Wärme ist eine Form von Energie

Wenn wir uns „energielos“ fühlen, meinen wir häufig matt und schlapp zu sein. 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 treiben, verbraucht unsere Energie. Kurz gesagt: Zum Arbeiten benötigen wir Energie.

Was das bedeutet, zeigt diese Tretrollerfahrt. Schaffst du es das Wiesel den Berg hinauf zu bewegen? Tipp: Füttere das Wiesel bevor ihm die Energie ausgeht!

Man siehst, dass die Energie, die das Wiesel beim Bergauffahren aufwendet an der Bergspitze dazu verwendet werden kann, dass das Wiesel mit dem Tretroller ohne Energieaufwand hinunterfahren kann. Am Berg oben ist die aufgewendete Energie nicht verschwunden, sie steckt in der Arbeit, die es ermöglicht, dass das Wiesel mit dem Tretroller ohne Energieaufwand zu Tal rollt. Da sich 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, den Atomen und Molekülen. Man nennt diese Energie „chemische Energie“.

Mit dem Essen nimmt man diese chemische Energie auf. Im menschlichen Körper wird diese Energieform so umgesetzt, dass etwa die Muskeln die Beine in Bewegung setzen können, um mit dem Tretroller den Berg hinauffahren zu können. Es wurde die chemische Energie der Nahrungsmittel in die Bewegungsenergie der Beine und weiters in das „System“ Wiesel plus Tretroller umgesetzt. Wenn das Wiesel mit dem Tretroller oben angekommen ist, dann steckt die Ruheenergie im System Tretroller mit Wiesel.

Jetzt ist auch klar, warum wir essen müssen. Damit der Körper Arbeit verrichten kann, verbraucht er ständig die gespeicherte chemische Energie. Diese Energie geht zwar nicht verloren, denn sie steckt in der Bewegungsenergie oder in der potentiellen Energie oder in der Erwärmung der Muskeln und Organe oder hat dazu geführt, dass Arbeit verrichtet werden kann.

Energie geht nicht verloren – Energie wird immer nur umgewandelt.

In der Physik nennt man

  • Ruheenergie = potentielle Energie
  • Bewegungsenergie = kinetische Energie

Auch Wärme ist Energie

Eine Läuferin schwitzt
Ein Teil der Bewegungsenergie geht in Wärme über.
Meteor, der in der Erdatmosphäre verglüht
Die Bewegungsenergie des Meteoriten geht in Wärme über.
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. Da der Elektromotor auch warm wird, entsteht auch Wärmeenergie.

Nach dem Teilchenmodell ist Wärme eine Folge der Bewegung der Teilchen. Je heftiger sich die Teilchen bewegen, desto höher ist die Temperatur des Körpers. Der 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 wird beim Hinunterfallen eine größere Delle machen?

Erkenntnis: Ein Körper besitzt, wenn er ruhig liegt, potentielle Energie. Diese ist umso größer, je mehr Gewicht der Körper hat 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

Eine alte, aber im Alltag noch häufig verwendete Energieeinheit, ist die Kalorie. Kalorien lassen sich leicht in Joule umrechnen. Wenn man die Kalorienangabe mit 4,82 multiplizierst, dann erhält man die Energie in Joule angegeben.

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

Temperatur – ein Maß für die Wärme

Gehen wir im Sommer in den Keller, dann stellen wir fest, dass es im Keller kühl ist. Im Winter jedoch fühlt es sich im Keller, obwohl er vielleicht gleiche Temperatur hat, wärmer an.

Sonniger Tag links, Keller in der Mitte, Wintertag rechts
Elektrische Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt. Da der Elektromotor auch warm wird, entsteht auch Wärmeenergie.

Menschen können nur Wärmeunterschiede feststellen, aber nicht die genaue Temperatur fühlen.

Celsius-Skala

In den Naturwissenschaften braucht man für alle Zustandsgrößen ein genaues Maß. Für den Wärmezustand eines Körpers oder eines Raumes ist das die Temperatur. Im Laufe der Zeit wurden mehrere Temperaturskalen definiert. Die für uns in Europa im Alltag gebräuchlichste ist die Celsius-Skala.

Bei dieser Skala hat man zwei exakt zu messende Temperaturwerte definiert: Den Schmelzpunkt und den Siedepunkt von Wasser und zwar auf Meeresniveau und bei normalem Luftdruck. Der Schmelzpunkt des Wasser ist bei dieser Skala mit 0 °C und jener des Siedens bei 100 °C festgelegt.

Fahrenheit-Skala

In den USA bedient man sich der Fahrenheit-Skala. Bei dieser Skala ist die Schmelztemperatur von Wasser bei 32 °F und das Wasser siedet bei 212 °F.

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

Schätze folgende Temperaturwerte auf der Fahrenheit-Skala!

Celsius-Fahrenheit-Rechner

Zum Umrechnen kann man sich also folgende Regel merken:

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

Kelvin-Skala

In der Physik verwendet man die absolute Temperaturskala, die auch Kelvin-Skala genannt wird. Diese kennt keine Minusgrade, da sie beim Absoluten Nullpunkt, der bei -273,15 °C liegt, beginnt. 0 K sind also -273,15 °C. Beachte, 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)
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