„Thermische Energie“ – Versionsunterschied

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Thermische Energie (auch Wärmeenergie) ist ein Begriff, der in verschiedener Weise für makroskopische und mikroskopische Energieformen verwendet wird, die sich auf die ungeordnete Bewegung der Teilchen (einschließlich der Photonen) in makroskopischer Materie oder in anderen Vielteilchensystemen beziehen.

Zu den möglichen makroskopischen Formen der thermischen Energie gehören:^[1]

Zu den mikroskopischen Formen der thermischen Energie gehört

die mittlere Energie eines Teilchens pro Freiheitsgrad (also ${\tfrac {1}{2}}k_{\mathrm {B} }T$ für Translation in eine Richtung etc., wobei $T$ die absolute Temperatur und $k_{\mathrm {B} }$ die Boltzmann-Konstante ist),
die Größe des typischen zufälligen Energieaustauschs zwischen den Teilchen, $k_{\mathrm {B} }T$ , die auch in der Boltzmann-Verteilung den Energiemaßstab vorgibt.

Bei Raumtemperatur (T = 293 K) beträgt $k_{\mathrm {B} }T$ ungefähr 25 meV.

Zusammenhang mit der Temperatur

Umgangssprachlich wird die thermische Energie etwas ungenau als „Wärme“ oder „Wärmeenergie“ bezeichnet oder auch mit der Temperatur verwechselt.

Tatsächlich ist in einem idealen Gas die (makroskopische) thermische Energie proportional zur absoluten Temperatur: Falls mit der thermischen Energie die innere Energie gemeint ist:

E_{\mathrm {th} }={\frac {f}{2}}\,N\,k_{\mathrm {B} }\,T={\frac {f}{2}}\,n\,R\,T=c_{V}\,m\,T\propto \;T

Falls die Enthalpie gemeint ist:

E_{\mathrm {th} }={\frac {f+2}{2}}\,N\,k_{\mathrm {B} }\,T={\frac {f+2}{2}}\,n\,R\,T=c_{P}\,m\,T\propto \;T

mit

der Anzahl $f$ der Freiheitsgrade
der Teilchenzahl $N$
der Boltzmann-Konstante $k_{\mathrm {B} }$

bzw. alternativ mit

der Stoffmenge $n$
der Gaskonstante $R$

bzw. alternativ mit

der spezifischen Wärmekapazität bei konstantem Volumen $c_{V}={\tfrac {f}{2}}R\cdot {\tfrac {n}{m}}={\tfrac {f}{2}}\cdot {\tfrac {R}{M}}$ $c_{V}={\tfrac {f}{2}}R\cdot {\tfrac {n}{m}}={\tfrac {f}{2}}\cdot {\tfrac {R}{M}}$ bzw. bei konstantem Druck $c_{P}={\tfrac {f+2}{2}}R\cdot {\tfrac {n}{m}}={\tfrac {f+2}{2}}\cdot {\tfrac {R}{M}}$ $c_{P}={\tfrac {f+2}{2}}R\cdot {\tfrac {n}{m}}={\tfrac {f+2}{2}}\cdot {\tfrac {R}{M}}$ . Diese sind für ideale Gase unabhängig von der Temperatur.
- der Masse $m$
- der molaren Masse $M$ .

Im allgemeinen Fall ist die spezifische Wärmekapazität jedoch eine Funktion der Temperatur $c=c(T)$ , sodass die thermische Energie nicht in proportionaler Weise von der Temperatur abhängt:

Die thermische Energie eines Körpers kann sich auch ändern, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt. Dies geschieht bei einem Phasenübergang, zum Beispiel beim Schmelzen. Hat Eis eine Temperatur von 0 °C, so muss die innere Energie erhöht werden, um es zu schmelzen. Dazu muss eine bestimmte Wärmemenge oder das Äquivalent als dissipative Arbeit zugeführt werden (bei konstantem Druck: die Schmelzenthalpie). Die Temperatur steigt während des Schmelzvorganges jedoch nicht an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird.

Weblinks

Wiktionary: Wärmeenergie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

↑ E. Doering, H. Schedwill, M. Dehli: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 8. Auflage. SpringerVieweg, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-15147-8, S. 9, doi:10.1007/978-3-658-15148-5.

[1] E. Doering, H. Schedwill, M. Dehli: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 8. Auflage. SpringerVieweg, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-15147-8, S. 9, doi:10.1007/978-3-658-15148-5.

