1.4 Wärmekapazität und spezifische Wärme

Wärmeenergie entsteht durch statistische Bewegungen, Rotationen bzw. Schwingungen der Teilchen eines Stoffes. Eine Wärmezufuhr bedeutet, dass einem System Energie zugeführt wird.

1.4.1 Wärmekapazität

Führt man einem Stoff Energie Q zu, so erhöht sich dessen Temperatur. Diese Temperaturerhöhung ist proportional zur zugeführten Energie und abhängig vom Stoff, dem die Energie zugeführt wird.

Den Proportionalitätsfaktor C bezeichnet man als Wärmekapazität. C hat die Einheit und ist abhängig sowohl vom Stoff als auch von der Masse m.

Beispiele für spezifische Wärmekapazitäten
	c in
Al	0,9 10³
Pb	0,1 10³
H₂O	4,182 10³

Da Wasser eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität hat, eignet es sich gut als Wärmespeicher.

Daher definiert man

spezifische Wärmekapazität.

c ist weiterhin abhängig vom Stoff, aber unabhängig von der Masse und hat die Einheit

Analog definiert man

molare Wärmekapazität

c_m hat die Einheit ; mit wird die Stoffmenge bezeichnet.

Eine ältere Einheit für die Wärmemenge außerhalb des SI-Systems ist eine Kalorie:
1 Kalorie = 1 cal = 4,1868 J
Diese Wärmemenge entspricht der Energie, um 1 kg Wasser um 1 K (von 14,5°C auf 15,5°C) zu erwärmen.

Anwendungen

Wärmezufuhr

Man kann Wärme zuführen durch

elektrische Energie: (U: elektrische Spannung, I: elektrische Stromstärke, t: Zeitdauer)
mechanische Energie (Reibung, Deformationsenergie, ...)
Mischungsmethoden (Mischung von heißem und kaltem Wasser, ...)

Messung der spezifischen Wärmekapazität

Kalorimeter als Hilfsmittel zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität.

Messungen von Wärmemengen und Wärmekapazitäten führt man in Kalorimetern durch. Dies sind Geräte, in denen unter definierten Bedingungen eine Wärmemenge zu-/abgeführt wird und vernachlässigbar geringer Wärmeverlust (Wärmeaufnahme) nach (von) außen auftritt. Ein Dewar-Gefäß ist ein Kalorimeter und besteht aus einem doppelwandigen Glasgefäß, bei dem der Zwischenraum evakuiert ist und bei dem die Innenwand verspiegelt ist.

Die spezifische Wärmekapazität eines Körpers kann man folgendermaßen bestimmen: Man erwärmt den Körper der Masse m_K z.B. in einem Wasserbad auf eine genau definierte Ausgangstemperatur T_K. Anschließend bringt man den warmen (trockenen!) Körper in ein mit Wasser (Masse m_W) gefülltes Kalorimeter mit Ausgangstemperatur T_W. Nach dem Temperaturausgleich misst man die Endtemperatur T_E des Wassers, die mit der des Körpers identisch ist.

Vernachlässigt man alle evtl. auftretenden Wärmezugänge bzw. -abgänge, so erhält man die spezifische Wärmekapazität c_K des Körpers über folgende einfache Rechnung: