Thermodynamik Grundlagen: Temperatur, Wärme & Kalorimetrie

Kinetische Molekulartheorie: Grundlagen

Die Kinetische Molekulartheorie besagt, dass die Temperatur eines Systems ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie seiner Moleküle ist. Sie ist eine intensive Variable, eine grundlegende, messbare und nicht-additive Größe, die nicht von der Masse des Systems abhängt.

Wenn zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt gebracht werden, findet ein Wärmeaustausch statt. Dabei verändert sich ihre innere Energie, bis sie ein thermisches Gleichgewicht erreichen.

Temperaturmessung und Thermometer

Zur Messung der Temperatur wird eine Eigenschaft eines Materials genutzt, die sich mit Temperaturänderungen verändert. Diese wird als thermometrische Eigenschaft bezeichnet und ist messbar. Thermometer nutzen solche Eigenschaften, um Temperaturänderungen anzuzeigen.

Sobald ein Thermometer mit einem Körper in Berührung kommt, erreicht es ein thermisches Gleichgewicht mit diesem, wodurch die Temperatur des Körpers abgelesen werden kann.

Eigenschaften idealer Thermometer

• Sie müssen schnell die Temperatur des zu messenden Körpers annehmen.
• Sie dürfen die Temperatur des ursprünglichen Körpers nicht wesentlich beeinflussen.

Um diese Eigenschaften zu erfüllen, sollte das thermometrische Material ein guter Wärmeleiter sein und eine geringe Masse besitzen.

Gängige Temperaturskalen

• Kelvin
• Celsius
• Fahrenheit

Wärmeübertragungsmechanismen

Wärmeleitung (Konduktion)

Die Wärmeleitung ist der Transport von Energie ohne Materietransport. Sie erfolgt aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Körpern in Kontakt oder innerhalb eines Körpers.

Konvektion

Die Konvektion ist der Transport von Energie und Materie. Hierbei bewegen sich wärmere Teilchen und verdrängen kältere, was durch Temperaturunterschiede verursacht wird (z.B. in Flüssigkeiten und Gasen).

Strahlung

Die Strahlung ist der Energietransport durch elektromagnetische Wellen. Dieser Mechanismus benötigt kein materielles Medium zur Ausbreitung.

Prinzipien der Kalorimetrie

• Wenn zwei Körper mit anfänglich unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt gebracht werden, erreichen sie schneller die gleiche Temperatur. Dies hängt von der Intensität des Kontakts und der ursprünglichen Temperaturdifferenz ab.
• Die Menge an Wärme (Q), die ein Körper aufnimmt oder abgibt, wenn seine Temperatur steigt oder sinkt, ist proportional zur Masse (m), der spezifischen Wärmekapazität (c) und der Temperaturänderung (ΔT).

  Formel: Q = m · c · ΔT

• Wenn zwei Körper in einem isolierten System Wärme austauschen, ist die vom "kälteren" Körper aufgenommene Wärmemenge gleich der vom "wärmeren" Körper abgegebenen Wärmemenge.

  Formel: mkalt · ckalt · (TGleichgewicht - Tkalt, initial) = mwarm · cwarm · (Twarm, initial - TGleichgewicht)