Wärmelehre

Wärme

In diesem Video lernst du die ersten Grundlagen, Begriffe und Einheiten zur Wärme kennen.

Inhaltsübersicht

Definition: Wärme (Wärmemenge)

Die Wärme oder auch Wärmemenge wird in der Physik mit dem Formelzeichen Q gekennzeichnet und ist eine physikalische Größe.

Merke
Sie ist die Energie, die zwischen zwei Systemen aufgrund unterschiedlicher Temperaturen übertragen wird.

Die Wärme wird in der Einheit Joule J angegeben. Dabei entspricht ein Joule einer Wattsekunde Ws.

1 W=1 \frac{J}{s}=1 \frac{kg m^2}{s^3}

Wärme Wärmemenge Joule
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Grundlagen zur Wärme

Der Begriff Wärme kann manchmal etwas irreführend sein. In der Physik ist damit die Energie gemeint und nicht die Eigenschaft wie warm etwas ist – das wäre die thermische Energie, die durch die physikalische Größe Temperatur ausgedrückt wird.

Wärmestrom

Während die Wärme eine mengenartige Größe ist, gibt der Wärmestrom oder auch Wärmefluss quantitative Informationen zur Beschreibung des Wärmetransports. Der Wärmestrom wird durch das Formelzeichen \dot {Q} ausgedrückt und ist eine Wärmeleistung. Deshalb wird der Wärmestrom in Watt W gemessen und ist damit die pro Zeit – also etwa Sekunde oder Minute – übertragene Wärmemenge. Zudem ist er proportional zur Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Materials. Die Formel für den Wärmestrom lautet:

\dot{Q} [W]=\frac{\Delta Q [J]}{\Delta t [s]} = \dot {q}\times A

Der Wärmestrom ist damit die Wärmemenge \Delta Q, welche in der Zeit \Delta t von einem Ort hoher Temperatur zu einem Ort niedrigerer Temperatur fließt.

Um den Wärmestrom durch ein bestimmtes Bauteil zu ermitteln, kannst du folgende Formel benutzen:

\dot{Q} [W]= \frac{A · \lambda ·\Delta T} {l}

Wärmestromdichte

Die Wärmestromdichte \dot {q} beschreibt die Leistungsdichte eines Wärmeübertragungsvorgangs und ist das Verhältnis von Wärmestrom zur Wärmeaustauschfläche A. Die Formel dazu lautet:

\dot {q} [\frac{W} {m^2}]=\frac{\dot Q} {A}

Falls du den Wärmedurchgangskoeffizienten oder auch U-Wert eines Bauteils kennst, kannst du auch mit der Formel

q [\frac{W}{m^2}]=U [\frac{W}{m^2 K}]·\Delta T [K]

rechnen.
Falls du an dieser Stelle noch nicht weißt, was der Wärmedurchgangskoeffizient ist und wie man diesen berechnet, kannst du das in unserem passenden Video dazu nachschauen.

Latente Wärme

Als latente Wärme bezeichnet man die, während eines Phasenübergangs aufgenommene beziehungsweise abgegebene, Enthalpie in Joule. Solche Vorgänge können beispielsweise das Verdampfen, Schmelzen, Sublimieren oder auch Kondensieren sein. Bei isothermen und isobaren Bedingungen, also wenn die Prozesse unter gleichbleibender Temperatur und Druck ablaufen, nennt man die latente Wärme in der Thermodynamik auch Umwandlungsenthalpie.

Beispiel zur latenten Wärme

Wenn wir zum Beispiel Wasser in einem Topf zum Kochen bringen wollen, nimmt das Wasser zunächst kontinuierlich thermische Energie auf. Bei weiterer Energiezufuhr beginnt das Wasser ab dem Siedepunkt zu Verdampfen anstatt sich weiter zu erwärmen. Als nächstes vergrößert sich das Volumen des Wasserdampfes und auch die darin enthaltene Energie, obwohl der Dampf immer noch dieselbe Temperatur hat. Wenn das Wasser anschließend wieder kondensiert, wird dabei dieselbe Menge an Energie wieder frei, ohne, dass sich die Temperatur das Dampfes verändert – lediglich die Vorzeichen unterscheiden sich.

Beispiel latente Wärme
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Beispiel zur latenten Wärme

Im Folgenden findest du noch eine nützliche Tabelle zur Umrechnung der verschiedenen Energieeinheiten, sowie eine Übersicht über die Transportmechanismen.

Umrechnung von Energieeinheiten – Tabelle

Energieeinheit J kJ kWh Kcal
1 J 1 0,001 0,000000278 0,000239
1 kJ 1000 1 0,000278 0,239
1 kWh 3600000 3600 1 860
1 kcal 4190 4,19 0,00116 1

Wärmetransportmechanismen

Die Richtung des Wärmestroms verläuft immer vom warmen zum kälteren Medium, wobei es jedoch verschiedene Mechanismen für die Übertragung der Energie gibt. Man unterscheidet zwischen den folgenden drei Methoden der Wärmeübertragung:

1. Hauptsatz der Thermodynamik

Die heutige Definition der Wärme lässt sich außerdem mit dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik beschreiben und drückt einen Teil des Energieerhaltungssatzes aus:

Wird an einem System durch einen Prozess die Arbeit W verrichtet und die Wärme Q zugeführt, so ändert sich die innere Energie U dabei um \Delta U. Es gilt:

\Delta U= Q+W

Die Summe von Wärme und Arbeit bestimmt also die Änderung der inneren Energie des Systems.

2. Hauptsatz der Thermodynamik

Während Arbeit stets mit einer Änderung von äußeren Parametern verbunden ist (zum Beispiel Volumen), verändert die Zufuhr von Wärme die Entropie des Systems. Eine Maschine, die Wärme aufnimmt und diese in Arbeit umwandelt, nennt man Wärmekraftmaschine. Aus prinzipiellen Gründen, die der 2. Hauptsatz der Thermodynamik näher beschreibt, kann immer nur ein Teil der Energie in mechanische Energie umgewandelt werden, da bei der Umwandlung von Wärme zu mechanischer Energie immer Verluste entstehen.

Viel Erfolg beim Lernen und bis bald!


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