Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Wärmelehre

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Wärmetransport[Bearbeiten]

Wärmetransport:
im kochenden Wasser findet Wärmeströmung statt.Wenn man die Hände näher bringt, spürt man die Wärme. Das ist Wärmestrahlung.Wenn man das Glas mit der Hand berührt, spürt man die Wärme direkt, man kann sich sogar verbrennen. Das ist Wärmeleitung.

Oft wird mit dem Begriff Licht das ganze elektromagnetische Spektrum und nicht nur die sichtbaren Frequenzen gemeint. Zum EM-Spektrum gehört auch die Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung). Das deutet an, dass Wärme sich in der Form vom Licht (im Sinne der EM Strahlung) aus der Ferne ausbreiten kann. Das macht schon Sinn, da Wärme eine Form von Energie ist und die EM Strahlung ebenfalls. Wärme kann sich daher auch in Vakuum ausbreiten. Das ist genau warum wir die Sonne als warm empfinden.

Wenn wir andererseits ein Objekt anfassen, können wir spüren wie warm oder kalt es ist, ohne es vorher aus der Ferne gespürt zu haben. Diese Form von Übertragung von Wärme, wenn zwei Körper in Berührung sind, wird Wärmeleitung genannt. In diesem Fall bewegen sich die Teilchen des wärmeren Körpers schneller als die des kälteren. Durch Stöße werden dann die Teilchen des kälteren Körpers schneller (und des wärmeren langsamer).

Wenn wir Wasser kochen, merken wir, dass das Wasser erst unten im Topf warm wird. Dieses warmes Wasser hat eine kleinere Dichte (wie die heiße Luft im Vergleich zur äußeren Luft in einem Luftballon) und steigt daher auf. Dadurch wird das Wasser oben auch wärmer. Diese Art von Wärmeübertragung nennt man Wärmeströmung.

Wir haben also hier drei Formen der Wärmeübertragung erwähnt: die Wärmestrahlung, die Wärmeleitung und die Wärmeströmung.

Temperatur[Bearbeiten]

Temperatur ist nicht gleich Wärme. Wie viel Wärmeenergie ein Körper hat, hängt von der Masse des Körpers ab, seine Temperatur allerdings nicht. 500 Liter warmes Wasser mit 40°C können viel mehr Personen aufwärmen als 2 Liter Wasser mit 40°C. Die Temperatur ist gleich, die Wärmeenergie nicht. Sowohl Temperatur als auch Wärmeenergie haben allerdings mit der mittleren Geschwindigkeit der Teilchen zu tun. Die Temperatur zeigt uns wie schnell sich die Teilchen in einem Stoff bewegen. Je schneller die Teilchen sind, desto höher ist die Temperatur.

Die Wärmeenergie eines Körpers ist genau wie die Temperatur mehr, wenn die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen größer ist. Allerdings, wie es schon klar gemacht wurde, hängt sie auch mit der Menge der Teilchen zusammen. Um die Wärmeenergie eines Körpers zu messen, wird daher seine Temperatur, seine Masse und seine Zusammensetzung (aus was er besteht) benötigt.

Digitales Thermometer im Brot
Bimetall-Zeigerthermometer
Flüssigkeitsthermometer
Verschiedene Thermometer für die Messung der Temperatur.

Elektronisches (digitales) Thermometer. Für seine Funktion werden Halbleiter benutzt.

Bimetallisches Thermometer. Zwei Metallstreifen hier sind in einer Spirale zusammengeklebt. Ein Metall dehnt sich mit steigender Temperatur schneller als das andere aus. Dadurch ändert sich die Größe der Spirale und wird der Zeiger bewegt.

