Zentrale Begriffe der Wärmelehre sind Wärme, Temperatur, Wärmeübergang und innere Energie. Wie diese Themen miteinander zusammenhängen, erfährst du hier und im Video dazu!
Inhaltsübersicht
Wärmelehre einfach erklärt
Die Wärmelehre oder Thermodynamik ist ein Teilgebiet der Physik und befasst sich mit der Temperatur von Körpern. In der Wärmelehre wird die Welt in sogenannte thermodynamische Systeme unterteilt. Ein thermodynamisches System ist ein räumlich abgegrenzter Bereich, wie zum Beispiel ein Wasserglas.
Dabei lernst du die wichtigen Eigenschaften eines Systems kennen. Außerdem beschäftigt sich die Wärmelehre mit der Übertragung von Wärme zwischen mehreren Systemen.
Zustandsgrößen eines Systems
In der Wärmelehre kannst du ein thermodynamisches Systems durch seine Zustandsgrößen beschrieben. Die wichtigsten Größen sind:
- Druck
- Temperatur
- Volumen
Aus den Zustandsgrößen setzt sich die thermische Energie zusammen, welche wiederum Teil der inneren Energie ist. Die innere Energie ist die gesamte Energie eines Systems.
Merke: Die Temperatur bezeichnet die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen. Steigt die Temperatur, so werden die Teilchen also schneller. Mit der Temperatur steigt auch die thermische Energie und somit die innere Energie.
Je nachdem, ob ein System Materie- und/oder Energie mit einem anderen System austauscht, unterscheidest du drei verschiedene Arten:
| Art | Materieaustausch | Energieaustausch | Beispiel |
| offen | Ja | Ja | Kochtopf |
| geschlossen | Nein | Ja | Fahrradschlauch |
| isoliert | Nein | Nein | perfekt isolierter Behälter |
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Zustandsänderung eines Systems
Die Wärmelehre behandelt auch die Änderung eines Systems. Genauer gesagt, die Änderungen der Zustandsgrößen. Dabei unterscheidest du zwischen verschiedenen Arten der Zustandsänderung. Du kannst sie durch die Zustandsgröße unterscheiden, die bei der Änderung konstant bleibt, während sich die anderen beiden ändern.
4 Hauptsätze der Thermodynamik
Das Verhalten zwischen mehreren Systemen kannst du mit den 4 Hauptsätzen der Thermodynamik beschreiben. Das sind vier grundlegende Regeln der Wärmelehre.
Stell dir zur Veranschaulichung der Hauptsätze vor, dass du Eiswürfel in ein Wasserglas fallen lässt. Jetzt gibt es das Wasserglas-System und das Eiswürfel-System, die in einem Energieaustausch stehen.
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0. Hauptsatz:
Zwei Systeme im Energieaustausch streben die gleiche thermische Energie an. Wasser und Eis haben unterschiedliche Temperaturen und damit unterschiedliche thermische Energien. Diese muss also übertragen werden.
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1. Hauptsatz:
Die thermische Energie kann in Form von Wärme und Arbeit übertragen werden. Dabei sind Wärme und Arbeit nur Überträger der Energie. Da die Übertragung kein Zustand, sondern ein Prozess ist, nennst du sie Prozessgrößen.
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2. Hauptsatz:
Die Richtung der Energie verläuft immer vom wärmeren zum kälteren Körper. Im Beispiel hat das Wasser die höhere thermische Energie und überträgt daher seine Energie durch Wärme auf das Eis.
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3. Hauptsatz:
Kein Stoff kann auf den absoluten Nullwert -273.15°C oder 0°K abgekühlt werden.
Merke: Temperatur beschreibt den Zustand eines Systems. Wärme dagegen ist ein Überträger von Energie und entsteht, wenn sich zwei Systeme mit unterschiedlicher Temperatur einander angleichen.
