Wärme und Temperatur: Was ist der Unterschied?

Unterschied zwischen Wärme und Temperatur — Wie sich Wärme in einem System ausbreitet: Die drei Arten der Wärmeübertragung von einem auf einem Gasfeuer erhitzten Topf. Die Wärmeleitung zeigt sich bei der Übertragung von Wärme durch das Metall des Topfes, die Konvektion ist an den kreisförmigen Bewegungen des siedenden Wassers erkennbar, und die Wärmestrahlung wird durch die von den heißen Wänden des Gefäßes an die Umgebung abgegebene Wärme dargestellt.
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Wissenschaftliche Zusammenfassung

Der Artikel klärt die grundlegende Unterscheidung zwischen Wärme und Temperatur in der Thermodynamik. Die Temperatur ist eine intensive Größe, die die durchschnittliche Molekularbewegung misst und proportional zur durchschnittlichen kinetischen Energie der Teilchen ist (E = 3/2 kT). Die Wärme ist eine extensive Energie, die zwischen Systemen unterschiedlicher Temperatur übertragen wird und in Joule oder Kalorien gemessen wird. Drei Übertragungsarten werden beschrieben: Wärmeleitung (Fouriersches Gesetz: Q = -k A dT/dx), Konvektion (Newtonsches Gesetz: Q = h A (T₁-T₂)) und Strahlung (Stefan-Boltzmann-Gesetz: Q = σ A (T₁⁴-T₂⁴)).

Was ist der Unterschied zwischen Wärme und Temperatur?

Die Temperatur misst die durchschnittliche Bewegung der Moleküle eines Objekts: Je stärker sie sich bewegen, desto höher ist die Temperatur. Sie ist eine intensive Eigenschaft, die nicht von der Menge der Materie abhängt. Die Wärme ist eine Energie im Transfer zwischen zwei Objekten unterschiedlicher Temperatur, die sich immer vom wärmeren zum kälteren bewegt. Sie ist eine extensive Eigenschaft, die von der Menge der Materie abhängt. Ein gutes Beispiel: Eine Tasse heißen Kaffees hat eine hohe Temperatur, aber es ist ihre Wärme (die auf Ihre Hand übertragene Energie), die Sie erwärmt.

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Unterschiede zwischen Wärme und Temperatur

Wärme und Temperatur sind zwei verschiedene Konzepte in der Thermodynamik, aber eng miteinander verbunden.

Temperatur: Maß der Molekularbewegung

Die Temperatur ist ein Maß für die Molekularbewegung eines Objekts, während die Wärme eine Form von Energie 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 die Wärme eine extensive Größe ist, die von der Menge der Materie und der Temperaturänderung abhängt.

Durchschnittliche thermische Bewegung vs. übertragene Energie

Mit anderen Worten: Die Temperatur misst die durchschnittliche thermische Bewegung der Moleküle eines Objekts, während die Wärme die Menge an Energie misst, die zwischen zwei Objekten mit unterschiedlichen Temperaturen übertragen wird.

Was ist die Temperatur?

Die Temperatur ist eine physikalische Größe, die die Molekularbewegung eines Körpers oder eines Systems misst.
Diese thermische Bewegung entspricht der zufälligen Bewegung der Moleküle, die direkt mit der Temperatur des Körpers oder des Systems zusammenhängt. Einfacher ausgedrückt kann diese Größe in Grad Celsius (°C) oder in Kelvin (K) mit einem Thermometer gemessen werden.

Durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen

Die Gleichung für die Temperatur der thermischen Bewegung eines Körpers entspricht der durchschnittlichen kinetischen Energie der Teilchen.
E = ½m v² wobei E die durchschnittliche kinetische Energie eines Teilchens, m seine Masse und v seine durchschnittliche Geschwindigkeit ist.

Teilchengeschwindigkeit und Temperatur

Nach 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.

Proportionalität zwischen kinetischer Energie und Temperatur

Die folgende Gleichung zeigt, dass die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen eines Gases proportional zur absoluten Temperatur T ist. Somit steht die Temperatur der thermischen Bewegung direkt mit der Temperatur des Systems in Zusammenhang.
E = (3/2) * k * T wobei E die kinetische Energie, T die Temperatur des Gases und k die Boltzmann-Konstante ist.

