Wärme und Temperatur sind zwei verschiedene Konzepte in der Thermodynamik, die jedoch eng miteinander verbunden sind.
Die Temperatur ist ein Maß für die molekulare Bewegung eines Objekts, während Wärme eine Energieform ist, die zwischen zwei Körpern mit unterschiedlichen Temperaturen übertragen wird. Somit ist die Temperatur eine intensive Größe, die nur vom thermodynamischen Zustand eines Objekts abhängt, während Wärme eine umfangreiche Größe ist, die von der Materiemenge und der Temperaturschwankung abhängt.
Mit anderen Worten: Die Temperatur misst die durchschnittliche thermische Bewegung der Moleküle eines Objekts, während Wärme die Energiemenge misst, die zwischen zwei Objekten mit unterschiedlichen Temperaturen übertragen wird.
Temperatur ist eine physikalische Größe, die die molekulare Bewegung eines Körpers oder Systems misst.
Diese thermische Bewegung entspricht der zufälligen Bewegung von Molekülen, die direkt mit der Temperatur des Körpers oder des Systems zusammenhängt. Vereinfacht ausgedrückt kann diese Größe mit einem Thermometer in Grad Celsius (°C) oder in Kelvin (K) gemessen werden.
Die Gleichung für die thermische Rührtemperatur eines Körpers entspricht der mittleren kinetischen Energie der Partikel.
E = ½m v² wobei E die durchschnittliche kinetische Energie eines Teilchens, m seine Masse und v seine durchschnittliche Geschwindigkeit ist.
Gemäß der kinetischen Gastheorie zeigt die folgende Gleichung, dass die Geschwindigkeit der Teilchen in einem Gas mit der Temperatur zunimmt.
v = sqrt((3 * k * T) / m) wobei T die Temperatur des Gases, k die Boltzmann-Konstante (1,38 x 10^-23 Joule pro Kelvin) und m die Masse des Teilchens ist.
Die folgende Gleichung zeigt, dass die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen in einem Gas proportional zur absoluten Temperatur T ist. Somit steht die Temperatur des thermischen Rührens in direktem Zusammenhang mit der Systemtemperatur.
E = (3/2) * k * T wobei E die kinetische Energie, T die Gastemperatur und k die Boltzmann-Konstante ist.
Wärme ist eine Energieform, die aufgrund eines Temperaturunterschieds von einem System auf ein anderes übertragen wird.
Wärme wird in Joule (J) oder Kalorien (cal) gemessen, eine Kalorie entspricht etwa 4,184 Joule. Die Übertragung erfolgt entweder durch Leitung (direkter Kontakt), Konvektion (Kontakt durch die Bewegung einer Flüssigkeit) oder durch Strahlung (Wärmeübertragung in Form elektromagnetischer Wellen).
Für die Wärmeübertragung durch Leitung, beispielsweise durch eine flache Platte der Dicke L, gibt das Fouriersche Gesetz die Wärmemenge Q an, die pro Zeiteinheit durch die Platte übertragen wird:
Q = -k * A * (dT/dx) wobei k die Wärmeleitfähigkeit der Platte ist, A ihre Oberfläche ist, dT/dx der Temperaturgradient entlang der Platte ist und das Minuszeichen angibt, dass Wärme vom heißen Bereich in den kalten Bereich übertragen wird.
Für die Wärmeübertragung durch Konvektion zwischen zwei Flüssigkeiten gibt die lokale Wärmeübertragungsgleichung von Newton die Wärmemenge Q an, die pro Zeit- und Flächeneinheit übertragen wird:
Q = h * A * (T1 - T2) wobei h der Wärmeübertragungskoeffizient ist, A die Kontaktfläche zwischen den Flüssigkeiten ist, T1 und T2 die Temperaturen der beiden Flüssigkeiten sind und das Minuszeichen weggelassen wird, da Wärme von T1 (wärmere Flüssigkeit) auf T2 (kühlere Flüssigkeit) übertragen wird.
Für die Wärmeübertragung durch Strahlung zwischen zwei Körpern gibt das Stefan-Boltzmann-Gesetz die Wärmemenge Q an, die pro Flächeneinheit eines schwarzen Körpers bei der Temperatur T1 abgegeben und pro Flächeneinheit eines anderen schwarzen Körpers bei der Temperatur T2 aufgenommen wird:
Q = σ * A * (T1^4 - T2^4) wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante (σ = 5,670 374 419 x 10^-8 W m^-2 K^-4) und A die Oberfläche der beiden Körper ist.
Dieses Gesetz geht davon aus, dass Körper perfekte schwarze Körper sind, das heißt, dass sie die gesamte Strahlung, die sie erreicht, absorbieren und dass sie Strahlung aussenden, die dem Planckschen Gesetz folgt, das das Emissionsspektrum der von einem heißen Körper emittierten elektromagnetischen Strahlung beschreibt.
Hinweis:
Diese Gleichungen sind in der Praxis nicht immer anwendbar, da die Wärmeübertragungsbedingungen komplex sein können und häufig von vielen Parametern abhängen, wie z. B. der Körpergeometrie, den thermischen Eigenschaften von Materialien, der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit usw.
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