Grundlagen der Wärme, Temperatur und Aggregatzustände

Wärme und Temperatur

Wärmeenergie ist die Manifestation der kinetischen Energie von Teilchen, Atomen und Molekülen, die in der betreffenden Materie enthalten sind.

Sie wird von heißen Körpern auf kalte übertragen, bis ein Zustand des thermischen Gleichgewichts erreicht ist. Diese übertragene Energie ist die Wärme.

Die Temperatur ist ein Maß für den Wärmegrad von Stoffen. Sie wird gemessen in: °C (Grad Celsius), K (Kelvin) oder °F (Grad Fahrenheit).

Spezifische Wärme und Wärmekapazität

Die Wärme wird durch eine Größe namens spezifische Wärme (C_e) gemessen. Sie ist definiert als die Wärme, die benötigt wird, um 1 g einer Substanz um 1 Grad Temperatur zu erhöhen. Als Einheit für Arbeit und Energie wurde das Joule definiert (1 Kalorie = 4,18 Joule).

Die Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die ein Körper aufnehmen oder abgeben kann. Die Formel lautet: Q = m · C_e · (T_f - T_i).

Formeln für latente Wärme

Die Formel zur Berechnung der Wärmemenge (Q), die zum Schmelzen einer bestimmten Menge Eis benötigt wird, lautet: Q = m · L_f (L_f = spezifische Schmelzwärme).

Die Formel zur Berechnung der Wärmemenge (Q), die zum Verdampfen einer bestimmten Menge Wasser benötigt wird, lautet: Q = m · L_v (L_v = spezifische Verdampfungswärme).

Wärmeübertragung

1. Leitung (Konduktion)

Typisch für Festkörper. Die Wärme wird von einem Teilchen auf die es umgebenden Teilchen übertragen, von diesen zu den nächsten und so weiter.

• Gute Leiter: Metalle wie Eisen, Kupfer usw.
• Schlechte Leiter: Nichtmetalle wie Holz, Glas usw.

2. Konvektion

Typisch für Fluide (Flüssigkeiten und Gase). Die erwärmte Masse wird weniger dicht und steigt auf. Die entstehenden Lücken werden durch kältere, absinkende Massen gefüllt. Dies führt zu Konvektionsströmungen (z. B. vertikale Winde, Meeresströmungen).

3. Strahlung

Tritt auf, wenn keine materiellen Medien zur Übertragung erforderlich sind. Die Wärme wird durch elektromagnetische Wellen übertragen. Die Absorption dieser Wärmeübertragung hängt von der Farbe des Materials ab: Je dunkler das Material, desto mehr Wärme wird absorbiert. Beispiel: Im Winter wird dunkle Kleidung getragen, im Sommer helle Kleidung.

Auswirkungen der Wärme

Ausdehnung (Dilatation)

Jeder Körper, dem Wärme zugeführt wird, nimmt an Volumen zu. Dieses Phänomen wird als Ausdehnung bezeichnet.

Scheinbare und Reale Ausdehnung von Flüssigkeiten

Wenn eine Flüssigkeit in einem Behälter erwärmt wird, muss man zwei Arten der Ausdehnung unterscheiden:

• Ausdehnung des Behälters: Tritt zuerst auf und äußert sich in einer scheinbaren Volumenabnahme der Flüssigkeit, da sich das Volumen des Behälters vergrößert.
• Ausdehnung der Flüssigkeit (Scheinbare Dilatation): Tritt fast augenblicklich ein und äußert sich in einer Zunahme des Flüssigkeitsvolumens im Behälter.

Die reale Volumenzunahme der Flüssigkeit ist die Summe aus der Ausdehnung des Behälters und der scheinbaren Ausdehnung der Flüssigkeit.

Aggregatzustände und Zustandsänderungen

Die Aggregatzustände sind: Fest, flüssig und gasförmig.

Beschreibung der Aggregatzustände

• Der feste Zustand: Die Teilchen sind sehr eng beieinander, und die Bindungskräfte sind sehr wirksam.
• Der flüssige Zustand: Die Teilchen sind weiter voneinander entfernt, bewegen sich schneller, und die Bindungskräfte haben weniger Einfluss.
• Der gasförmige Zustand: Gekennzeichnet durch den großen Abstand zwischen den Teilchen aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit. Die Bindungskräfte haben nur minimalen Einfluss.

Durch Wärmezufuhr kann ein Material seinen Zustand ändern (von einem Aggregatzustand in einen anderen). Während dieses Prozesses der Zustandsänderung steigt die Temperatur des Körpers jedoch nicht an, obwohl weiterhin Wärme zugeführt wird.

Progressive Zustandsänderungen (durch Wärmezufuhr)

1. Schmelzen (Fusion)

   Der Übergang von fest zu flüssig. Es gibt zwei Arten:

   • Kristallines Schmelzen (Franca): Erfolgt direkt vom festen in den flüssigen Zustand ohne Zwischenzustände (z. B. Wasser).
   • Amorphes Schmelzen (Pastös): Wenn Zwischenzustände beim Schmelzen auftreten (z. B. Butter, Wachs).

2. Verdampfen

   Der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Es gibt zwei Formen:

   • Verdunstung: Tritt langsam an der freien Oberfläche der Flüssigkeit auf (z. B. Wasser verdunstet aus Salzlösungen).
   • Sieden (Kochen): Tritt stürmisch im gesamten Volumen der Flüssigkeit auf (z. B. kochendes Wasser).

3. Sublimation (Progressiv/Direkt)

   Der direkte Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand (z. B. Jodkristalle).

Regressive Zustandsänderungen (durch Wärmeabgabe)

• Erstarren (Solidifikation): Der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand.
• Kondensation (Verflüssigung): Der Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand.
• Resublimation (Regressive Sublimation): Der direkte Übergang von Gas zu fest (z. B. Kampfer, Naphthalin).