Die Postulate der Wärmeübertragung und Temperaturdefinitionen
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Grundlagen der Temperatur
Die Temperatur ist eine physikalische Größe, deren Wert ein Index für den Grad der molekularen kinetischen Energie ist.
- Basierend auf zwei festen Punkten
- Wärmeeinheit
- Absolute Temperaturskala (°K)
Erstes Postulat: Temperatur als Skalarfeld
Die Temperatur ist eine skalare Größe, die an jedem Punkt in Abhängigkeit von ihren Positionskoordinaten und der Zeit definiert ist.
Der thermische Gradient
Im stationären Bereich können wir den Verlauf der Temperatur T an jedem Punkt definieren. Ein Vektor wird nach folgender Formel berechnet:
Dieser Vektor gibt uns den thermischen Gradienten an jedem Punkt des Feldes.
Das erste Postulat besagt: „Wärme ist eine Form des Energieaustauschs, der möglich ist, wenn ein thermischer Gradient vorhanden ist.“
Wärme ist keine stoffliche Größe, sondern eine Form des Energieaustauschs zwischen Punkten, deren Temperaturgradient nicht null ist. Wir können sagen, dass Wärme weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt wird.
Zweites Postulat: Wärmeaustausch und spezifische Wärme
Wenn ein Stoff Wärme mit unterschiedlichen Temperaturen austauscht, benötigen zwei verschiedene Substanzen, die die gleiche Wärmemenge aufnehmen, nicht unbedingt die gleiche Temperaturänderung.
Das zweite Postulat besagt: „Im Temperaturbereich bleibt die spezifische Wärme konstant.“
Definitionen
Wärmekapazität
Die Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die einem Stoff zugeführt werden muss, um seine Temperatur um ein Grad zu erhöhen (abhängig von der Masse).
Spezifische Wärme
Die spezifische Wärme ist die Wärmemenge, die einem Gramm eines Stoffes zugeführt werden muss, um seine Temperatur um einen bestimmten Betrag zu erhöhen.
Kalorie
Eine Kalorie ist die Wärmemenge, die einem Gramm Wasser zugeführt werden muss, um seine Temperatur im Bereich von 14,5 bis 15,5 °C bei einem Druck von 760 mm Hg um ein Grad zu erhöhen.
Für Feststoffe in Temperaturbereichen um Raumtemperatur kann davon ausgegangen werden, dass ihre spezifische Wärme konstant ist.
Drittes Postulat: Wärmestrom und Leitfähigkeit
Wenn ein thermischer Gradient existiert, d.h. wenn der Temperaturgradient nicht null ist, wird Wärme ausgetauscht.
Das dritte Postulat besagt: „Die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch einen Bereich fließt, ist proportional zum Temperaturgradienten.“
Der Koeffizient der Proportionalität wird als thermische Leitfähigkeit bezeichnet. Der Temperaturgradientenvektor zeigt sinnvollerweise in Richtung zunehmender Temperaturwerte. Wärmeströme bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung (in Richtung niedrigerer Temperaturwerte).