Was ist Wärmeenergie – Definition

Wärmeenergie und Wärme

Während sich Wärmeenergie  auf die Gesamtenergie aller Moleküle im Objekt bezieht, ist  Wärme  die Energiemenge,  die  aufgrund ihrer Temperaturdifferenz spontan von einem Körper zum anderen fließt . Wärme  ist eine Energieform, aber es ist  Energie auf dem Transportweg . Wärme ist keine Eigenschaft eines Systems. Die Energieübertragung als Wärme erfolgt jedoch auf molekularer Ebene infolge eines  Temperaturunterschieds .

 Stellen Sie sich einen  Metallblock mit hoher Temperatur vor, der aus Atomen besteht, die stark um ihre Durchschnittspositionen 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 oszillierenden Atome am Rand des heißeren Blocks ihre kinetische Energie an die weniger oszillierenden Atome am Rand des kühlen Blocks ab. In diesem Fall findet eine  Energieübertragung  zwischen diesen beiden Blöcken statt und   durch diese zufälligen Vibrationen fließt Wärme vom heißeren zum kühleren Block.

Unterscheidung von Temperatur, Wärme und Wärmeenergie

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  .

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeübertragungseigenschaften eines festen Materials werden durch eine Eigenschaft gemessen, die als  Wärmeleitfähigkeit k (oder λ) bezeichnet wird und in W / mK gemessen wird  . Es ist ein Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Wärme durch Wärmeleitung durch ein Material zu übertragen. Beachten Sie, dass das  Fourier-Gesetz  für alle Materie gilt, unabhängig von ihrem Zustand (fest, flüssig oder gasförmig). Daher gilt es auch für Flüssigkeiten und Gase.

Die  Wärmeleitfähigkeit  der meisten Flüssigkeiten und Feststoffe variiert mit der Temperatur. Bei Dämpfen kommt es auch auf den Druck an. Allgemein:

Die meisten Materialien sind nahezu homogen, daher können wir normalerweise k = k (T) schreiben  . Ähnliche Definitionen sind mit Wärmeleitfähigkeiten in y- und z-Richtung (k _y , k _z ) verbunden, aber für ein isotropes Material ist die Wärmeleitfähigkeit unabhängig von der Übertragungsrichtung, k _x  = k _y  = k _z  = k.

Aus der vorstehenden Gleichung folgt, dass der Wärmeleitungsfluss mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit zunimmt und mit zunehmender Temperaturdifferenz zunimmt. Im Allgemeinen ist die Wärmeleitfähigkeit eines Feststoffs größer als die einer Flüssigkeit, die größer als die eines Gases ist. Dieser Trend ist hauptsächlich auf Unterschiede im  intermolekularen Abstand  für die beiden Materiezustände zurückzuführen. Insbesondere hat Diamant die höchste Härte und Wärmeleitfähigkeit aller Schüttgüter.

Innere Energie und der erste Hauptsatz der Thermodynamik

In der Thermodynamik wird das Energiekonzept erweitert, um andere beobachtete Änderungen zu berücksichtigen, und das Prinzip der Energieerhaltung wird um eine Vielzahl von Arten der Interaktion von Systemen mit ihrer Umgebung erweitert. Die Energie eines geschlossenen Systems kann nur durch Energieübertragung durch Arbeit oder Wärme verändert werden . Basierend auf den Experimenten von Joule und anderen ist ein grundlegender Aspekt des Energiekonzepts, dass Energie erhalten bleibt. Dieses Prinzip ist als  erster Hauptsatz der Thermodynamik bekannt . Der erste Hauptsatz der Thermodynamik kann in verschiedenen Formen geschrieben werden:

In Worten:

Gleichungsform:

∆E _int = Q – W.

Dabei steht E _int für die innere Energie des Materials, die nur vom Zustand des Materials (Temperatur, Druck und Volumen) abhängt . Q ist die Netto-Wärmezufuhr an das System und W ist das Netz durch geleistete Arbeit das System. Wir müssen vorsichtig und konsequent sein, wenn wir die Vorzeichenkonventionen für Q und W befolgen. Da W in der Gleichung die vom System geleistete Arbeit ist, ist W negativ und E _int nimmt zu , wenn am System gearbeitet wird.

In ähnlicher Weise ist Q positiv für die dem System zugeführte Wärme. Wenn also Wärme das System verlässt, ist Q negativ. Dies sagt uns Folgendes: Die interne Energie eines Systems steigt tendenziell an, wenn Wärme vom System absorbiert wird oder wenn positive Arbeit am System geleistet wird. Umgekehrt neigt die interne Energie dazu, abzunehmen, wenn das System Wärme verliert oder wenn negative Arbeiten am System ausgeführt werden. Es muss hinzugefügt werden, dass Q und W pfadabhängig sind, während E _{int pfadunabhängig} ist.

Differentialform:

dE _int = dQ – dW

Die interne Energie E _int eines Systems nimmt tendenziell zu, wenn Energie als Wärme Q hinzugefügt wird, und nimmt tendenziell ab, wenn Energie als vom System geleistete Arbeit W verloren geht.

Siehe auch: Offenes System – Geschlossenes System – Isoliertes System