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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