Wärme ist eine Form von Energie

Wenn wir uns energielos fühlen, meinen wir damit oft „matt“ oder „schlapp“. Doch was steckt hinter dem Begriff Energie und was haben Wärme, Temperatur und Arbeit damit zu tun?

Arbeitsmittel

Was ist Energie?

Gehen, Spielen und Sport verbraucht unsere Energie. Kurz gesagt: Zum Arbeiten benötigen wir Energie.

Was das bedeutet, zeigt diese Tretrollerfahrt. Hilf dem Wiesel dabei, den Berg hinaufzufahren! Tipp: Füttere das Wiesel, bevor ihm die Energie ausgeht!

Sobald das Wiesel oben auf dem Berg angekommen ist, ist die aufgewendete Energie nicht verschwunden. Sie steckt in der Arbeit. Und mit dieser Arbeit kann das Wiesel dann ohne Energieaufwand den Berg wieder hinunterfahren. Weil sich beim Bergauffahren auch die Muskeln erwärmt haben, steckt ein Teil der Energie auch in der Erwärmung des Körpers.

Energie ist gespeicherte Arbeit.

oder

Energie ist dazu da, damit Arbeit verrichtet werden kann.

Wie kommt aber die Energie in das Wiesel hinein?

Wiesel mit Beeren
Nahrungsmittel liefern Energie.

In den Nahrungsmitteln steckt die Energie in den Bestandteilen (Atomen und Molekülen). Man nennt diese Energie chemische Energie.

Mit dem Essen gelangt diese chemische Energie in den Körper. Im Körper wird diese Energieform dann zum Beispiel so umgesetzt, dass die Beine durch die Muskeln in Bewegung versetzt werden können und das Wiesel den Berg hinauffahren kann. Dabei wird die chemische Energie der Nahrungsmittel in die Bewegungsenergie der Beine und auch in das „System“ Wiesel plus Tretroller umgesetzt. Wenn das Wiesel oben angekommen ist, dann steckt die Ruheenergie im System Tretroller mit Wiesel.

Das ist auch der Grund dafür, warum wir Nahrungsmittel aufnehmen müssen. Damit der Körper Arbeit verrichten kann, verbraucht er ständig die gespeicherte chemische Energie. Und diese Energie geht nicht verloren. Sie steckt in der Bewegungsenergie, der potenziellen Energie, der Erwärmung der Muskeln und Organe und sie ermöglicht es uns, Arbeit zu verrichten.

Energie geht nicht verloren. Energie wird immer nur umgewandelt.

Merke dir diese Begriffe:

  • Ruheenergie = potentielle Energie
  • Bewegungsenergie = kinetische Energie

Auch Wärme ist Energie

Eine Läuferin schwitzt
Ein Teil der Bewegungsenergie wird in Wärme umgewandelt.
Meteor, der in der Erdatmosphäre verglüht
Die Bewegungsenergie des Meteoriten wird in Wärme umgewandelt.
Teekanne steht auf offenem Feuer und Wasser siedet.
Die Energie des Feuers erwärmt das Wasser.
Elektromotor, der ein Förderband antreibt
Elektrische Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt. Und weil der Elektromotor dabei warm wird, entsteht auch Wärmeenergie.

Nach dem Teilchenmodell ist Wärme eine Folge der Bewegung der Teilchen. Je heftiger sich die Teilchen bewegen, umso höher ist die Temperatur des Körpers. Die Wärme eines Körpers hängt also direkt zusammen mit der Bewegungsenergie der Teilchen. Dass Wärme eine Form von Energie ist, wurde erst im 19. Jahrhundert erkannt.

Wir berechnen die Energie

Die Einheit der Energie sehen wir uns anhand der potentiellen Energie an.

Welche Kugel verursacht beim Hinunterfallen eine größere Delle?

