Grundlagen der Thermodynamik: Wärme, Temperatur und Ausdehnung

Grundlagen der Wärme und Thermodynamik

Wärme ist der Transfer von Energie von einem Teil zum anderen innerhalb eines Systems oder zwischen Systemen, die sich auf unterschiedlichen Temperaturen befinden. Wärmeenergie ist immer im Transit und fließt stets von heißeren zu kälteren Stellen.

Temperatur und Temperaturskalen

Temperatur

Die Temperatur ist die physikalische Größe, die uns angibt, wie warm oder kalt ein Objekt im Vergleich zu einer Referenz ist.

Wichtige Temperaturskalen

• Celsius: Die internationale Einheit, die am häufigsten für gewöhnliche Messungen verwendet wird.
• Fahrenheit: Die Temperatureinheit, vorgeschlagen von Gabriel Fahrenheit. Sie basiert auf der Festlegung von Null und Hundert Grad, wobei die Gefrier- und Verdampfungstemperaturen von Wasser und festem Ammoniumchlorid als Referenzpunkte dienten.
• Kelvin: Die Temperatureinheitsskala von William Thomson (Lord Kelvin), basierend auf dem Grad Celsius. Sie legt den absoluten Nullpunkt fest und behält die gleiche Dimension bei.

Einheiten der Wärmeenergie

• Kilokalorie (kcal)
• Joule (J)
• Kalorie (cal) (Anmerkung: Im Original als „Kalk“ fehlerhaft übersetzt)

Mechanismen der Wärmeübertragung

Die Wärme kann sich auf drei Arten ausbreiten:

• Wärmeleitung (Konduktion): Die Art der Wärmeausbreitung durch einen festen Körper, verursacht durch die Kollision zwischen seinen Molekülen.
• Konvektion: Gekennzeichnet durch eine Flüssigkeit oder ein Gas, das Wärme zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Temperaturen transportiert.
• Strahlung: Die Ausbreitung von Wärme durch elektromagnetische Wellen, die sich auch im Vakuum ausbreiten können.

Thermische Ausdehnung

Ausdehnung (Expansion)

Veränderung des Volumens, der Länge oder einer anderen metrischen Dimension, die ein physikalischer Körper aufgrund einer Temperaturänderung erfährt.

Längenausdehnung

Die Zunahme oder Abnahme der Länge, die ein Festkörper bei steigender Temperatur durchläuft.

Oberflächenausdehnung

Ausdehnung oder Kontraktion, die in zwei linearen Dimensionen stattfindet.

Kubische Ausdehnung (Volumenausdehnung)

Bezieht sich auf eine Veränderung in allen drei Dimensionen eines Körpers: Länge, Breite und Höhe. Die kubische Ausdehnung bedeutet eine Zunahme des Volumens.

Koeffizienten der thermischen Ausdehnung

• Linearer Ausdehnungskoeffizient: Die Längenzunahme, die ein Stab einer bestimmten Substanz mit einer Anfangslänge von einem Meter erfährt, wenn seine Temperatur um ein Grad Celsius steigt.
• Kubischer Ausdehnungskoeffizient: Die Volumenzunahme, die ein Körper einer bestimmten Substanz erfährt, wenn seine Temperatur um 1 °C erhöht wird.

Spezifische Wärme und Wärmeaustausch

Spezifische Wärme

Die spezifische Wärme ($c$) eines Stoffes ist gleich der Wärmekapazität ($C$) des Stoffes geteilt durch seine Masse ($m$).

Wärmeaustausch (Energieerhaltung)

Bei jedem Wärmeaustausch wird Wärme freigesetzt und absorbiert. Nach dem Prinzip der Energieerhaltung gilt:

Verlorene Wärme = Gewonnene Wärme (oder: Absorbierte Wärme = Abgegebene Wärme)