Wärme und Temperatur: Zwei thermische Konzepte, die zu oft verwechselt werden

Zwei grundlegende, aber unterschiedliche Vorstellungen

In der Physik sind Wärme und Temperatur zwei verwandte, aber grundlegend unterschiedliche Konzepte.

• DortTemperaturmisst den thermischen Zustand eines Systems: mit anderen Worten die durchschnittliche Bewegung der Partikel, aus denen es besteht.
• DortHitzeentspricht einer Übertragung thermischer Energie zwischen zwei wechselwirkenden Körpern oder Systemen, es ist einEnergie im Transit.

Temperatur: eine intensive Größe

Temperatur ist ein physikalisches Maß, das angibt, wie heiß oder kalt ein Gegenstand, eine Substanz oder die Umgebung ist. Sie steht in direktem Zusammenhang mit der durchschnittlichen kinetischen Energie der mikroskopisch kleinen Teilchen (Atome oder Moleküle), aus denen die Materie besteht: Je schneller sich die Teilchen bewegen, desto höher ist die Temperatur.

Die Temperatur ist eine intensive Größe: Sie hängt nicht von der Größe des Systems (Masse, Volumen, Stoffmenge) ab, sie bleibt konstant, wenn das System in mehrere gleiche Teile zerlegt wird. Sie wird im Internationalen System in Kelvin (K) ausgedrückt.

Beispielsweise ist in einem idealen Gas die durchschnittliche kinetische Energie eines Moleküls proportional zu \(\frac{3}{2}kT\), wobei \(k\) die Boltzmann-Konstante und \(T\) die Temperatur ist. Für eine Umgebungstemperatur von \(T = 300\,\text{K}\) beträgt diese Energie: \[ \frac{3}{2}kT = \frac{3}{2} \times 1{,}38 \times 10^{-23}\,\text{J·K}^{-1} \times 300\,\text{K} \ungefähr 6{,}21 \times 10^{-21}\,\text{J} \] Dies ist im makroskopischen Maßstab eine extrem niedrige Energie, die jedoch ausreicht, um die ständige Bewegung von Molekülen bei Raumtemperatur zu erklären.

Thermodynamische Skalen: Celsius, Fahrenheit und Kelvin

• Celsius (°C): 0°C: Gefrierpunkt von Wasser. 100°C: Siedepunkt von Wasser (bei normalem Atmosphärendruck).
• Fahrenheit (°F): 32°F: Gefrierpunkt von Wasser. 212°F: Siedepunkt von Wasser.
• Kelvin (K): 0 K: absoluter Nullpunkt (–273,15 °C), die niedrigste mögliche Temperatur, bei der die thermische Bewegung der Partikel aufhört.

Wärme: Übertragung thermischer Energie

Wärme ist eine Energieform, die zwischen zwei thermodynamischen Systemen übertragen wird. Es bezeichnet keine intrinsische Eigenschaft eines Körpers, sondern eine durch einen Temperaturunterschied übertragene Energiemenge. Diese Übertragung kann durch Leitung, Konvektion oder Strahlung erfolgen und endet, wenn das thermische Gleichgewicht erreicht ist. Wärme ist daher eine Größe, die mit einer Wechselwirkung und nicht mit dem Zustand eines isolierten Systems verknüpft ist.

Wärme: eine Energieform in Bewegung

Im Gegensatz zur Temperatur ist Wärme eine umfangreiche Größe (sie hängt von Masse und Material ab). Sie wird in Joule (J) ausgedrückt und kann nur während eines Austauschs vorhanden sein. Es kann per übertragen werdenLeitung(direkte Kontakte),Konvektion(flüssige Bewegungen) bzwStrahlung(elektromagnetische Wellen).

Spezifische Wärme und Wärmekapazität

Spezifische Wärme gibt die Energiemenge an, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 kg Material um 1 Kelvin (oder 1 Grad Celsius) zu erhöhen. Bei der spezifischen Wärme ist der Unterschied zwischen Kelvin und Grad Celsius vernachlässigbar, da es sich um eine Temperaturschwankung und nicht um eine absolute Temperatur handelt.

Je höher die spezifische Wärme eines Materials ist, desto mehr Energie ist erforderlich, um eine bestimmte Masse dieses Materials zu erhitzen.

Referenz: Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press (2024).

Warum ist diese Realität nicht intuitiv?

• Bei gleicher Masse ist Wasserstoff schwieriger zu erhitzen als Gold (weil seine spezifische Wärme größer ist).
• Bei gleichem Volumen ist viel mehr Energie nötig, um Gold zu erhitzen (weil seine Masse viel größer ist).

Die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur eines Materials zu ändern, hängt von seiner Temperatur abspezifische Wärme\(\,c\,\) (in J·kg⁻¹·K⁻¹): \( Q = m\cdot c\cdot\Updelta T \) Dabei ist \(Q\) die empfangene Wärme, \(m\) die Masse des Körpers, \(c\) die spezifische Wärme und \(\Delta T\) die Temperaturschwankung.

Vergleichstabelle zwischen Wärme und Temperatur

Häufige Verwirrung im täglichen Leben

Wir sagen oft, dass ein Objekt „Wärme enthält“, während bei physikalischer Härte Wärme nicht enthalten ist: Sie wird zwischen Systemen ausgetauscht. Der thermische Zustand eines Körpers wird durch seine Temperatur charakterisiert, während die innere Energie von seiner Masse, seiner Temperatur und seiner Beschaffenheit abhängt. Beispielsweise kann ein Eimer mit lauwarmem Wasser eine größere innere Gesamtenergie haben als ein glühender Nagel, obwohl seine Temperatur viel niedriger ist.

Vergleichstabelle: Temperatur, Masse und übertragene Wärme