Flüssigkeits- bzw. Quecksilberthermometer. Mit steigender Temperatur dehnt sich die Flüssigkeit (z. B. Quecksilber) im Glasrohr aus und steigt sie im Rohr auf. Bemerkung: Das Körperthermometer im Bild ("Quecksilber-Basalthermometer") hat ein kleinere Temperaturskala. Dadurch wird die Genauigkeit größer.
Quecksilber-Basalthermometer

Thermodynamisches Gleichgewicht[Bearbeiten]

Denken wir an ein einfaches konkretes Beispiel. In einem warmen Zimmer im Winter hört die Heizung auf zu funktionieren. Wenn die Fenster auf sind, gibt es Wärmestrahlung, Wärmeströmung und Wärmeleitung. Wärme wird nach draußen transportiert und das Zimmer wird ziemlich schnell kalt. Wenn wir die Fenster zu machen, dann gibt es viel weniger Wärmeströmung. Das Zimmer wird aber doch kälter, obwohl viel langsamer. Wenn wir dazu schwere Vorhänge vor den Fenstern zuziehen, dann gibt es viel weniger Wärmestrahlung nach draußen. Das Zimmer wird immer noch kälter, aber viel langsamer.

In allen drei Fällen wird das Zimmer irgendwann so kalt wie draußen sein. Dann gibt es keine Wärmeübertragung mehr. Alle Objekte innerhalb und außerhalb des Zimmers werden gleich kalt sein. Man spricht in diesem Fall von einem statischen Gleichgewicht. Was ist aber dann, wenn die Heizung wieder an geht?

In diesem Fall wird das Zimmer wieder wärmer. Wenn wir Fenster zu und Vorhänge zugezogen haben, dann wird es ziemlich warm. Die Temperatur wird immer höher, sie wird aber einen Punkt erreichen, wo sie nicht mehr höher wird. An diesem Punkt verliert das Zimmer so viel Wärme durch das Fenster, wie es durch die Heizung bekommt. Wenn die Vorhänge auf sind, dann wird die Temperatur nicht so hoch, da die Wärme durch das Fenster schneller verloren wird. Die Temperatur im Zimmer wird stabil sein, aber niedriger im Vergleich zu Situation mit zugezogenen Vorhängen. Noch geringer wird die Endtemperatur sein, wenn die Fenster auf sind.

In allen diesen drei Fällen gibt es am Ende eine mehr oder weniger feste Temperatur, die höher als die Temperatur draußen sein wird. Man spricht von einem "dynamischen Gleichgewicht". Allerdings wird die Endtemperatur größer sein, wenn das Zimmer langsamer Wärme verliert, also wenn es besser isoliert ist. Der Punkt, an dem das Gleichgewicht eintritt, hängt mit vielen Faktoren zusammen. Eine entscheidende Rolle spielt vor alle, wie schnell das Zimmer Wärme bekommt und verliert. Eines muss aber klar sein: Je wärmer ein Objekt (in diesem Fall das Zimmer) ist, desto schneller verliert es Wärme. Der Küchenherd gibt ja viel mehr Wärme auf, wenn er warm ist.

Thermodynamisches Gleichgewicht und Treibhauseffekt[Bearbeiten]

Zwischen Erde und dem Weltall gibt es ein thermodynamisches Gleichgewicht. Die Erde nimmt von der Sonne und gibt dem Rest des Weltalls Wärme auf. Ohne Atmosphäre wäre die mittlere Temperatur, wo ein thermodynamisches Gleichgewicht auf der Erde eintritt, ca. bei −18°C. Die Atmosphäre wirkt für die Erde, wie die Fenster für ein Zimmer. Mit der Atmosphäre verliert die Erde ihre Wärme langsamer. Dadurch wird sie wärmer. Andererseits verliert ein Objekt schneller Wärme, wenn es wärmer wird. Also bei einer höheren Temperatur wird die Erde genau so viel Wärme verlieren, wie sie bekommt. Dann entsteht wieder ein Gleichgewicht, allerdings bei einer höheren Temperatur. Das ist das sogenannte Treibhauseffekt. Mit den menschlichen Aktivitäten wird das Treibhauseffekt stärker. Das ist, als ob wir am Fenster eines Zimmers noch ganz dicke Vorhänge zuziehen. Das ist zwar für ein Zimmer im Winter gut, für die ganze Erde und für uns Menschen aber nicht. Daher sind Änderungen dringend notwendig.