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Orientierung

  Allgemeines zur Energie

Thermodynamische Systeme 

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Wärme und Temperatur

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Alle Teilchen, seien es Atome, Moleküle oder Ionen, bewegen sich ständig in ungeordneter Weise (kinetische Energie). Manche Teilchen etwas  schneller, manche etwas langsamer. Diese Bewegungen können nur zustande kommen, wenn man annimmt, dass die Teilchen dafür eine Energie besitzen. Die Temperatur (Symbol: T) ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen. Es handelt sich dabei um einen Zustand der Teilchen.

Stellen wir uns vor, dass solche Teilchen (z.B. Teilchen in der Luft) auf unseren Körper prallen. Prallen diese Teilchen mit einer hohen Geschwindigkeit auf unsere Haut, so empfinden wir das als Wärme. Und zwar deshalb, weil diese Energie auf unseren Körper übertragen wird. Die Teilchen mit einer größeren kinetischen Energie übertragen nämlich die Energie auf unseren Körper. Es findet ein Energieaustausch statt. Diese Energieübertragung bezeichnet man als Wärme (Symbol: Q).

Während die Temperatur einen Zustand der Teilchengeschwindigkeit beschreibt, bei der die Teilchen chaotisch sich in alle Richtungen bewegen, sozusagen "zittern" oder "vibrieren", ist Wärme der Vorgang des Energieaustausches zwischen den Stoffen mit unterschiedlicher Temperatur.

Energiearten und deren Umwandlungen

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Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten.

Übersicht:

  • Thermische Energie
  • Mechanische Energie
    • Potentielle Energie
    • Kinetische Energie
    • Schallenergie
  • Elektrische Energie
  • Lichtenergie
  • Chemische Energie
Uns interessiert hier natürlich besonders die chemische Energie.
 
Man könnte meinen, dass eine Temperaturänderung bei einer chemischen Reaktion etwas mit der Änderung der Teilchengeschwindigkeit zu tun hätte. Die eigentliche Ursache ist jedoch etwas vielschichtiger:
Damit neue Stoffe entstehen können, müssen Bindungen gespalten werden und neue Bindungen geknüpft werden. Für die Spaltung von Bindungen muss Energie aufgewendet werden, die Bildung von Bindungen hingegen liefert Energie. Je nach Bindungsstärke ist die Bilanz unterschiedlich. Werden schwache Bindungen gespalten und festere Bindungen gebildet, so verläuft die Reaktion exotherm. Die entstandene Energie führt zu einer höheren Teilchengeschwindigkeit der Reaktionsprodukte. Diese Teilchen geben der Umgebung diese Energie ab, bis die Ausgangstemperatur wieder erreicht ist. Bei endothermen Reaktionen wird hingegen Energie aus der Umgebung zugeführt.

 

Umwandlungen

 

Apparatur zum Nachweis der Äquivalenz von mechanischer Arbeit und WärmeJOULE befasste sich ab 1843 mit der Umwandlung von mechanischer Arbeit in Wärme. In einem isolierten Gefäß mit Wasser wurde durch einen Rührer, der durch ein fallendes Gewicht angetrieben wurde, das Wasser infolge der Reibungsarbeit erwärmt.

Nach JOULE ist die heutige abgeleitete SI-Einheit der Größen Energie, Arbeit und Wärmemenge benannt.

1 kJ =

  • Heben einer Masse von 5 kg auf 20,4 m
  • Erhitzen von 100 ml Wasser auf eine Temperaturerhöhung von 2,4 °C bzw. 2,4 K
  • Leuchten einer 40W Glühbirne für 25 s
  • usw.

 

Heute erscheint uns in unserem Alltag die Umwandlung von Energie als nichts Außergewöhnliches: Ob es die Umwandlung von kinetische Energie in elektrische Energie mit Hilfe eines Fahrraddynamos oder die Umwandlung von chemische Energie in elektrische Energie bei einer Batterie ist.


Prinzipiell lassen sich alle Energiearten in andere umwandeln, so auch die chemische Energie.

Beispiele:

Umwandlung in ...

