Grundlagen der Wärme und Temperatur: Molekulartheorie und Thermodynamik

Wärme und Temperatur: Physikalische Grundlagen

Materie und Aggregatzustände

Ein Körper ist ein begrenzter Teil der Materie. Materie besteht aus Molekülen, deren Bewegung je nach Aggregatzustand variiert:

• In Festkörpern bewegen sich die Moleküle um einen festen Punkt.
• In Flüssigkeiten sind die Moleküle frei beweglich.
• In Gasen bewegen sich die Moleküle zufällig und mit hoher Geschwindigkeit.

Die Molekulartheorie und Innere Energie

Die Molekulare Theorie erklärt die Bewegung der Moleküle. Je schneller sich die Moleküle bewegen, desto höher ist ihre kinetische Energie. Diese gesamte kinetische Energie der Moleküle eines Körpers nennen wir die Innere Energie des Körpers. Die Temperatur ist die Messgröße, die die Innere Energie eines Körpers angibt.

Definition von Wärme

Wärme ist eine Form der Energieübertragung, die von einem Körper höherer Temperatur zu einem Körper niedrigerer Temperatur fließt. Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, und tritt in verschiedenen Formen auf (z. B. Solarenergie, elektrische Energie, chemische Energie).

Hauptsätze der Thermodynamik

1. Hauptsatz der Thermodynamik: Energie kann weder verloren gehen noch erzeugt werden; sie wird lediglich umgewandelt.

2. Hauptsatz der Thermodynamik: Wärme wird immer von einem Körper höherer Temperatur zu einem Körper niedrigerer Temperatur übertragen.

Thermisches Gleichgewicht

Der Prozess der Wärmeübertragung stoppt, wenn beide Körper die gleiche Temperatur erreicht haben. Dieser Zustand wird als Thermisches Gleichgewicht bezeichnet.

Das Thermometer und Temperaturskalen

Ein Thermometer besteht typischerweise aus einem dünnen Glasrohr und Quecksilber in einem Kolben. Beim Erhitzen dehnt sich die Flüssigkeit im Inneren aus und zeigt die Temperatur des Objekts an, mit dem es in Kontakt steht. Beim Abkühlen zieht sich die Flüssigkeit entsprechend der Temperatur zusammen.

Es gibt drei Hauptskalen zur Messung der Temperatur:

• Celsius
• Fahrenheit
• Kelvin (die absolute Skala)

Der Absolute Nullpunkt

Der Absolute Nullpunkt ist die niedrigste Temperatur, die theoretisch erreicht werden kann. Bei dieser Temperatur besitzen die Objekte keine weitere innere Energie, und die Moleküle bewegen sich nicht mehr. Die Kelvin-Skala wird als absolute Skala bezeichnet, da sie bei diesem Punkt (0 Kelvin) beginnt.

Formen der Wärmeübertragung

Wärmeleitung (Konduktion)

In Festkörpern breitet sich Wärme durch Wärmeleitung aus. Wenn beispielsweise eine Eisenstange erhitzt wird, bewegen sich die Moleküle am heißen Ende schneller und kollidieren mit den benachbarten Molekülen. Durch diese Stöße übertragen die angeregten Moleküle ihre kinetische Energie an die langsameren Moleküle.

Dieser Prozess ist nicht in allen Körpern gleich: Feste Stoffe, die Wärme sehr gut leiten (z. B. Metalle), werden als Wärmeleiter bezeichnet. Andere Stoffe, die Wärme schlecht leiten (z. B. Holz und Kunststoffe), werden als Isolatoren bezeichnet.

Konvektion

In Flüssigkeiten und Gasen wird Wärme durch Konvektion übertragen. Beim Erhitzen eines Wasserbehälters wird das Wasser, das dem Feuer am nächsten ist, zuerst erwärmt. Die Moleküle dehnen sich aus, werden leichter und steigen auf. Es entstehen kreisförmige Strömungen, wobei die Energie durch die Verschiebung der Materie transportiert wird.

Strahlung (Radiation)

Zwischen der Sonne und der Erde gibt es weder eine Flüssigkeit für die Konvektion noch einen Festkörper für die Leitung. Die Sonne strahlt Wärme als elektromagnetische Wellen ab, die sich auch im Vakuum ausbreiten können.

Thermische Ausdehnung (Dilatation)

Allgemeines zur Ausdehnung

Wenn ein Körper erwärmt wird, steigt seine Temperatur, und gleichzeitig nimmt sein Volumen zu – dies ist die thermische Ausdehnung. Das Ausmaß der Ausdehnung hängt vom Aggregatzustand und dem Material ab, aus dem der Körper besteht.

Lineare Ausdehnung von Festkörpern

Wenn ein fester Körper Wärme ausgesetzt wird und die Längenausdehnung die anderen beiden Dimensionen überragt, spricht man von linearer Ausdehnung. Diese hängt von der Art des Stoffes ab.

Flächenausdehnung

Bei glatten, plattenförmigen Körpern, bei denen Länge und Breite im Verhältnis zur Dicke überwiegen, wird die Zunahme der Fläche durch einen Temperaturanstieg betrachtet. Dies richtet sich nach dem Flächenausdehnungskoeffizienten.

Kubische (Volumen-) Ausdehnung

Bei Festkörpern, bei denen keine der drei Dimensionen vorherrscht, nimmt beim Erhitzen das Volumen zu. Dies hängt vom kubischen Ausdehnungskoeffizienten ab.

Ausdehnung von Flüssigkeiten und Gasen

Flüssigkeiten: Beim Erhitzen nimmt das Volumen der Flüssigkeit zu.

Gase: Die kubische Ausdehnung eines Gases führt dazu, dass das Volumen proportional zum Temperaturanstieg zunimmt, wenn es sich frei ausdehnen kann. Befindet sich das Gas in einem geschlossenen Behälter, kann das Volumen nicht zunehmen, was zu einer Druckerhöhung führt.

Anwendung: Bimetall-Thermostate

Die Bildung von Rissen in Decken wird oft durch die Bewegung des Baumaterials verursacht, das sich infolge von Temperaturschwankungen zusammenzieht und ausdehnt (z. B. bei Eisenblechen).

Thermostate sind Geräte, die die Temperatur eines Mediums konstant halten. Eine sehr nützliche Anwendung der Ausdehnung ist das Bimetall-Thermostat. Es besteht aus zwei Blechen unterschiedlicher Materialien. Beim Erhitzen dehnen sich die beiden Metalle aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ungleichmäßig aus. Dies führt zur Krümmung des Bimetallstreifens, wodurch der Stromkreis unterbrochen wird. Beim Abkühlen kehrt der Bimetallstreifen in seine gerade Form zurück und schließt den Stromkreis wieder.