Wärmekapazität

Anhand des Zusammenspiels von Wärme und Energie lassen sich viele Phänomene beschreiben. Beispielsweise warum unterschiedliche Stoffe unterschiedlich schnell heiß werden oder welche Besonderheit Wasser aufweist.

Arbeitsmittel

Wärme wird unterschiedlich aufgenommen

Führt man verschiedenen Körpern Wärme zu, dann erhitzen sich diese nicht im gleichen Ausmaß. So wird etwa im Sommer der Sandstrand sehr heiß, das Meerwasser jedoch viel weniger. Andererseits kühlt der Sandstrand in der Nacht sehr schnell ab, während das Wasser die Temperatur nur sehr langsam verändert. Der Grund liegt darin, dass die Moleküle, aus denen Stoffe aufgebaut sind, unterschiedlich viel Wärme aufnehmen können. Die Wärmeenergie, die man benötigt, um einen Stoff zu erwärmen, nennt man Wärmekapazität.

Damit man einen Vergleich anstellen kann, gibt man die sogenannte spezifische Wärmekapazität an.

Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes gibt jene Energiemenge an, die man benötigt, um 1 kg des Stoffes um 1 K zu erwärmen.
$$ c = \frac{1\,J}{kg \cdot K} $$

Welcher Stoff braucht am meisten Energie, um sich zu erwärmen?

Ein Körper mit hoher spezifischer Wärmekapazität braucht länger, um sich aufzuheizen als einer mit kleinerer spezifischer Wärme. Umgekehrt kühlt ein Körper mit geringerer spezifischer Wärmekapazität auch schneller aus.

Die Bedeutung der großen Wärmekapazität von Wasser

Flüssigkeit spezifische Wärmekapazität [$$\frac{J}{kg \cdot K}$$]
Äthylalkohol 1926
Benzin 2020
Diesel 1926
Essigsäure 2050
Olivenöl 1970
Wasser 4190

Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität. Wegen dieser hohen spezifischen Wärmekapazität braucht das Wasser von Seen und vom Meer wesentlich länger, um warm zu werden, aber auch länger um auszukühlen. Das ist für das örtliche Klima sehr wichtig.

Ozeanisches und kontinentales Klima

Welches Temperaturdiagramm gehört zu welchem Ort? Ziehe den Knauf am Klimadiagramm auf den zugehörigen Ort!

Die Stadt Wien liegt weit von den Meeren und Ozeanen entfernt und man sieht, dass die Temperaturextremwerte weit auseinanderliegen (Temperaturunterschied zwischen Winter und Sommer beträgt 21 °C). Die Stadt Dublin liegt am Meer, hier beträgt der Temperaturunterschied zwischen tiefster und höchster Temperatur nur 10 °C.

Auch für die Pflanzen- und Tierwelt in Seen, Flüssen und Meeren ist diese hohe spezifische Wärmekapazität von Vorteil, weil die Temperaturänderungen im Wasser nicht so schnell vor sich gehen.

Wärmemenge berechnen

In der Physik geht es oft darum Vorhersagen zu treffen. Man möchte zum Beispiel wissen, wie viel Energie benötigt wird, um eine gewisse Menge eines Stoffes um eine gewisse Temperatur zu erwärmen. Dafür ist es notwendig eine Formel (physikalisches Modell) zu finden, um damit Berechnungen machen zu können. Das Modell kann dann im Anschluss im Experiment überprüft werden.

Angenommen man will Wasser erwärmen. Aus der Tabelle oben wissen wir, dass die spezifische Wärmekapazität von Wasser (Energie, um 1 kg Wasser um 1 K zu erwärmen) $$4190 \frac{J}{kg \cdot K}$$ ist.

  • Wenn man 3 kg Wasser um 1 K erwärmen möchte, dann benötigt man die 3-fache Menge, also $$ 3 \cdot 4190 $$ Joule.
  • Will man 1 kg Wasser um 4 K erwärmen, dann braucht man die 4-fache Menge, also $$ 4 \cdot 4190 $$ Joule.

Daraus kann man die allgemeine Formel zur Berechnung der Wärme, die man für die Erwärmung eines Körpers benötigt, ableiten:

Quantity
of heat
Wärme-
energie
Q
= mass Masse m specific heat
capacity
spezifische
Wärme
c
difference in
temperature
Temperatur-
differenz
Δt

Campingausflug

Eine befreundete Physikerin hat Jonas ihren Campingkocher für seinen Ausflug ans Mittelmeer geliehen. Sie sagt eine Kartusche liefert eine Million Joule an Wärmeenergie. Wie viele Liter Wasser kann Jonas damit von 20 °C auf 100 °C erwärmen?

$$ Q = m \cdot c \cdot \Delta t \qquad \big| \textnormal{ dividiert durch } (c \cdot \Delta t) $$

$$ m = \frac{Q}{c \cdot \Delta t} $$

$$ m = \frac{1\,000\,000}{4190 \cdot 80}\,kg$$

$$ m = 2{,}98\,kg $$

Jonas kann also knapp 3 l Wasser erwärmen – perfekt um Glasnudeln zu kochen.

2. Wärmekapazität
Auszeichnung: besonders gute Seite Auszeichnung: besonders interessant Auszeichnung: besonders lustig Auszeichnung: sehr gut für den Unterricht geeignet Auszeichnung: verbindet den Inhalt gut mit der wirklichen Welt Auszeichnung: komplizierter Inhalt einfach zu verstehen

Wärmekapazität

Seite bewerten
Info
Inhalt
Daten werden geladen...
Digitalisierung
Illustration
Mithilfe
Letzte Änderung
11.08.2022
Quellen
1.1.5.a
Meine Lösung prüfen
später
Tipp 1
Tipp 2
Lösung
Unfertig abgeben
Ok
erledigt
Juhu!
Du hast alle Aufgaben abgeschlossen.
Deine Ergebnis:
Genug für heute
leider falsch
Oje!
Das ist leider nicht ganz richtig.
Noch einmal versuchen
richtig
Bravo!
Deine Lösung ist richtig.
Nächste Aufgabe