Thermische Energie

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Teilchenbewegung in einem Teilchengas mit Wechselwirkung

Thermische Energie (auch Wärmeenergie) ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Sie ist eine extensive Größe und ist Teil der inneren Energie. Die thermische Energie wird im SI-Einheitensystem in Joule (Einheitenzeichen: J) gemessen.

Die thermische Energie Eth eines Stoffes ist definiert als

E_{th} := m\int_0^{T_1} c(T)\,\mathrm dT

mit

Eine Wärmezufuhr steigert die mittlere kinetische Energie der Moleküle und damit die thermische Energie, eine Wärmeabfuhr verringert sie. Thermische Energie ist also kinetische Energie, aber mit dem Merkmal der ungeordneten Bewegung vieler Körper. In Festkörpern entspricht diese Bewegung Gitterschwingungen und Phonon, in Flüssigkeiten Schwingungen, Rotationen und eingeschränkte Bewegungen und in Gasen Schwingungen, Rotationen und freie Bewegungen. Diese Bewegungen existieren auch für Adsorbate auf Oberflächen, wo man von 2D-Gasen und 2D-Flüssigkeiten spricht. Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie bei variabler Probentemperatur können diese Bewegungen auf molekularer Skala auf Oberflächen sichtbargemacht werden, wobei deutlich wird, dass z. B. der Anteil der rotierenden Teilchen mit der Temperatur steigt.[1]

Ist die kinetische Energie aller Moleküle eines Stoffes gleich Null, so ist, da m und c stets größer als Null sind, seine Temperatur am absoluten Nullpunkt. Die Kelvin-Temperaturskala verwendet diesen als Bezugspunkt.

Kommen zwei Systeme mit unterschiedlichen Temperaturen zusammen, so gleichen sich ihre Temperaturen durch Wärmeaustausch an. Dabei geht jedoch ohne zusätzliche Hilfe niemals thermische Energie vom System niedrigerer Temperatur in das System höherer Temperatur über. Diese Erfahrungstatsache ist im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ausgedrückt. Die Angleichung erfolgt so lange, bis keine Temperaturdifferenz zwischen den Systemen mehr auftritt und sich die Systeme demnach in einem thermischen Gleichgewicht befinden. Dieser Vorgang wird Wärmeübertragung genannt.

Zusammenhang mit der Temperatur

Umgangssprachlich wird die thermische Energie etwas ungenau als „Wärme“ oder „Wärmeenergie“ bezeichnet oder auch mit der Temperatur verwechselt.

Tatsächlich ist für ein einzelnes freies Teilchen die thermische Energie proportional zur Temperatur, so lange kein neuer Freiheitsgrad hinzukommt:

E_{th} = \frac{f}{2} \cdot k_B \cdot T

mit der Boltzmann-Konstante k_B und der Anzahl der Freiheitsgrade f.

Im Allgemeinen ist aber auch die spezifische Wärmekapazität eine Funktion der Temperatur:

c =c(T),

sodass die thermische Energie nicht in einfacher proportionaler Weise von der Temperatur abhängt:

\Rightarrow E_{th} \propto\!\!\!\!\!\!/ \;\; T.

Bei einem Phasenübergang kann sich sogar die thermische Energie eines Körpers ändern, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt. Ein Beispiel, das die Zusammenhänge zwischen Wärme und Temperatur verdeutlicht, ist ein Schmelzvorgang. Hat Eis eine Temperatur von 0 °C, muss, um es zu schmelzen, seine thermische Energie erhöht werden. Dazu muss Wärme zugeführt werden. Die Temperatur steigt während des Schmelzvorganges jedoch nicht an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird (Schmelzwärme).

Die manchmal so bezeichnete „Druckenergie“ ist nichts anderes als thermische Energie. Gasmoleküle, die in einem Gefäß eingeschlossen sind, stoßen wegen ihrer thermischen Bewegung gegen die Wände. Dadurch wird bei jedem Stoß Impuls übertragen, der als Druck gemessen werden kann.

Neutronenphysik

Eine andere Wortbedeutung hat thermische Energie im Zusammenhang mit freien Neutronen oder anderen Teilchen. In diesen Fällen ist diejenige kinetische Energie des Einzelteilchens gemeint, die der Temperatur des umgebenden Stoffes entspricht (siehe auch: Thermisch).

Einzelnachweise

  1.  Thomas Waldmann, Jens Klein, Harry E. Hoster, R. Jürgen Behm: Stabilization of Large Adsorbates by Rotational Entropy: A Time-Resolved Variable-Temperature STM Study. In: ChemPhysChem. 14, Nr. 1, 2013, S. 162–169, doi:10.1002/cphc.201200531.