Wärme und Energie

Jan-Peter Meyn

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2020
• ISBN drucken: 9783110495607
• eBook-ISBN: 9783110493344
• Auflage: 1
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Thermodynamik

Alle für die Lehramtsausbildung relevanten Teilgebiete der Physik werden in der vierbändigen Lehrbuchreihe auf dem Niveau der Anfängervorlesungen bearbeitet. Schülervorstellungen, Lernschwierigkeiten und problematische Begriffe werden als hervorgehobene Blöcke in die fachliche Darstellung eingeflochten. Die meisten der vorgestellten Experimente können auch im schulischen Physikunterricht gezeigt werden.

Band 4 behandelt Wärme und Energie.

1 Temperatur

Wärme ist lebensnotwendig. Wir haben daher feste intuitive Vorstellungen über Wärmeangelegenheiten. Bereits kleine Kinder können kalt, warm und heiß unterscheiden, später kommen Begriffe wie lau und kühl hinzu. Diese Alltagsbegriffe beschreiben die Qualität von Wärme in eindeutig geordneter Weise. Jedes der folgenden Adjektive bedeutet „wärmer als das vorhergehende“: Kalt, kühl, lau, warm, heiß. In der Alltagssprache hat sich ein physikalischer Fachbegriff etabliert, die Temperatur. Die Temperatur wird vom Thermometer angezeigt. Zwei gleiche Werte, die an verschiedenen Gegenständen gemessen wurden, bedeuten gleiche Temperaturen; man sagt, die Gegenstände sind „gleich warm“.

Der alltägliche Temperaturbegriff, vor allem im Zusammenhang mit dem Thermometer, ist meist im Einklang mit dem Fachbegriff. Das ist die Basis für einen erfolgreichen Unterricht der Thermodynamik. Darüber hinaus kann man kaum an Vorwissen anknüpfen, sondern man muss mit einer Vielfalt von Fehlvorstellungen rechnen.

Die Temperatur hat großen Einfluss auf unser Wohlbefinden. Abgesehen von individuellen Unterschieden liegt der Bereich der angenehmen Lufttemperatur bei etwa 22 bis 27 °C. In diesem Temperaturbereich gedeiht das Leben besonders gut. Höhere Temperaturen über 40 °C oder besonders niedrige unterhalb 0 °C werden von Pflanzen und Tieren schlecht vertragen. Unterhalb 0 °C gefriert Wasser. Bei fortgesetzter Abkühlung werden alle Stoffe fest und spröde, alles erstarrt. Bei Erhitzung werden Stoffe weicher und beweglicher, sie werden flüssig und schließlich gasig. Chemische Prozesse werden intensiviert und steigern sich bei sehr hohen Temperaturen zum Zerfall chemischer Verbindungen.

1.1 Thermisches Gleichgewicht

Im Alltag haben wir es oft mit Körpern unterschiedlicher Temperatur zu tun. Wir wissen aus Erfahrung, dass sich heiße Dinge abkühlen und sehr kalte erwärmen. Der Klassiker: „Kommt Leute, das Essen wird kalt. Und das Bier wird warm“.

Das thermische Gleichgewicht bei einer mittleren Temperatur ist Urphänomen der Thermodynamik. In der Mechanik, in der alle bewegten Gegenstände durch Reibung zum Stillstand kommen, ist das anders: Die Geschwindigkeit ist am Ende Null. Entsprechend ist in der Elektrizitätslehre die Spannung am Ende eines Ausgleichs Null. Dieser fundamentale Unterschied macht es schwierig, Wärmeprozesse durch mechanische oder elektrische Analogien zu beschreiben. Ausgehend von der mittleren Gleichgewichtstemperatur gibt es höhere und niedrigere Temperaturen, die man im Alltag Wärme und Kälte nennt.

Wärme und Kälte sind im Alltag grundsätzlich verschiedene Begriffe. Obwohl wir später sehen werden, dass das Kühlen und Heizen durch die gleiche Maschine bewirkt werden kann und Kälte kein physikalischer Fachbegriff ist, hat die alltägliche Unterscheidung ihre Berechtigung. Die Erfahrung lehrt, dass man mit Feuer heizen kann, während das Kühlen durch Kontakt mit einem Körper bewerkstelligt wird, der von sich aus kalt ist – auch im Falle des Kühlschranks. Kaum jemand fragt sich, wie der Kühlschrank sein Inneres kalt macht.

1.2 Temperaturskala

Die Temperatur gehört zu den ersten Messgrößen der Experimentalphysik. Bereits Galilei (1564–1641) kannte Thermometer. Die Ordnung der alltäglichen Temperaturbegriffe kalt – warm – heiß wird skaliert, indem zwei Fixpunkte gesetzt werden und der Bereich zwischen den Fixpunkten gleichmäßig eingeteilt wird. Die Celsius-Skala hat die Fixpunkte null Grad als Temperatur des schmelzenden Eises und einhundert Grad als Temperatur des siedenden Wassers. Problematisch ist die Einteilung zwischen den Fixpunkten: Wo genau befindet sich 50 °C? Wie kann physikalisch der Mittelwert aus 0 °C und 100 °C gebildet werden? Dazu greift man auf physikalische Größen zurück, die sich mit der Temperatur ändern. Früher war das hauptsächlich das Volumen einer Flüssigkeit, heute ist es oft die elektrische Spannung (Thermoelement) oder der elektrische Widerstand (Pt100). Ohne eine bereits gegebene Temperaturskala weiß man natürlich nicht, ob ein betrachteter Zusammenhang wie Volumen oder Spannung als Funktion der Temperatur linear ist. Abb. 1.1 verdeutlicht das Problem. Es wird mit Gasen gelöst.

Abb. 1.1 Problem der linearen Skaleneinteilung zwischen zwei Fixpunkten. Mit der Annahme der Größe $\mathit{G}\mathrm{(}\mathit{T}\mathrm{)}\propto \mathit{T}$ ist die Größe H nichtlinear. Andererseits ist mit $\mathit{H}\mathrm{(}\mathit{T}\mathrm{)}\propto \mathit{T}$ die Größe G...

Inhaltsverzeichnis

• Title Page
• Copyright
• Contents
• 1 Temperatur
• 2 Phasen
• 3 Entropie
• 4 Wärmemaschinen
• 5 Chemisches Potential
• 6 Energie
• 7 Licht
• 8 Regenerative Energiegewinnung
• 9 Energiespeicher
• 10 Nachhaltigkeit
• 11 Teilchen
• Stichwortverzeichnis