Das Wärme-Labor
Energie, Temperatur, Wärme und Aggregatzustände. Nicht auswendig lernen, sondern ausprobieren: heizen, kühlen, mischen und den Teilchen dabei zuschauen.
Ein Eisblock, eine Wärmequelle, 63 Teilchen
1 kg Eis bei −30 °C. Du bestimmst, ob Energie hineinfließt oder heraus. Schau gleichzeitig auf die Teilchen, das Thermometer und die Kurve unten.
- Kelvin
- 243 K
- Wärme Q
- 0 kJ zugeführt
- Zustand
- fest
Eis wird wärmer
Temperatur über zugeführter Wärme
Die waagerechten Stücke sind der Clou: Dort fließt Energie hinein, aber die Temperatur steigt nicht. Schalt auf „Echter Maßstab“ und sieh, wie viel Energie das Sieden wirklich braucht.
Deep DiveWarum bleibt die Temperatur beim Schmelzen gleich?+
Temperatur misst, wie schnell sich die Teilchen im Durchschnitt bewegen. Beim Schmelzen geht die Energie aber nicht in mehr Tempo, sondern in das Lösen der Bindungen zwischen den Teilchen. Die Teilchen werden freier, nicht schneller.
Erst wenn alle Bindungen im Gitter gelöst sind, kann die zugeführte Energie die Teilchen wieder schneller machen. Dann steigt die Temperatur weiter. Beim Sieden passiert dasselbe, nur müssen sich die Teilchen dort komplett voneinander losreißen.
Umgekehrt beim Abkühlen: Beim Erstarren und Kondensieren wird genau diese Energie wieder frei. Deshalb bleibt gefrierendes Wasser bei 0 °C, bis alles Eis ist.
Deep DiveDie Zahlen hinter der Kurve+
Die Simulation rechnet mit echten Werten für 1 kg Wasser:
| Abschnitt | Rechnung | Energie |
|---|---|---|
| Eis −30 → 0 °C | 2,1 · 1 · 30 | 63 kJ |
| Schmelzen | 334 · 1 | 334 kJ |
| Wasser 0 → 100 °C | 4,19 · 1 · 100 | 419 kJ |
| Sieden | 2257 · 1 | 2257 kJ |
| Dampf 100 → 150 °C | 2,0 · 1 · 50 | 100 kJ |
Für die Erwärmungs-Abschnitte gilt
Q ist die Wärme, c die spezifische Wärmekapazität, m die Masse und ΔT die Temperaturänderung. Siehe Lexikon.
Deep DiveWo das Modell vereinfacht+
Echte Wasserteilchen sind Moleküle (H₂O), keine Kugeln. Im Eis sitzen sie in einem Sechseck-Gitter mit viel Luft dazwischen. Darum ist Eis leichter als Wasser und schwimmt. Wasser hat bei 4 °C seine größte Dichte, das nennt man die Anomalie des Wassers.
Echter Wasserdampf ist unsichtbar. Die weiße Wolke über dem Kochtopf besteht schon wieder aus winzigen Tröpfchen, also aus kondensiertem Wasser.
Und in 1 kg Wasser stecken nicht 63, sondern etwa 33 Quadrillionen Teilchen (3,3 · 10²⁵).
Heißer heißt nicht mehr Wärme
Temperatur sagt, wie schnell die Teilchen zappeln. Die thermische Energie hängt auch davon ab, wie viele Teilchen zappeln. Vergleiche, wie viel Wärme jedes Ding abgibt, bis es auf Zimmertemperatur (20 °C) abgekühlt ist.
Deep DiveTemperatur, thermische Energie, Wärme: drei verschiedene Dinge+
Temperatur ist ein Durchschnittswert: wie heftig sich ein einzelnes Teilchen im Mittel bewegt. Sie hängt nicht davon ab, wie groß der Körper ist.
Thermische Energie (oft auch Wärmeenergie oder innere Energie genannt) ist die Summe der Bewegungsenergie aller Teilchen. Viel Wasser mit 38 °C hat davon viel mehr als wenig Tee mit 90 °C.
Wärme ist die Energie, die von einem Körper auf einen anderen übergeht, weil sie verschieden warm sind. Ein Vergleich: Der See enthält Wasser (thermische Energie), der Regen ist das Wasser, das gerade fließt (Wärme).
Darum verbrennt dich ein Wunderkerzen-Funke mit 1000 °C nicht: Er ist zwar extrem heiß, enthält aber fast keine Energie, die er an deine Haut abgeben könnte.
Kaltes und heißes Wasser mischen
Wärme fließt immer vom Wärmeren zum Kälteren, bis beide gleich warm sind. Stell zwei Becher ein, schätze die Mischtemperatur und gieß zusammen.
Deep DiveDie Mischungsregel ausrechnen+
Die Wärme, die das heiße Wasser abgibt, nimmt das kalte Wasser auf. Es geht keine Energie verloren (Energieerhaltung):
c · mB · (TB − TM) = c · mA · (TM − TA)
Weil beide Wasser sind, kürzt sich c heraus. Umgestellt nach der Mischtemperatur:
Das ist ein gewichteter Durchschnitt: Die größere Wassermenge zieht die Mischtemperatur stärker zu sich hin. Diese Regel heißt nach dem Physiker Georg Wilhelm Richmann auch Richmannsche Mischungsregel.
In echt stimmt sie nicht ganz: Becher und Luft nehmen auch etwas Wärme auf.
Sechs Wege zwischen fest, flüssig und gasförmig
Tippe auf einen Pfeil. Warme Pfeile brauchen Energie, kalte Pfeile geben Energie ab.
Die wichtigsten Begriffe
Jeder Begriff mit einem Merksatz. Wer mehr wissen will, klappt den Deep Dive auf.
Spickzettel für morgen
Das Wichtigste in acht Sätzen.
Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden. Sie wird nur von einer Form in eine andere umgewandelt. Einheit: Joule (J).
Alle Stoffe bestehen aus Teilchen, die sich ständig bewegen.
Die Temperatur gibt an, wie schnell sich die Teilchen im Mittel bewegen. T in K = ϑ in °C + 273,15.
Thermische Energie ist die Bewegungsenergie aller Teilchen eines Körpers. Sie hängt von Temperatur, Masse und Stoff ab.
Wärme Q ist Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds übertragen wird. Sie fließt von selbst nur von warm nach kalt.
Zum Erwärmen braucht man Q = c · m · ΔT. Für Wasser ist c = 4,19 kJ/(kg·K).
Schmelzen, Verdampfen, Sublimieren brauchen Energie. Erstarren, Kondensieren, Resublimieren geben Energie ab.
Während sich der Aggregatzustand ändert, bleibt die Temperatur gleich. Die Energie löst die Teilchen voneinander.
Bist du bereit?
Zehn Fragen. Nach jeder Antwort gibt es die Erklärung.