Temperatur und Wärme sind nicht zwei Namen für dieselbe physikalische Größe.
Temperatur T ist eine Zustandsgröße. Sie kann einem System zu einem gegebenen Zeitpunkt zugeordnet werden. Wärme Q ist dagegen keine im System gespeicherte Substanz, sondern eine Form des Energieaustauschs über die Systemgrenze.
Zustandsgröße; SI-Einheit Kelvin. Sie charakterisiert den thermischen Zustand.
Prozessgröße; SI-Einheit Joule. Sie beschreibt übertragene Energie.
Sie bestimmt die Richtung spontanen Wärmeflusses zwischen thermisch gekoppelten Systemen.
Temperatur ist makroskopisch — und hat eine mikroskopische Bedeutung.
In einem idealen Gas hängt die Temperatur mit der mittleren ungeordneten kinetischen Energie der Teilchen zusammen. Sie misst aber nicht die gesamte Energie eines Luftpakets und erst recht nicht eine darin „enthaltene Wärmemenge“.
Zwei Luftmassen können dieselbe Temperatur besitzen und dennoch verschieden viel Masse oder verschiedene Gesamtenergie haben. Temperatur allein sagt deshalb nicht, wie viel Energie nötig ist, um einen Zustand zu verändern.
Wärme existiert als Energieübertragung über eine Systemgrenze.
Bringen wir zwei Systeme unterschiedlicher Temperatur in thermischen Kontakt, wird Energie spontan vom wärmeren zum kälteren System übertragen. Diesen transferierten Energiebetrag nennen wir Wärme Q.
Ein Luftpaket besitzt Temperatur und innere Energie. Es „besitzt“ thermodynamisch nicht Wärme. Wärme bezeichnet Energie während ihrer Übertragung. M2K2 trennt diese Aussage anschließend sauber von der inneren Energie U.
Ohne Temperaturdifferenz gibt es keinen Netto-Wärmefluss.
Sind zwei thermisch gekoppelte Systeme gleich warm, ist im Gleichgewicht kein gerichteter Netto-Energietransfer als Wärme vorhanden. Temperatur dient damit auch als Kriterium für thermisches Gleichgewicht.
Gleicher Endzustand der Temperatur — aber übertragene Energie hängt von der Masse ab.
Zwei starre, geschlossene Behälter enthalten trockene Luft und können ausschließlich Wärme miteinander austauschen. Für beide wird derselbe konstante Modellwert cv = 718 J/(kg·K) verwendet. Verändere Anfangstemperaturen und Massen. Das Lab erzwingt Energieerhaltung und berechnet die gemeinsame Gleichgewichtstemperatur.
Die Atmosphäre wird nicht durch „Temperaturtransport“ erwärmt.
Sonnenstrahlung erwärmt primär die Erdoberfläche. Von dort gelangt Energie unter anderem als fühlbarer Wärmefluss in die bodennahe Luft. Temperatur beschreibt den resultierenden Zustand; der Energiefluss selbst ist Wärmeübertragung.
Spätere Module ergänzen Strahlung, Verdunstung und latente Wärme. Die begriffliche Trennung aus M2K1 bleibt dabei unverändert.
Der Unterschied ist methodisch wichtiger als die Wortwahl.
Ein thermodynamischer Zustand kann durch Zustandsgrößen beschrieben werden. Der Weg zwischen zwei Zuständen kann dagegen unterschiedliche Wärme- und Arbeitsübertragungen enthalten. Darum wird Wärme später als δQ und nicht wie eine gewöhnliche Zustandsdifferenz dQ geschrieben.
Der erste Hauptsatz wird diese Trennung formal machen: dU = δQ − p dV. Innere Energie U ist eine Zustandsgröße; Wärme und Arbeit beschreiben Energieübertragung während eines Prozesses.
Drei typische Verwechslungen.
Thermodynamisch unpräzise. Er besitzt innere Energie und eine Temperatur; Wärme bezeichnet übertragene Energie.
Nein. Temperatur und übertragene Energie sind verschiedene Größen mit verschiedenen Einheiten.
Nicht dasselbe. Wärmeübertragung kann durch Leitung, Strahlung oder gekoppelte turbulente Prozesse erfolgen; Auftrieb und Konvektion werden später separat modelliert.
Die thermodynamische Sprache ist jetzt sauber gesetzt.
T ist eine Zustandsgröße und wird absolut in Kelvin beschrieben.
Q ist übertragene Energie aufgrund einer Temperaturdifferenz.
Spontaner Netto-Wärmefluss erfolgt vom wärmeren zum kälteren System.
Bei gleicher Temperatur endet der gerichtete Netto-Wärmefluss.
Temperatur allein ist kein Maß für gesamte gespeicherte Energie.
M2K2 führt die innere Energie U als echte Zustandsgröße ein.
Cross-References
Welche mikroskopischen Freiheitsgrade speichern Energie — und wie hängt die innere Energie eines idealen Gases von Temperatur und Stoffmenge ab?