Wärmekapazität
Warum erwärmen sich Stoffe unterschiedlich schnell und warum ist Wasser hier ein Spezialfall? Der Grund dafür liegt im Zusammenwirken von Wärme und Energie. Dieses Zusammenwirken ist Grundlage vieler interessanter physikalischer Phänomene.
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Wärme wird unterschiedlich aufgenommen
Wenn man verschiedenen Körpern die gleiche Menge Wärme zuführt, erhitzen sich diese Körper nicht gleich stark. Zum Beispiel wird der Sandstrand im Sommer sehr heiß, das Meerwasser aber wird nicht so heiß. Andererseits kühlt der Sandstrand in der Nacht sehr schnell ab, das Meerwasser dagegen kühlt viel langsamer ab. Der Grund dafür ist, 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.
Die Angabe der spezifischen Wärmekapazität dient dazu, verschiedene Stoffe miteinander vergleichen zu können.
Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffs gibt jene Energiemenge an, die man benötigt, um
$$ c = \frac{1\,J}{kg \cdot K} $$
Welcher Stoff braucht am meisten Energie, um sich zu erwärmen?
Ein Körper mit großer spezifischer Wärmekapazität braucht länger, um sich aufzuheizen als ein Körper mit kleinerer spezifischer Wärmekapazität. Ein Körper mit kleinerer spezifischer Wärmekapazität kühlt 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 große spezifische Wärmekapazität. Deshalb dauert es sehr lang, bis das Meer oder ein See warm (bzw. kalt) wird. Das ist für das örtliche Klima sehr wichtig.
Ozeanisches und kontinentales Klima
Welches Temperaturdiagramm gehört zu welchem Ort? Ziehe den Knauf auf den richtigen Ort!
Wien ist weit vom Meer entfernt. Deshalb beträgt der Temperaturunterschied zwischen Winter und Sommer in Wien
Auch für Pflanzen und Tiere im Meer, in einem See und in einem Fluss ist die große spezifische Wärmekapazität von Wasser sehr wichtig. So haben sie genügend Zeit, sich auf Temperaturveränderungen einzustellen.
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 Stoffs 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 Experiment überprüft werden.
Angenommen man möchte Wasser erwärmen. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser (Energie, um 1 kg Wasser um 1 K zu erwärmen) ist $$4190 \frac{J}{kg \cdot K}$$.
-
Um
3 kg Wasser um1 K zu erwärmen, benötigt man$$ 3 \cdot 4190 $$ Joule (3-fache Menge). -
Um
1 kg Wasser um4 K zu erwärmen, benötigt man$$ 4 \cdot 4190 $$ Joule (4-fache Menge).
Daraus kann man die allgemeine Formel zur Berechnung der Wärmeenergie ableiten.
of heat Wärme-
energie Q = mass Masse m ∙ specific heat
capacity spezifische
Wärmekapazität c ∙ difference in
temperature Temperatur-
differenz Δt
Campingausflug
Jonas macht einen Ausflug ans Mittelmeer.
An einem Abend möchte er mit seinem Campingkocher Nudeln kochen.
Nun möchte er wissen, ob die Kartusche dafür ausreicht.
Eine Freundin, die Physikerin ist, sagt, dass seine Kartusche
$$ m = \frac{Q}{c \cdot \Delta t} $$
$$ m = \frac{1\,000\,000}{4190 \cdot 80}\,kg$$
$$ m = 2{,}98\,kg $$
Jonas kann mit dieser Kartusche fast