht viel. Wie viel Energie nötig ist, hängt vom Stoff, von der Menge und vom Temperaturanstieg ab.

Für 1 kg Wasser nehmen wir näherungsweise 4,18 kJ für jeden Grad Erwärmung an. Die Angabe gilt hier, solange das Wasser flüssig bleibt. Zwei Kilogramm brauchen pro Grad ungefähr doppelt so viel wie ein Kilogramm. Steigt die Temperatur um mehrere Grad, brauchst du diesen Energiebetrag für jeden Grad erneut. Die Angabe ist ein Näherungswert; er kann sich mit der Temperatur etwas ändern.

Im Teilchenbild liegen Teilchen in einem Feststoff dicht an festen Plätzen. In einer Flüssigkeit können sie aneinander vorbeigleiten. In einem Gas sind ihre Abstände größer. Beim Verdampfen werden die Teilchen selbst nicht größer.

Bei einem Zustandswechsel wird Energie aufgenommen oder abgegeben. Bei einem reinen Stoff und gleichbleibendem Druck kann die Temperatur beim Schmelzen oder Sieden gleich bleiben. Die Energie ändert dann den Zustand. Ein Gemisch schmilzt oft über einen Temperaturbereich.

Wärme gelangt auf verschiedenen Wegen weiter. Bei Wärmeleitung wandert Energie durch einen Stoff, etwa durch einen Metalllöffel im Tee. Bei Konvektion trägt strömendes Wasser oder strömende Luft Energie mit. An einer Heizung steigt warme Luft gegenüber kühlerer Luft auf. Bei Wärmestrahlung kann Energie auch durch den fast leeren Weltraum gelangen. So erreicht Sonnenenergie die Erde.

Energie verschwindet nicht. Wärme von einer heißen Tasse gelangt in die kühlere Umgebung. Die Tasse kühlt ab, während die Umgebung ein wenig wärmer wird. Von allein geht Wärme vom wärmeren zum kälteren Körper.

Beim Aufpumpen eines Fahrradreifens verrichtest du Arbeit an der Luft. Die Luft kann dabei wärmer werden. Auch ein Kühlschrank braucht elektrische Energie. Er transportiert Wärme aus seinem kühlen Inneren nach außen in die wärmere Küche.