Thermische Energie: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 27. Februar 2022, 12:51 Uhr

Thermische Energie (auch Wärmeenergie) ist ein Begriff, der in verschiedener Weise für makroskopische und mikroskopische Energieformen verwendet wird, die sich auf die ungeordnete Bewegung der Teilchen (einschließlich der Photonen) in makroskopischer Materie oder in anderen Vielteilchensystemen beziehen.

Zu den möglichen makroskopischen Formen der thermischen Energie gehören:^[1]

Zu den mikroskopischen Formen der thermischen Energie gehört

die mittlere Energie eines Teilchens pro Freiheitsgrad (also ${\tfrac {1}{2}}k_{\mathrm {B} }T$ für Translation in eine Richtung etc., wobei $$ T $$ die absolute Temperatur und $k_{\mathrm {B} }$ die Boltzmann-Konstante ist),
die Größe des typischen zufälligen Energieaustauschs zwischen den Teilchen, $k_{\mathrm {B} }T$ , die auch in der Boltzmann-Verteilung den Energiemaßstab vorgibt.

Zusammenhang mit der Temperatur

Umgangssprachlich wird die thermische Energie etwas ungenau als „Wärme“ oder „Wärmeenergie“ bezeichnet oder auch mit der Temperatur verwechselt.

Tatsächlich ist in einem idealen Gas die (makroskopische) thermische Energie gleich der inneren Energie und daher proportional zur absoluten Temperatur:

E_{\mathrm {th} }={\frac {f}{2}}\,N\,k_{\mathrm {B} }\,T={\frac {f}{2}}\,n\,R\,T=c\,m\,T\propto \;T

mit

der Anzahl $$ f $$ der Freiheitsgrade
der Teilchenzahl $$ N $$
der Boltzmann-Konstante $k_{\mathrm {B} }$

bzw. alternativ mit

der Stoffmenge $$ n $$
der Gaskonstante $$ R $$

bzw. alternativ mit

der spezifischen Wärmekapazität $ c={\tfrac {f}{2}}R\cdot {\tfrac {n}{m}}={\tfrac {f}{2}}\cdot {\tfrac {R}{M}} $, die für ideale Gase unabhängig von der Temperatur ist: $ c\neq f(T) $.
- der Masse $$ m $$
- der molaren Masse $$ M $$ .

Im allgemeinen Fall ist die spezifische Wärmekapazität jedoch eine Funktion der Temperatur $$ c=c(T) $$ , sodass die innere Energie nicht in einfacher proportionaler Weise von der Temperatur abhängt:

\Rightarrow E_{\mathrm {th} }=c(T)\cdot m\cdot T\propto \!\!\!\!\!\!/\;\;T

.

Bei einem Phasenübergang ändert sich sogar die thermische Energie eines Körpers, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt. Ein Beispiel ist ein Schmelzvorgang. Hat Eis eine Temperatur von 0 °C, so muss, um es zu schmelzen, seine thermische Energie erhöht werden. Dazu muss Wärme zugeführt werden. Die Temperatur steigt während des Schmelzvorganges jedoch nicht an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird (Schmelzwärme).

Weblinks

Wiktionary: Wärmeenergie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

↑ E. Doering, H. Schedwill, M. Dehli: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 8. Auflage. SpringerVieweg, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-15147-8, S. 9, doi:10.1007/978-3-658-15148-5.

[1] E. Doering, H. Schedwill, M. Dehli: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 8. Auflage. SpringerVieweg, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-15147-8, S. 9, doi:10.1007/978-3-658-15148-5.

[1]

