Techniklexikon

Wärme

Energieform, die als Energie sich ungeordnet bewegender Moleküle aufgefaßt wird. Die Wärmeentwicklung bei der Verbrennung von Stoffen stellte vor Beginn der industriellen Entwicklung und der frühen chemischen Forschung ein zentrales Thema dar. Die Thermodynamik beschreibt die mit Wärmewandlungen verbundene Vorgänge und Wirkungen und liefert die theoretischen Grundlagen zum Verständnis und zur Konstruktion von»Wärmekraftmaschinen, wie Verbrennungsmotoren (Verbrennungskraftmaschine), Gasturbinen und Dampfturbinen (Turbine). Als spezifische Wärme(kapazität) wird diejenige Wärmemenge bezeichnet, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Gramm eines beliebigen, einheitlichen Stoffes um 1 Kelvin zu erhöhen. Die spezifische Wärme ändert sich, vor allem bei Gasen, mit deren Druck und Volumen. Es wird unterschieden zwischen der spezifischen Wärme bei konstantem Druck (cp) und der bei konstantem Volumen (Cv). Thermodynamik und statistische Physik, Wärmeenergie, eine Form der inneren Energie, die nicht auf der Verrichtung von Arbeit oder der Änderung der Stoffmenge beruht. Sie ist quantitativ äquivalent zu den anderen Energieformen. Die Wärmeenergie von Materie besteht aus der Bewegungsenergie ihrer Atome und Moleküle. In einem einatomigen (idealen) Gas beispielsweise ist dies die translatorische kinetische Energie der Atome, in einem zweiatomigen Gas kommt hierzu noch die Rotationsenergie der Drehfreiheitsgrade des Hantelmoleküls. In einem festen Kristall ist es die Vibrationsenergie der Atome um ihre Gleichgewichtslagen im Gitter, also die Schwingungsenergie der Gitterschwingungen (Phononen). In einem Kunststoff, bestehend aus vernetzten Polymer-Molekülen, muss auch noch die Energie der zwischen den Vernetzungspunkten schwingenden Molekülketten berücksichtigt werden. Thermische Energie kann aber noch in weiteren mikroskopischen Freiheitsgraden von Materie gespeichert sein, so z.B. in elektronisch angeregten Zuständen der Atome oder auch in magnetisch angeregten Zuständen. Am absoluten Nullpunkt der Temperatur (0 K oder -273,16 °C) verschwindet die thermische Energie vollständig, jedoch bleibt nach der Quantenmechanik eine (kleine) Bewegungsenergie (die Nullpunktsenergie) bestehen.

Die energetische Äquivalenz von Wärme und Arbeit wurde erstmals von R. Meyer gezeigt und findet in der Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik durch Helmholtz ihre Widerspiegelung. Dass die Umformung dieser in andere Energieformen i.a. nicht verlustfrei erfolgt, kommt hingegen im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zum Ausdruck. Die bei verschiedenen thermodynamischen Prozessen ausgetauschte Wärme wird mitunter durch spezielle Begriffe belegt, z.B. Umwandlungswärme, Reaktionswärme, Joulesche Wärme u.a.

Die reduzierte Wärme (Wärmegewicht) ist der Quotienten aus Wärme und absoluter Temperatur Q / T. Die reduzierte Wärme ist bei der Betrachtung des Carnotschen Kreisprozesses von Bedeutung und Grundlage der Definition der Entropie.

Der zeitliche Austausch von Wärme zwischen Teilsystemen mit unterschiedlichen Temperaturen erfolgt durch Wärmeleitung oder Wärmestrahlung.