Was ist die Wärme?

Die Wärme ist eine Form von Energie, die aufgrund einer Temperaturdifferenz von einem System auf ein anderes übertragen wird.
Die Wärme wird in Joule (J) oder in Kalorien (cal) gemessen, eine Kalorie entspricht etwa 4,184 Joule. Sie wird entweder durch Wärmeleitung (direkter Kontakt), Konvektion (Kontakt durch die Bewegung eines Fluids) oder Strahlung (Wärmeübertragung in Form elektromagnetischer Wellen) übertragen.

Übertragung durch Wärmeleitung: Fouriersches Gesetz

Für die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, beispielsweise durch eine ebene 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, A ihre Oberfläche, dT/dx der Temperaturgradient entlang der Platte ist und das Minuszeichen anzeigt, dass die Wärme vom heißen zum kalten Bereich übertragen wird.

Übertragung durch Konvektion: Newtonsches Gesetz

Für die Wärmeübertragung durch Konvektion zwischen zwei Fluiden gibt die Newtonsche Gleichung für die lokale Wärmeübertragung die Wärmemenge Q an, die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit übertragen wird:
Q = h * A * (T1 - T2) wobei h der Wärmeübertragungskoeffizient, A die Kontaktfläche zwischen den Fluiden, T1 und T2 die Temperaturen der beiden Fluide sind und das Minuszeichen weggelassen wird, da die Wärme von T1 (heißeres Fluid) zu T2 (kälteres Fluid) übertragen wird.

Übertragung durch Strahlung: Stefan-Boltzmann-Gesetz

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 emittiert und pro Flächeneinheit eines anderen schwarzen Körpers bei der Temperatur T2 empfangen 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 setzt voraus, dass die Körper perfekte schwarze Körper sind, d. h., dass sie alle Strahlungen absorbieren, die sie erreichen, und dass sie eine Strahlung emittieren, die dem Planckschen Gesetz folgt, das das Emissionsspektrum der von einem heißen Körper emittierten elektromagnetischen Strahlung beschreibt.

Anm.:
Diese Gleichungen sind in der Praxis nicht immer anwendbar, da die Bedingungen der Wärmeübertragung komplex sein können und oft von zahlreichen Parametern abhängen, wie der Geometrie der Körper, den thermischen Eigenschaften der Materialien, der Strömungsgeschwindigkeit der Fluide usw.

Referenzen

FAQ: Alles Wissenswerte über Wärme und Temperatur

Sind Wärme und Temperatur dasselbe?

Nein, es sind grundlegend unterschiedliche Konzepte. Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche Molekularbewegung, eine intensive Eigenschaft (hängt nicht von der Größe der Probe ab). Die Wärme ist eine Energie im Transfer zwischen zwei Systemen aufgrund ihrer Temperaturdifferenz, eine extensive Eigenschaft (hängt von der Menge der Materie ab). Man kann eine hohe Temperatur mit wenig Wärme haben (ein Funke) und eine niedrige Temperatur mit viel Wärme (ein Ozean).

Was sind die Maßeinheiten für Wärme und Temperatur?

Die Temperatur wird in Kelvin (K) (SI-Einheit) oder in Grad Celsius (°C) gemessen. Die Wärme (Energie) wird in Joule (J) (SI-Einheit) oder in Kalorien (cal) (1 cal ≈ 4,184 J) gemessen. Das Kelvin ist die Basiseinheit der Thermodynamik, während das Joule die Standardeinheit der Energie ist.

Wie wird Wärme zwischen zwei Objekten übertragen?

Wärme breitet sich auf drei Hauptarten aus: 1. Wärmeleitung: durch direkten Kontakt, wie ein Löffel, der in einer Suppe heiß wird (Fouriersches Gesetz). 2. Konvektion: durch die Bewegungen eines Fluids (Flüssigkeit oder Gas), wie aufsteigende heiße Luft. 3. Strahlung: durch elektromagnetische Wellen, wie die Wärme der Sonne (Stefan-Boltzmann-Gesetz).