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-'''Thermische Energie''' (auch '''Wärmeenergie''', jedoch nicht zu verwechseln mit [[Wärme]]) ist die [[Energie]], die in der ungeordneten Bewegung der [[Atom]]e oder [[Molekül]]e eines [[Stoff (Chemie)|Stoffes]]  gespeichert ist. Sie ist eine [[extensive Größe]] und ist Teil der [[Innere Energie|inneren Energie]]. Die thermische Energie wird im [[SI-Einheitensystem]] in [[Joule]] ([[Einheitenzeichen]]: J) gemessen. Auch ein Strahlungsfeld hat thermische Energie, wenn seine Energie ungeordnet auf die verschiedenen möglichen Wellenformen verteilt ist.
+{{Dieser Artikel|behandelt die thermische Energie als Begriff der Thermodynamik. Für die Verwendung in der Neutronenphysik siehe [[Thermisches Neutron]].}}
+'''Thermische Energie''' (auch '''Wärmeenergie''') ist ein Begriff, der in verschiedener Weise für [[Mikroskopisch und makroskopisch #Physik|makroskopische und mikroskopische]] [[Energieform]]en verwendet wird, die sich auf die ungeordnete Bewegung der Teilchen (einschließlich der [[Photon]]en) in makroskopischer Materie oder in anderen [[Vielteilchensystem]]en beziehen.
-Eine Zufuhr von Wärme steigert die thermische Energie, eine Wärmeabfuhr verringert sie. Thermische Energie ist also kinetische und potentielle Energie, aber mit dem Merkmal der ''ungeordneten'' Verteilung auf die Bewegungen ''vieler'' Körper. In Festkörpern entspricht dies den [[Gitterschwingung]]en bzw. [[Phonon]]en, in Flüssigkeiten den Schwingungen, Rotationen und eingeschränkten Bewegungen der Moleküle und in Gasen Schwingungen, Rotationen und freien Bewegungen. Diese Bewegungen existieren auch für Adsorbate auf [[Oberflächenchemie|Oberflächen]], wo man von 2D-Gasen und 2D-Flüssigkeiten spricht. Mit Hilfe von [[Rastertunnelmikroskopie]] können diese Bewegungen auf molekularer Skala auf Oberflächen sichtbargemacht werden, wobei deutlich wird, dass z.&nbsp;B. der Anteil der rotierenden Teilchen mit der Temperatur steigt.<ref>{{Literatur |Autor=Thomas Waldmann, Jens Klein, Harry E. Hoster, R. Jürgen Behm |Titel=Stabilization of Large Adsorbates by Rotational Entropy: A Time-Resolved Variable-Temperature STM Study |Sammelwerk=ChemPhysChem |Band=14 |Nummer=1 |Datum=2013-01-14 |Seiten=162–169 |DOI=10.1002/cphc.201200531}}</ref>
+Zu den möglichen makroskopischen Formen der thermischen Energie gehören:<ref>{{Literatur | Autor=E. Doering, H. Schedwill, M. Dehli  | Titel= Grundlagen der Technischen Thermodynamik | Auflage= 8| Verlag=SpringerVieweg | Ort=Wiesbaden | Jahr=2016| Seiten=9| ISBN=978-3-658-15147-8  |DOI= 10.1007/978-3-658-15148-5}}</ref>
+* [[Innere Energie]]
-Ist die kinetische Energie aller Moleküle eines Stoffes gleich null (genauer: am [[Nullpunktsenergie|quantenphysikalisch möglichen Minimum]]), so ist seine Temperatur am [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]].
+* [[Wärme]]
+* [[Enthalpie]]
+Zu den mikroskopischen Formen der thermischen Energie gehört
+* die mittlere Energie eines Teilchens pro [[Freiheitsgrad]] (also <math>\tfrac12 k_\mathrm B T</math> für [[Translation (Physik)|Translation]] in eine Richtung etc., wobei <math>T</math> die [[absolute Temperatur]] und <math>k_\mathrm B </math> die [[Boltzmann-Konstante]] ist),
+* die Größe des typischen zufälligen Energieaustauschs zwischen den Teilchen, <math>k_\mathrm B T</math>, die auch in der [[Boltzmann-Verteilung]] den Energiemaßstab vorgibt.
 == Zusammenhang mit der Temperatur ==
 Umgangssprachlich wird die thermische Energie etwas ungenau als „[[Wärme]]“ oder „Wärmeenergie“ bezeichnet oder auch mit der Temperatur verwechselt.
-Tatsächlich ist die thermische Energie oft näherungsweise proportional zur Temperatur. Insbesondere ist die thermische Energie des [[Ideales Gas|idealen Gases]]
