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Physik · Wärmelehre
Wärme und Arbeit sind die zwei Wege, die Innere Energie zu ändern: Vorzeichen in ΔU = Q + W, Volumenarbeit und die vier Zustandsänderungen isochor, isobar, isotherm und adiabatisch.
Energie gelangt auf zwei Wegen in ein System: als Wärme Q (wegen eines Temperaturunterschieds) oder als Arbeit W (durch eine Kraft). Beide ändern die Innere Energie: ΔU = Q + W.
Wärme und Arbeit sind Prozessgrößen: Ein System tauscht sie aus, besitzt sie aber nicht. → Ausführlich in: Innere Energie
| Merkmal | Wärme Q | Arbeit W |
|---|---|---|
| Antrieb | Temperaturunterschied | Kraft |
| Teilchen | ungeordnete Stöße | geordnete Bewegung |
ΔU = Q + WW ist die am System verrichtete Arbeit
Was ins System hineingeht, zählt positiv, was es verlässt, negativ:
Nimmt ein Gas 100 J Wärme auf und leistet 40 J Arbeit nach außen, ist ΔU = 100 J − 40 J = +60 J.
Ein Gas verrichtet Volumenarbeit, wenn es sich gegen einen Druck ausdehnt, und nimmt sie auf, wenn du es zusammendrückst. Bei konstantem Druck gilt:
W = −p · ΔVAusdehnung (ΔV > 0) gibt W < 0
Ohne Volumenänderung gibt es keine Volumenarbeit. Wie Q hängt auch W vom Weg ab, nur ΔU nicht. Nimmt bei einer Reaktion die Zahl der Gasteilchen zu, leistet das System Volumenarbeit an der Umgebung. → Ausführlich in: Exotherm endotherm
| Prozess | Was gilt | Folge |
|---|---|---|
| isochor | V konstant | W = 0, ΔU = Q |
| isobar | p konstant | W = −p·ΔV |
| isotherm | T konstant | ideales Gas: ΔU = 0, Q = −W |
| adiabatisch | kein Wärmeaustausch | Q = 0, ΔU = W |
Beim schnellen Aufpumpen eines Fahrradreifens bleibt keine Zeit für Wärmeaustausch (Q = 0). Die Arbeit erhöht U, die Luft wird wärmer. Dehnt sich ein Gas adiabatisch aus (W < 0), kühlt es ab.
Ein Kreisprozess führt zum Ausgangszustand zurück. Weil U eine Zustandsgröße ist, gilt ΔU = 0: Q und W heben sich auf.
Interaktives Energiemodell
Deine AufgabeStelle Q = 0 und W = +30 J ein (schnelles Aufpumpen): Steigt oder sinkt die Temperatur? Was passiert bei W = −30 J?
