Wärmelehre

Wärmelehre – einfach erklärt

Wenn du an einen heißen Sommertag denkst, an dem sich der Asphalt aufheizt, oder an eine Tasse heißen Tee im Winter, bist du gedanklich eigentlich bereits der Wärmelehre. Sie beschäftigt sich mit einem Phänomen, das du ständig im Alltag spürst: Wärme. Aber was genau ist das eigentlich?

Was ist Wärmelehre?

Die Wärmelehre untersucht, wie sich die innere Energie von Körpern ändert, wenn sie erwärmt oder abgekühlt werden. Dabei werden die Begriffe Temperatur und Wärme genau unterschieden:

• Temperatur beschreibt, wie warm oder kalt ein Körper ist.
• Wärme ist Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds übertragen wird.

Grundbegriffe der Wärmelehre Physik

Im Folgenden schauen wir uns die wichtigsten Grundbegriffe der Wärmelehre bzw. Thermodynamik genauer an.

Temperatur und ihre Messung

Die Temperatur wird meist in der Einheit Grad Celsius $\left(^{\circ}\text{C}\right)$ gemessen. Sie ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Stoffes.
Je schneller sich die Teilchen bewegen, desto höher ist die Temperatur.

Typische Temperaturskalen sind:

Umrechnung: $$T_\text{K}=T_{^{\circ}\text{C}}+273{,}15$$

Wärme und innere Energie

Wenn einem Körper Wärme zugeführt wird, steigt seine innere Energie. Dadurch bewegen sich die Teilchen schneller, und der Körper wird wärmer.

Die Wärmemenge berechnet man mit: $$Q = c \cdot m \cdot \Delta T$$

• $Q$: zugeführte Wärmeenergie in Joule ($\text{J}$)
• $c$: spezifische Wärmekapazität in $\frac{\text{J}}{\text{kg}\cdot\text{K}}$
• $m$: Masse in Kilogramm ($\text{kg}$)
• $\Delta T$: Temperaturänderung in Kelvin ($\text{K}$)

Aggregatzustände und Zustandsänderungen

Stoffe können in drei Aggregatzuständen vorkommen:

Beim Schmelzen, Verdampfen oder Erstarren wird Wärmeenergie aufgenommen oder abgegeben, ohne dass sich die Temperatur ändert.

Wärmeübertragung – Leitung, Konvektion, Strahlung

Wie gelangt Wärme von einem Ort zum anderen? In der Wärmelehre unterscheidet man drei Arten der Wärmeübertragung:

1. Wärmeleitung

Bei der Wärmeleitung wird Energie innerhalb eines Stoffes übertragen.
Schnell schwingende Teilchen stoßen benachbarte Teilchen an, die dadurch ebenfalls schneller schwingen.

Typisches Beispiel:
Ein Metalllöffel im heißen Tee wird am Stiel warm.

Metalle sind gute Wärmeleiter, Luft und Holz dagegen schlechte.

2. Konvektion

Konvektion tritt in Flüssigkeiten und Gasen auf.
Erwärmte Teilchen dehnen sich aus, werden leichter und steigen auf. Kalte, schwerere Teilchen sinken ab – es entsteht eine Strömung.

Beispiel:
Warme Luft steigt in einem Raum nach oben, kalte sinkt ab – dadurch funktioniert eine Heizung.

3. Wärmestrahlung

Wärmestrahlung erfolgt ohne Stofftransport. Sie breitet sich als elektromagnetische Strahlung aus – auch im Vakuum.

Beispiel:
Die Sonne erwärmt die Erde durch Wärmestrahlung.

Hauptsätze der Wärmelehre (Thermodynamik)

Die Hauptsätze der Wärmelehre sind grundlegende Naturgesetze, die Energieumwandlungen beschreiben. Dabei werden die Prozesse zwischen sogenannten thermodynamischen Systemen betrachtet. Besonders wichtig sind der erste und zweite Hauptsatz.

Erster Hauptsatz – Energieerhaltung

Der erste Hauptsatz der Wärmelehre beschreibt die Energieerhaltung in thermodynamischen Systemen. Er besagt, dass die Energie eines abgeschlossenen Systems konstant ist.

Formel: $$\Delta U = Q - W$$

Beispiel:
Beim Aufpumpen eines Fahrradreifens wird Luft durch Arbeit komprimiert – sie wird dabei wärmer.

Zweiter Hauptsatz – Richtung der Wärmeübertragung

Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre sagt aus, dass Wärme immer vom wärmeren zum kälteren System fließt.

Beispiel:
Eine heiße Kaffeetasse gibt Wärme an die kühlere Umgebung ab, bis ein Temperaturausgleich herrscht.

Anwendung der Wärmelehre – Wärmekraftmaschinen

In Wärmekraftmaschinen (z. B. Motoren, Dampfmaschinen) wird Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt.

Ablaufprinzip:

• Brennstoff wird verbrannt → Wärme entsteht
• Gas dehnt sich aus → Kolben bewegt sich
• Bewegung wird in Arbeit umgewandelt

Wärmelehre – Wissenstest

Wärmelehre – Ausblick

Im nächsten Schritt lernst du, wie die Energie in Gasen beschrieben werden kann und welche Rolle Druck, Volumen und Temperatur im Zustandsgleichungsgesetz spielen.
Außerdem erfährst du, wie Wärmekraftmaschinen wie der Ottomotor funktionieren und wie sich ihr Wirkungsgrad bestimmen lässt.

Häufig gestellte Fragen zur Wärmelehre