+Tatsächlich ist in einem [[Ideales Gas|idealen Gas]] die (makroskopische) thermische Energie gleich der inneren Energie und daher
+proportional zur [[Absolute Temperatur|absoluten Temperatur]]:
-:<math>E_{\mathrm{th}} = \frac{f}{2} \,N\, k_\mathrm{B} \, T = \frac{f}{2} \,n\, R \, T</math>
-mit der Anzahl der [[Freiheitsgrad#Freiheitsgrade_der_Molek.C3.BCle|Freiheitsgrade]] <math>f</math>, der [[Teilchenzahl]] <math>N</math> und der [[Boltzmann-Konstante]] <math>k_\mathrm{B}</math> bzw. alternativ mit der [[Stoffmenge]] <math>n</math> und der [[Gaskonstante]] <math>R</math>. Die [[spezifische Wärmekapazität]] <math>c = \frac{f}{2} R</math> ist für ideale Gase konstant.
+:<math>E_{\mathrm{th}} = \frac{f}{2} \, N \, k_\mathrm{B} \, T = \frac{f}{2} \, n \, R \, T = c \, m \, T \propto \; T</math>
-Im allgemeinen Fall ist sie jedoch eine Funktion der Temperatur <math>c = c(T)</math>, sodass die thermische Energie ''nicht'' in einfacher proportionaler Weise von der Temperatur abhängt <math>\Rightarrow E_{\mathrm{th}} \propto\!\!\!\!\!\!/ \;\; T</math>.
+mit
+* der Anzahl <math>f</math> der [[Freiheitsgrad #Freiheitsgrade der Moleküle|Freiheitsgrade]]
+* der [[Teilchenzahl]] <math>N</math>
+* der [[Boltzmann-Konstante]] <math>k_\mathrm{B}</math>
+bzw. alternativ mit
+* der [[Stoffmenge]] <math>n</math>
+* der [[Gaskonstante]] <math>R</math>
+bzw. alternativ mit
+* der [[spezifische Wärmekapazität|spezifischen Wärmekapazität]] <math>c = \tfrac{f}{2} R \cdot \tfrac{n}{m} = \tfrac{f}{2} \cdot \tfrac{R}{M}</math>, die für ideale Gase unabhängig von der Temperatur ist: <math>c \neq f(T)</math>.
+** der Masse <math>m</math>
+** der [[molare Masse|molaren Masse]] <math>M</math>.
-Bei einem [[Phasenübergang]] kann sich sogar die thermische Energie eines Körpers ändern, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt.
+Im allgemeinen Fall ist die spezifische Wärmekapazität jedoch eine Funktion der Temperatur <math>c = c(T)</math>, sodass die innere Energie ''nicht'' in einfacher proportionaler Weise von der Temperatur abhängt:
-Ein Beispiel, das die Zusammenhänge zwischen Wärme und Temperatur verdeutlicht, ist ein [[Schmelzvorgang]]. Hat [[Eis]] eine Temperatur von 0&nbsp;°C, muss, um es zu schmelzen, seine thermische Energie erhöht werden. Dazu muss ''Wärme'' zugeführt werden. Die ''Temperatur'' steigt während des Schmelzvorganges jedoch ''nicht'' an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird ([[Schmelzwärme]]).
-Die manchmal so bezeichnete „Druckenergie“ ist nichts anderes als thermische Energie. Gasmoleküle, die in einem Gefäß eingeschlossen sind, stoßen wegen ihrer thermischen Bewegung gegen die Wände. Dadurch wird bei jedem Stoß [[Impuls]] übertragen, der als [[Druck (Physik)|Druck]] gemessen werden kann.
+:<math>\Rightarrow E_{\mathrm{th}} = c(T) \cdot m \cdot T \propto\!\!\!\!\!\!/ \;\; T</math>.
-== Neutronenphysik ==
+Bei einem [[Phasenübergang]] ändert sich sogar die thermische Energie eines Körpers, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt.
+Ein Beispiel ist ein [[Schmelzvorgang]]. Hat [[Eis]] eine Temperatur von 0&nbsp;°C, so muss, um es zu schmelzen, seine thermische Energie erhöht werden. Dazu muss ''Wärme'' zugeführt werden. Die ''Temperatur'' steigt während des Schmelzvorganges jedoch ''nicht'' an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird ([[Schmelzwärme]]).
-Eine andere Wortbedeutung hat ''thermische Energie'' im Zusammenhang mit freien [[Neutron]]en oder anderen Teilchen. In diesen Fällen ist diejenige kinetische Energie des ''Einzelteilchens'' gemeint, die der Temperatur des umgebenden Stoffes entspricht (siehe auch: [[Thermisch]]).
+== Weblinks ==
+{{Wiktionary|Wärmeenergie}}
 == Einzelnachweise ==