Übertragung von Wärme zwischen Stoffen
Die Wärmelehre behandelt zudem die Wärmeübertragung zwischen zwei Stoffen. Dabei sind zwei Stoffeigenschaften relevant:
- die Wärmeleitfähigkeit bemisst den Wärmetransport innerhalb eines Stoffes
- die Wärmekapazität gibt die Wärmemenge pro Temperatureinheit an
Bei der Übertragung zwischen verschiedenen Stoffen kannst du zwischen drei Übertragungsarten unterscheiden:
| Übertragungsart | Übertragung | Koeffizient |
| Wärmeleitung | innerhalb von Festkörpern | Wärmedurchlasskoeffizient |
| Wärmekonvektion | innerhalb von Gasen/Fluiden | Wärmeübergangskoeffizient |
| Wärmestrahlung | über elektromagnetische Wellen | Wärmeübergangskoeffizient |
Die Übertragungsart richtet sich nach den Aggregatzuständen der Stoffe. Der dazugehörige Koeffizient gibt die Effektivität der Übertragung an.
Übrigens: Keine Sorgen, wenn du mal auf die Begriffe Wärmedurchlasswiderstand oder Wärmeübertragungswiderstand triffst. Die Widerstandsbegriffe sind lediglich die Kehrwerte zu den entsprechenden Koeffizienten.
Wie funktioniert ein Kühlschrank?
Jetzt hast du den vollen Durchblick bei der Wärmelehre. Mit ihr kannst du dir auch erklären, wie ein Kühlschrank funktioniert. Was dort im Detail passiert, erfährst du hier!
Wärmelehre — häufigste Fragen
(ausklappen)
Wärmelehre — häufigste Fragen
(ausklappen)-
Was ist der Unterschied zwischen Temperatur und Wärme?Temperatur ist eine Zustandsgröße und beschreibt, wie „warm“ ein Körper ist, also die mittlere Bewegungsenergie seiner Teilchen. Wärme dagegen ist Energie, die zwischen Körpern übertragen wird, wenn sie unterschiedliche Temperaturen haben. Deshalb ist Wärme keine Eigenschaft eines einzelnen Körpers, sondern ein Austauschprozess.
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Was ist Wärmeleitung?Wärmeleitung ist die Wärmeübertragung innerhalb eines Stoffes, besonders in Festkörpern, ohne dass der Stoff als Ganzes strömt. Dabei geben schnelle Teilchen ihre Energie durch Stöße an langsamere Nachbarteilchen weiter. Ein typisches Beispiel ist ein Metalllöffel, der im heißen Tee am Griff nach und nach warm wird.
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Was ist Wärmekonvektion?Wärmekonvektion ist Wärmeübertragung in Gasen oder Flüssigkeiten, bei der das Material selbst mitbewegt wird. Warme Bereiche steigen meist auf, kalte sinken ab, sodass Strömungen entstehen, die Energie transportieren. Ein Beispiel sind die sichtbaren Umwälzungen in einem Topf mit erhitztem Wasser.
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Was ist Wärmestrahlung?Wärmestrahlung ist Wärmeübertragung durch elektromagnetische Wellen und funktioniert auch ohne direkten Kontakt und ohne Luft dazwischen. Ein Beispiel ist, dass die Sonne die Haut erwärmt oder dass man die Wärme eines Feuers schon aus einiger Entfernung spürt. Dunkle, matte Oberflächen nehmen Wärmestrahlung meist stärker auf als helle.
Thermodynamik verstehen
Die Wärmelehre ist ein zentrales Teilgebiet der Thermodynamik und gehört zur Physik der Energieumwandlungen. Du beschreibst Systeme mit Zustandsgrößen wie Druck, Volumen und Temperatur und ordnest Prozesse wie Wärmeübertragung und Arbeit ein. So erkennst du klar den Unterschied zwischen Temperatur als Zustand und Wärme als Energiefluss. Weitere Videos dazu findest du in unserem Ingenieurwissenschaftenbereich.