Wärme

Wärme

Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase sind drei verschiedene Zustände (auch bekannt als Phasen). Feststoffe sind nahezu vollständig inkompressibel und haben eine feste Form, während Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind und Gase kompressibel sind. In der Praxis werden Feststoffe und Flüssigkeiten oft als inkompressibel betrachtet, da sie sich kaum komprimieren lassen. Wasser kann als Feststoff (Eis), Flüssigkeit (Wasser) oder Gas (Dampf) existieren.

Wärme wird definiert als ‘thermische Energie, die zwischen zwei Systemen übertragen wird, die in direktem Kontakt stehen, aber unterschiedliche Temperaturen aufweisen.’ Wenn Wärme auf eine Substanz übertragen wird, ändert sich entweder die Temperatur der Substanz oder ihr Zustand.

Beispiel für Zustandsänderung

Eine große Menge Wärme wird auf einen Eisblock übertragen, wodurch er schmilzt und zu Wasser wird.

Beispiel für Temperaturänderung

Eine kleine Menge Wärme wird auf etwas Wasser übertragen, seine Temperatur steigt, aber sein Zustand bleibt unverändert.

Der wesentliche Unterschied in beiden Beispielen ist, dass Energie auf eine Substanz übertragen werden kann, um entweder die Temperatur der Substanz zu ändern oder ihren Zustand. Die Unterschiede zwischen diesen beiden Energieformen werden im nächsten Abschnitt erläutert.

Fühlbare und latente Wärme

Das untenstehende Diagramm zeigt, dass zugeführte Wärmeenergie nicht immer eine Temperaturänderung verursacht. Fühlbare Wärme ist sichtbar, wenn Wärme zugeführt wird und die Temperatur proportional steigt (geneigte Linien im Diagramm). Latente Wärme ist sichtbar, wenn Wärme zugeführt wird und keine Temperaturänderung erfolgt (horizontale Linien im Diagramm).

Diagramm für fühlbare und latente Wärme

Das Hinzufügen von fühlbarer Wärme zu Wasser erhöht allmählich seine Temperatur, obwohl es erst kocht, wenn es seine Sättigungstemperatur (Siedepunkt) erreicht. Bei Sättigungstemperatur kann keine fühlbare Wärme mehr hinzugefügt werden, aber es kann mehr Wärme in Form von latenter Wärme hinzugefügt werden.

Die zusätzliche latente Wärme führt dazu, dass das Wasser verdampft und in einen gasförmigen Zustand übergeht. Der resultierende Dampf enthält sowohl die fühlbare als auch die latente Wärmeenergie, die in ihn übertragen wurde. Die Umwandlung von Wasser in Gas erfordert jedoch viel mehr Energie als das bloße Erhitzen des Wassers, daher enthält der Dampf viel mehr latente Wärme als fühlbare Wärme. Die gesamte im Dampf enthaltene Wärme ist sehr wichtig, da sie die Energiemenge darstellt, die später vom Endverbraucher genutzt werden kann.

Wärmeübertragung

Wie im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik angegeben, wird Wärmeenergie (auch bekannt als Wärme) von heiß nach kalt übertragen. Der Temperaturunterschied zwischen zwei Substanzen bestimmt die Wärmeübertragungsrate.

Wärme wird durch Leitung, Konvektion oder Strahlung übertragen. In den meisten industriellen Umgebungen wird Wärme durch eine Kombination dieser Wärmeübertragungsarten übertragen, selten durch eine einzelne Art.

• Leitung – Wärme wird direkt von einem Molekül zum anderen übertragen. Leitung tritt in Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen auf.
• Konvektion – Wärme wird durch Moleküle in einem flüssigen Zustand übertragen. Konvektion kann erzwungen (durch eine Pumpe oder einen Ventilator) oder natürlich sein, aufgrund von Temperatur- und Dichteunterschieden in der Flüssigkeit. Die beiden Arten der Konvektion sind als erzwungene Konvektion und natürliche Konvektion bekannt.
• Strahlung – Wärme wird durch Strahlungsenergie (elektromagnetische Wellen) übertragen. Strahlungsenergie wird nur auf undurchsichtige Objekte übertragen, d.h. Objekte, die kein Licht durchlassen.

