Definition von Wärme
Während sich innere Energie auf die Gesamtenergie aller Moleküle im Objekt bezieht, ist Wärme die Energiemenge, die aufgrund ihres Temperaturunterschieds spontan von einem Körper zum anderen fließt . Wärme ist eine Energieform, aber es ist Energie auf der Durchreise . Wärme ist keine Eigenschaft eines Systems. Die Energieübertragung als Wärme erfolgt jedoch auf molekularer Ebene aufgrund eines Temperaturunterschieds .
Stellen Sie sich einen Metallblock bei hoher Temperatur vor, der aus Atomen besteht, die stark um ihre durchschnittliche Position schwingen. Bei niedrigen Temperaturen schwingen die Atome weiter, jedoch mit geringerer Intensität . Wenn ein heißerer Metallblock mit einem kühleren Block in Kontakt gebracht wird, geben die stark schwingenden Atome am Rand des heißeren Blocks ihre kinetische Energie an die weniger schwingenden Atome am Rand des kühlen Blocks ab. In diesem Fall findet zwischen diesen beiden Blöcken ein Energietransfer statt , und durch diese zufälligen Vibrationen fließt Wärme vom heißeren zum kühleren Block.
Ebenso wie bei der Arbeit ist es wichtig, zwischen Wärme , die einem System von seiner Umgebung zugeführt wird, und Wärme, die von einem System an seine Umgebung abgegeben wird, zu unterscheiden. Q ist positiv für die dem System zugeführte Wärme. Wenn also Wärme das System verlässt, ist Q negativ. Da W in der Gleichung die vom System geleistete Arbeit ist, ist W negativ und E int nimmt zu , wenn am System gearbeitet wird.
Das Symbol q wird manchmal verwendet, um die Wärme anzuzeigen, die einem System pro Masseneinheit hinzugefügt oder von diesem abgeführt wird . Dies entspricht der Gesamtwärme (Q), die hinzugefügt oder entfernt wird, geteilt durch die Masse (m).
Unterscheidung von Temperatur, Wärme und innerer Energie
Mit der kinetischen Theorie kann klar zwischen diesen drei Eigenschaften unterschieden werden.
- Die Temperatur hängt mit den kinetischen Energien der Moleküle eines Materials zusammen. Es ist die durchschnittliche kinetische Energie einzelner Moleküle.
- Interne Energie bezieht sich auf die Gesamtenergie aller Moleküle im Objekt. Es ist eine weitreichende Eigenschaft , wenn zwei gleich große heiße Barren aus Stahl die gleiche Temperatur haben können, aber zwei von ihnen doppelt so viel innere Energie haben wie einer.
- Schließlich ist Wärme die Energiemenge, die aufgrund ihres Temperaturunterschieds spontan von einem Körper zum anderen fließt.
Es muss hinzugefügt werden, wenn ein Temperaturunterschied besteht. Die Wärme fließt spontan vom wärmeren System zum kälteren System . Wenn also ein 5 kg schwerer Stahlwürfel bei 100 ° C mit einem 500 kg schweren Stahlwürfel bei 20 ° C in Kontakt gebracht wird, fließt Wärme vom Würfel bei 300 ° C zum Würfel bei 20 ° C, obwohl die innere Energie vorhanden ist des 20 ° C Würfels ist viel größer, weil es so viel mehr davon gibt.
Ein besonders wichtiges Konzept ist das thermodynamische Gleichgewicht . Wenn zwei Objekte in thermischen Kontakt gebracht werden , fließt im Allgemeinen Wärme zwischen ihnen, bis sie sich im Gleichgewicht befinden .
Beispiel – Verdampfung von Wasser bei atmosphärischem Druck
Berechnen Sie die Wärme, die erforderlich ist, um 1 kg Wasser bei atmosphärischem Druck (p = 1,0133 bar) und einer Temperatur von 100 ° C zu verdampfen .
Lösung:
Da diese Parameter dem gesättigten flüssigen Zustand entsprechen, ist nur latente Verdampfungswärme von 1 kg Wasser erforderlich. Von Dampftabellen ist die latente Verdampfungswärme L = 2.257 kJ / kg. Daher ist die benötigte Wärme gleich:
ΔH = 2257 kJ
Es ist zu beachten, dass die anfängliche spezifische Enthalpie h 1 = 419 kJ / kg ist, während die endgültige spezifische Enthalpie h 2 = 2676 kJ / kg beträgt. Die spezifische Enthalpie von Niederdruck-Trockendampf ist der spezifischen Enthalpie von Hochdruck-Trockendampf sehr ähnlich, obwohl sie unterschiedliche Temperaturen haben.
Beispiel – Verdampfung von Wasser bei hohem Druck
Berechnen Sie die Wärme, die erforderlich ist, um 1 kg Speisewasser bei einem Druck von 6 MPa (p = 60 bar) und einer Temperatur von 275,6 ° C ( Sättigungstemperatur ) zu verdampfen .
Lösung:
Da diese Parameter dem gesättigten flüssigen Zustand entsprechen , ist nur latente Verdampfungswärme von 1 kg Wasser erforderlich. Aus Dampftabellen ergibt sich eine latente Verdampfungswärme von L = 1571 kJ / kg. Daher ist die benötigte Wärme gleich:
ΔH = 1571 kJ
Es ist zu beachten, dass die anfängliche spezifische Enthalpie h 1 = 1214 kJ / kg ist, während die endgültige spezifische Enthalpie h 2 = 2785 kJ / kg beträgt.
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