Erkenntnis: In einem ruhenden Körper steckt potenzielle Energie. Diese potenzielle Energie ist umso größer, je schwerer der Körper ist und je größer die Höhe ist, aus der er hinunterfällt.

$$ E_\textnormal{pot} = Gewicht \cdot Höhe $$

Die Gewichtskraft ist Masse mal dem Ortsfaktor. Damit ergibt sich:

potential
Energy
potentielle
Energie
Epot
= mass Masse m gravitational
acceleration
Ortsfaktor g
height Höhe h

Aus dieser Formel kann man die Einheit der Energie bestimmen, denn die Einheit des Gewichts ist Newton und die Einheit der Höhe ist Meter.

Die Einheit der Energie ist Newtonmeter.
[E] = 1 Nm
Für Newtonmeter verwendet man die Kurzform Joule.
Die Einheit der Energie ist Joule.
[E] = 1 J

Die Kalorie ist eine alte Einheit der Energie. Im Alltag wird sie aber immer noch häufig verwendet.

So rechnet man Kalorien in Joule um:
Angabe in Kalorien mal 4,82 = Angabe in Joule

Da Arbeit dann verrichtet wird, wenn Energie umgewandelt wird, ist auch die Einheit der Arbeit 1 J.

Temperatur – ein Maß für die Wärme

Nehmen wir an, in einem Keller ist die Temperatur immer dieselbe. Wenn wir im Sommer in diesen Keller gehen, stellen wir fest, dass es im Keller kühl ist. Wenn wir aber im Winter in diesen Keller gehen, stellen wir fest, dass es im Keller warm ist. Warum ist das so?

Sonniger Tag links, Keller in der Mitte, Wintertag rechts
Menschen können nur den Wärmeunterschied feststellen, nicht aber die genaue Temperatur.

Celsius-Skala

In den Naturwissenschaften braucht man für alle Zustandsgrößen ein genaues Maß. Für den Wärmezustand eines Körpers oder eines Raums ist das die Temperatur. Früher wurden in den verschiedenen Ländern oft verschiedene Temperaturskalen verwendet. Heute wird in fast allen Ländern der Welt – auch in Österreich – im Alltag normalerweise die Celsius-Skala verwendet.

Bei der Celsius-Skala hat man zwei Temperaturwerte definiert, die man exakt messen kann: Den Schmelzpunkt und den Siedepunkt von Wasser (auf Meeresniveau bei normalem Luftdruck). Der Schmelzpunkt von Wasser ist mit 0 °C, der Siedepunkt von Wasser mit 100 °C festgelegt.

Fahrenheit-Skala

In den USA wird die Fahrenheit-Skala verwendet. Bei dieser Skala ist der Schmelzpunkt von Wasser bei 32 °F und der Siedepunkt von Wasser bei 212 °F.

Grad Celsius [°C] Grad Fahrenheit [°F]
-20 -4
-10 14
0 32
10 50
20 68
30 86
100212

Hier ist die Temperatur in Grad Celsius angegeben. Diese Temperaturwerte entsprechen wie viel Grad Fahrenheit? Dabei kannst du schätzen.

Celsius-Fahrenheit-Umrechner

Zum Umrechnen kann man sich also folgende Regel merken:

Grad Celsius = $$ (\textnormal{Grad Fahrenheit} $$ - 32) $$ \cdot \space 5/9 $$

Grad Fahrenheit = $$ (\textnormal{Grad Celsius} \cdot 9/5) + 32 $$

Kelvin-Skala

In der Physik wird die Kelvin-Skala (absolute Temperaturskala) verwendet. Bei der Kelvin-Skala gibt es keine Minusgrade, weil sie beim absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) beginnt. Das heißt, 0 K sind -273,15 °C. Man sagt nicht „Grad Kelvin“, sondern nur „Kelvin“.

Die Schmelztemperatur von Wasser ist auf der Kelvin-Skala bei 273,15 K.

Die Siedetemperatur des Wassers ist bei 373,15 K.

Die Umrechnung zwischen der Celsius-Skala und der Kelvin-Skala ist einfach. Man addiert zu den Celsiusgraden 273,15 dazu.

Temperaturskalen im Vergleich: Kelvin, Grad Celsius und Grad Fahrenheit. (Grad Fahrenheit wird fast nur noch in den USA offiziell verwendet.)
Temperaturskalen (mit gerundeten Werten)
1. Wärme ist eine Form von Energie
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