Leitung, Konvektion und Strahlung

Leitung 

Leitung tritt in Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen auf. Die Fähigkeit einer Substanz, Wärme durch Leitung zu übertragen, wird als ihre Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Im Allgemeinen haben Feststoffe eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Flüssigkeiten, da die Moleküle dichter beieinander liegen. Ebenso haben Flüssigkeiten im Allgemeinen eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Gase. Luft hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, weshalb Isoliermaterialien oft große Luftzwischenräume haben.

Beachten Sie, dass die Wärmeleitfähigkeit auf dem Material basiert, nicht auf seinem Zustand oder seiner Phase. Zum Beispiel haben viele Holzarten eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Wasser, aber Holz ist ein Feststoff und Wasser ist eine Flüssigkeit. 

Beispiel für Leitung

Wenn ein Ende eines Metallstabs in einem Feuer erhitzt wird, während das andere Ende nicht erhitzt wird, geben die erhitzten Metallstabmoleküle ihre Wärme an ihre benachbarten -kühleren- Moleküle weiter. Der Prozess setzt sich fort und ermöglicht es, dass Wärme vom heißen Ende des Stabs zum kalten Ende geleitet wird.

Im Fall von Kesseln tritt Leitung auf, wenn Wärme von den inneren Heizflächen des Kessels auf die äußeren Heizflächen übertragen wird.

Konvektion 

Konvektion kann erzwungen oder natürlich sein. Erzwungene Konvektion erfordert eine Pumpe oder einen Ventilator usw. Natürliche Konvektion tritt aufgrund von Temperaturunterschieden in der Flüssigkeit auf (heiße Moleküle sind weniger dicht als kalte Moleküle, weshalb sie eine natürliche Tendenz haben, aufzusteigen). 

Beispiel für Konvektion

Das Erhitzen von Wasser in einem Topf führt dazu, dass die erhitzten Moleküle weniger dicht werden und aufgrund natürlicher Konvektion an die Oberfläche des Topfes steigen; kältere, dichtere Moleküle nehmen dann den Platz ein, den die erhitzten Moleküle hatten.

Der Kamineffekt (auch bekannt als Schornsteineffekt) ist ein Beispiel für natürliche Konvektion. Das untenstehende Bild zeigt einen Naturzugkühlturm. Der Kühlturm lässt kältere Luft durch die Basis eintreten, wo sie dann durch heißes Wasser erwärmt wird. Die heiße -weniger dichte- Luft steigt dann an die Spitze des Turms, was dazu führt, dass kältere Luft durch die Basis des Turms angesaugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, sehr große Luftmengen zu kühlen, ohne Pumpen oder Ventilatoren zu verwenden.

Heiße (weniger dichte) Luft steigt auf und wird durch kältere (dichtere) Luft ersetzt

Im Fall von Kesseln tritt Konvektion auf, wenn das Wasser, das den inneren Heizflächen am nächsten ist, erhitzt wird und weniger dicht wird. Das weniger dichte Wasser fließt nach oben und wird durch kühleres, dichteres Wasser ersetzt; der Prozess ist kontinuierlich.

Strahlung

Strahlungsenergie wird nur dann in Wärmeenergie umgewandelt, wenn elektromagnetische Wellen auf eine Substanz treffen, die kein Licht durchlässt, d.h. die Substanz ist undurchsichtig. Zum Beispiel überträgt die Sonne Strahlungsenergie, aber diese Energie wird erst zu Wärmeenergie, wenn sie auf ein undurchsichtiges Objekt trifft, d.h. die Erde.

Die Menge an Energie, die eine Substanz durch Strahlung übertragen kann, hängt weitgehend von ihrer Temperatur und Emissivität ab. Die Fähigkeit einer Oberfläche, thermische Strahlung zu emittieren, wird durch ihre Emissivität gemessen. Im Allgemeinen haben raue und dunkle Oberflächen einen höheren Emissionskoeffizienten als glatte und glänzende Oberflächen.

