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Physik · Wärmelehre
Die vier Hauptsätze: Gleichgewicht, Energieerhaltung, Richtung mit Entropie und Gibbs-Energie, Unerreichbarkeit von 0 K. Dazu Wärmetransport, Körperwärme und Oberflächen-Volumen-Verhältnis.
Null: gleiche Temperatur heißt Gleichgewicht. Eins: Energie bleibt erhalten. Zwei: Wärme fließt von selbst nur von warm nach kalt, die Entropie wächst. Drei: 0 K ist unerreichbar.
| Satz | Kern |
|---|
| Nullter | Gleiche Temperatur: thermisches Gleichgewicht |
| Erster | ΔU = Q + W, Energie geht nicht verloren |
| Zweiter | Wärme nur warm → kalt, Entropie nimmt zu |
| Dritter | 0 K nie in endlich vielen Schritten erreichbar |
Berühren sich zwei Körper, fließt Wärme, bis beide gleich warm sind. Dieses thermische Gleichgewicht ist der Kern: Ist A mit C im Gleichgewicht und B mit C, dann sind auch A und B im Gleichgewicht. Deshalb funktioniert ein Thermometer (C), und Temperatur ist messbar.
Auch im Gleichgewicht strahlt jeder Körper weiter ab. Er nimmt aber genauso viel Strahlung aus der gleich warmen Umgebung auf, deshalb bleibt seine Temperatur konstant.
| Art | Wie? | Beispiel |
|---|---|---|
| Wärmeleitung | Teilchen stoßen einander an, bleiben am Platz | Löffel im heißen Tee |
| Konvektion (Wärmeströmung) | strömendes Gas oder Flüssigkeit trägt Wärme mit | Heizkörper erwärmt Raumluft |
| Wärmestrahlung | elektromagnetische Wellen, auch im Vakuum | Sonne, Infrarot der Haut |
Leitung und Konvektion brauchen Materie, Strahlung nicht. Strahlung ist meist Infrarot: Heißere Körper strahlen stärker und mit kürzerer Wellenlänge. Im geheizten Zimmer steigt die erwärmte Luft auf, kältere sinkt nach: So entsteht die Strömung.
Durch eine Wand fließt mehr Wärme bei größerer Fläche und größerem Temperaturunterschied, aber weniger bei größerer Dicke.
Die Innere Energie steigt durch Wärme Q oder Arbeit W: ΔU = Q + W. Ein Perpetuum Mobile erster Art, das ohne Energiezufuhr Arbeit liefert, ist unmöglich. → Ausführlich in: Arbeit und Wärme
Die Enthalpie H = U + p·V zählt zur Inneren Energie den Term p·V dazu: die Arbeit, mit der sich das System gegen den Außendruck Platz verschafft hat. Einheit: Joule. → Ausführlich in: Exotherm endotherm
Der erste Satz sagt nicht, in welche Richtung ein Vorgang läuft. Der zweite schon: Wärme fließt von selbst netto nur von warm nach kalt. Energie wandert zwar in beide Richtungen, vom warmen zum kalten Körper aber mehr. Rückwärts geht es nur mit Arbeit, im Kühlschrank oder in der Wärmepumpe.
Ohne Aufräumen wird ein Kinderzimmer nur unordentlicher, nie von allein ordentlicher. So nimmt die Entropie S (Maß für Unordnung) in einem abgeschlossenen System bei jedem realen, irreversiblen Vorgang zu. Gase haben viel Entropie, Kristalle wenig: Verdampfen erhöht S, Gefrieren senkt sie.
Das System selbst darf Entropie verlieren, solange das Ganze zunimmt: ΔS(gesamt) = ΔS(System) + ΔS(Umgebung) ≥ 0. Gefrierendes Wasser wird geordneter, gibt aber Wärme ab. Die Umgebung wird wärmer, und ihre Entropie steigt mehr, als das Wasser verliert.
Aus dem zweiten Satz folgt: Keine Maschine wandelt Wärme vollständig in Arbeit. Ein Teil geht als Abwärme verloren. → Ausführlich in: Wärmekraftmaschinen
ΔG = ΔH − T · ΔSΔG < 0: freiwillig, ΔG = 0: Gleichgewicht
Die Gibbs-Energie verbindet Enthalpie und Entropie und sagt, ob ein chemischer oder biologischer Vorgang von selbst abläuft. Freiwillig heißt nicht schnell. → Ausführlich in: Exotherm endotherm
Der absolute Nullpunkt liegt bei 0 K = −273,15 °C. Der Satz hat zwei Teile:
| System | Energie | Materie |
|---|---|---|
| offen | ja | ja |
| geschlossen | ja | nein |
| abgeschlossen | nein | nein |
Der Mensch ist ein offenes System: Er tauscht Energie und Stoffe mit der Umgebung. Wie viel Wärme er abgibt, sagt:
ΔQ = α · A · ΔT · Δtα Übergangskoeffizient, A Fläche, Δt Zeit
Verdoppelst du Fläche, Temperaturdifferenz oder Zeit, verdoppelt sich die abgegebene Wärme. Wird ein Körper größer, wächst die Oberfläche quadratisch, das Volumen aber kubisch: Bei doppelter Größe hat er die vierfache Oberfläche, aber das achtfache Volumen.
Interaktive Darstellung
Deine AufgabeVerändere den Körpermaßstab und vergleiche Oberfläche, Volumen und Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Leite daraus ab, warum Babys schneller auskühlen als Erwachsene.
Kleine Körper haben mehr Oberfläche pro Volumen, geben relativ mehr Wärme ab und kühlen schneller aus. Darum frieren Babys schneller als Erwachsene, und Tiere kalter Regionen wie Eisbären sind eher groß.
Salzwasser verstärkt den Durst: Das Salz erhöht die Osmolarität in Darm und Blut, und Wasser strömt aus den Zellen nach. → Ausführlich in: Osmotischer Druck
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeWelches der vier Bilder verbietet, dass ein kalter Löffel von selbst eine heiße Suppe weiter erwärmt?
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