  • potentielle Energie (Beispiele: Osmose, Verdunstung)
  • kinetische Energie (Beispiele: Muskel, Dampfmaschine)
  • Schallenergie (Explosion)
  • elektrische Energie (Beispiele: galvanische Elemente, Brennstoffzelle)
  • Lichtenergie (Beispiele: Kerze, Glühwürmchen)
  • thermische Energie (exotherme Reaktionen)

Umgekehrt können auch andere Energiearten in chemische Energie umgewandelt werden (Beispiele: Anzünden eines Streichholzes, Laden eines Akkumulators, Fotosynthese).

Allen Beispielen ist gemeinsam, dass nutzbare Energiearten erst durch Energieumwandlungen entstehen.

 

Wirkungsgrad

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Energie kann immer nur unvollständig in eine andere Energieart umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Vollständigkeit der Energieumwandlung in die gewünschte Energieart. Ein Wirkungsgrad von 100% würde bedeuten, dass die zugeführte Energie vollständig in genutzte Energie umgewandelt wird. Immerhin: Generatoren, Elektromotoren und eine Trockenbatterie liefern einen Wirkungsgrad von über 90%. Der Ottomotor besitzt einen Wirkungsgrad von 25%, eine Glühbirne 5%. Die Glühbirnen setzen also zu 5% die elektrische Energie in Lichtenergie um, 95% hingegen werden in Wärmeenergie umgewandelt. Aus diesem Grunde werden derzeit die Glühbirnen durch "Energiesparlampen" zunehmend ersetzt.

Wärmekapazität

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sch-exp-kapazit-kleinFührt man Wasser und einem gleichen Volumen Paraffinöl Wärme durch Erhitzen mit einem Teelicht zu, so kann man zwei Beobachtungen machen:

  1. Die Temperaturen steigen linear. 
  2. Die Temperatur des Öls steigt ungefär doppelt so schnell.
  3. Im Laufe des Versuchs nimmt die Wärmeabgabe von den Flüssigkeiten an die Umgebung zu. Ab einem bestimmten Zeitpunkt ist die zugeführte Wärmeenergie genauso hoch wie die an die Umgebung abgegebene Wärmeenergie - die Temperatur der Flüssigkeiten verändert sich nicht mehr.

Den linearen Zusammenhang aus Beobachtung (1) kann man mathematisch folgendermaßen ausdrücken:

ΔQ = C · ΔT

C ist der Faktor, der beschreibt, welche Wärmemenge für den Anstieg der Temperatur eines Stoffes um 1 Kelvin benötigt wird. Dieser Faktor wird als Wärmekapazität C bezeichnet. Trägt man in einem Diagramm Q gegen T auf, so erhält man eine Gerade mit der Steigung C.

Der Temperaturanstieg würde bei Verwendung des doppelten Volumens (doppelte Masse) bei Zufuhr der gleichen Wärmemenge halb so groß sein. Die Wärmekapazität eines Stoffes ist also von der Masse des Stoffes, also von der Stoffmenge abhängig (extensive Größe). Das ist ein Nachteil, da sich so verschiedene Materialien nicht unmittelbar miteinander vergleichen lassen. Deshalb führte man die spezifische Wärmekapazität ein:

C = cp · m

ΔQ = cp · m · ΔT

Der Faktor cp ist stoffspezifisch und wird als spezifische Wärmekapazität eines Stoffes bezeichnet. Dieser Wert ist unabhängig von der Stoffmenge (intensive Größe). Die jeweiligen Werte können in entsprechenden Tabellen nachgeschlagen werden. Allerdings ist die spezifische Wärmekapazität von äußeren Bedingungen abhängig. Deshalb unterscheidet man spezifische Wärmekapazitäten bei konstantem Druck von spezifischen Wärmekapazitäten vei konstantem Volumen.

Die spezifische Wärmekapazität gibt also an, wie viel Wärme (kJ) notwendig ist, um 1 kg des betrachteten Stoffes um 1 K zu erwärmen. Man kann die spezifische Wärmekapazität auch als Maß für das Wärme-Speichervermögen des betrachteten Stoffes auffassen.

Die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser (ca. 4 kJ/kg · K) ist von besonderer Bedeutung für die Natur (Klima, milde Winter in Küstenregionen) und für die Technik (z.B. Warmwasserheizungen).

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