Im Fall von Kesseln wird Strahlungsenergie während der Verbrennung freigesetzt und auf die undurchsichtigen inneren Heizflächen des Kessels übertragen, wo sie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Beachten Sie, dass Strahlungsenergie nur durch Sichtlinie übertragen wird.

Beispiel für Strahlung

Wenn ein Kesselbediener die Kesseltür öffnet, spürt er/sie die Wärme, weil die elektromagnetischen Wellen vom Kessel nach außen zum Bediener reisen. Wenn die Tür dann geschlossen wird, können die elektromagnetischen Wellen nicht mehr nach außen reisen und die Wärme wird nicht mehr gespürt. Die Luft zwischen dem Kessel und dem Bediener wird nicht durch die elektromagnetischen Wellen erhitzt, da Luft Licht durchlässt (sie ist nicht undurchsichtig). Nur undurchsichtige Substanzen mit direkter Sichtlinie zum Verbrennungsort werden von den ausgesendeten elektromagnetischen Wellen beeinflusst.

Wärme durch Strahlung gespürt

Wärmeeinheiten

Wärme ist eine Form von Energie und wird oft in British Thermal Units (Btus) oder Kalorien (Cal) angegeben.

• Btu – die Menge an Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Pfunds Wasser um ein Grad Fahrenheit zu erhöhen.
• Kalorie – die Menge an Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Gramms Wasser um ein Grad Celsius zu erhöhen.

Zusätzlich zu den Einheiten Btu und Kalorie wird oft die Einheit Joule verwendet.

Spezifische Wärme

Verschiedene Substanzen benötigen unterschiedliche Mengen an Wärme, um die Temperatur zu ändern. Um einen Vergleich zwischen Substanzen zu ermöglichen, werden Substanzen ein spezifischer Wärme (S.H.)-Wert zugewiesen, diese Werte werden dann in Tabellen zusammengestellt. Die Werte in den zusammengestellten Tabellen sind nur Annäherungen, der wahre spezifische Wärme-Wert eines Brennstoffs wird durch Probenahme und Analyse des Brennstoffs in einem Labor bestimmt.

Spezifische Wärme ist die Menge an Wärme, die erforderlich ist, um eine Einheit der Masse einer Substanz um eine Einheit in der Temperatur zu ändern. Die verwendeten Einheiten hängen davon ab, ob imperiale oder metrische Einheiten bevorzugt werden. Die Energieeinheiten British Thermal Units (Btu) und Joule (J) werden oft in Berechnungen der spezifischen Wärme verwendet.

Beispiel 1 (Imperial)

Spezifische Wärme kann als die Menge an Wärme berechnet werden, die erforderlich ist, um ein Pfund eines Materials um ein Grad Fahrenheit zu ändern. Imperiale spezifische Wärmekapazitätseinheiten sind Btu/lb°F.

Beispiel 2 (Metrisch)

Spezifische Wärme kann als die Menge an Wärmeenergie berechnet werden, die erforderlich ist, um ein Kilogramm eines Materials um ein Grad Kelvin zu ändern. Metrische spezifische Wärmekapazitätseinheiten sind J/kgK. Beachten Sie, dass ein Celsius äquivalent zu einem Kelvin in der Größe ist, sodass die Einheit J/kg°C die gleichen spezifischen Wärmekapazitätswerte liefert wie bei Angabe in J/kgK.

Die spezifischen Wärme-Werte verschiedener Substanzen sind in der untenstehenden Tabelle angegeben.

Spezifische Wärme-Werte verschiedener Substanzen

Zusätzliche Ressourcen

https://www.chem.purdue.edu/gchelp/atoms/states.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_energy

https://en.wikipedia.org/wiki/Sensible_heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer

https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_heat_capacity

https://en.wikipedia.org/wiki/Convection_(heat_transfer)

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction

https://www.daikin.co.uk/en_gb/faq/what-is-the-difference-between-sensible-and-latent-heat-1.html