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+{{Dieser Artikel|behandelt die thermische Energie als Begriff der Thermodynamik. Für die Verwendung in der Neutronenphysik siehe [[Thermisches Neutron]].}}
-'''Thermische Energie''' (auch '''Wärmeenergie''', jedoch nicht zu verwechseln mit [[Wärme]]) ist die [[Energie]], die in der ungeordneten Bewegung der [[Atom]]e oder [[Molekül]]e eines [[Stoff (Chemie)|Stoffes]]  gespeichert ist. Sie ist eine [[extensive Größe]] und ist Teil der [[Innere Energie|inneren Energie]]. Die thermische Energie wird im [[SI-Einheitensystem]] in [[Joule]] ([[Einheitenzeichen]]: J) gemessen. Auch ein Strahlungsfeld hat thermische Energie, wenn seine Energie ungeordnet auf die verschiedenen möglichen Wellenformen verteilt ist.
+'''Thermische Energie''' (auch '''Wärmeenergie''') ist ein Begriff, der in verschiedener Weise für [[Mikroskopisch und makroskopisch #Physik|makroskopische und mikroskopische]] [[Energieform]]en verwendet wird, die sich auf die ungeordnete Bewegung der Teilchen (einschließlich der [[Photon]]en) in makroskopischer Materie oder in anderen [[Vielteilchensystem]]en beziehen.
+Zu den möglichen makroskopischen Formen der thermischen Energie gehören:<ref>{{Literatur | Autor=E. Doering, H. Schedwill, M. Dehli | Titel= Grundlagen der Technischen Thermodynamik | Auflage= 8| Verlag=SpringerVieweg | Ort=Wiesbaden | Jahr=2016| Seiten=9| ISBN=978-3-658-15147-8 |DOI= 10.1007/978-3-658-15148-5}}</ref>
-Eine Zufuhr von Wärme steigert die thermische Energie, eine Wärmeabfuhr verringert sie. Thermische Energie ist also kinetische und potentielle Energie, aber mit dem Merkmal der ''ungeordneten'' Verteilung auf die Bewegungen ''vieler'' Körper. In Festkörpern entspricht dies den [[Gitterschwingung]]en bzw. [[Phonon]]en, in Flüssigkeiten den Schwingungen, Rotationen und eingeschränkten Bewegungen der Moleküle und in Gasen Schwingungen, Rotationen und freien Bewegungen. Diese Bewegungen existieren auch für Adsorbate auf [[Oberflächenchemie|Oberflächen]], wo man von 2D-Gasen und 2D-Flüssigkeiten spricht. Mit Hilfe von [[Rastertunnelmikroskopie]] können diese Bewegungen auf molekularer Skala auf Oberflächen sichtbargemacht werden, wobei deutlich wird, dass z.&nbsp;B. der Anteil der rotierenden Teilchen mit der Temperatur steigt.<ref>{{Literatur |Autor=Thomas Waldmann, Jens Klein, Harry E. Hoster, R. Jürgen Behm |Titel=Stabilization of Large Adsorbates by Rotational Entropy: A Time-Resolved Variable-Temperature STM Study |Sammelwerk=ChemPhysChem |Band=14 |Nummer=1 |Datum=2013-01-14 |Seiten=162–169 |DOI=10.1002/cphc.201200531}}</ref>
+* [[Innere Energie]]
+* [[Wärme]]
-Ist die kinetische Energie aller Moleküle eines Stoffes gleich null (genauer: am [[Nullpunktsenergie|quantenphysikalisch möglichen Minimum]]), so ist seine Temperatur am [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]]. Die [[Kelvin]]-Temperaturskala verwendet dies als [[Referenzpunkt (Koordinaten)|Bezugspunkt]].
+* [[Enthalpie]]
+Zu den mikroskopischen Formen der thermischen Energie gehört
+* die mittlere Energie eines Teilchens pro [[Freiheitsgrad]] (also <math>\tfrac12 k_\mathrm B T</math> für [[Translation (Physik)|Translation]] in eine Richtung etc., wobei <math>T</math> die [[absolute Temperatur]] und <math>k_\mathrm B </math> die [[Boltzmann-Konstante]] ist),
+* die Größe des typischen zufälligen Energieaustauschs zwischen den Teilchen, <math>k_\mathrm B T</math>, die auch in der [[Boltzmann-Verteilung]] den Energiemaßstab vorgibt.
+Bei Raumtemperatur (T = 293 K) beträgt <math>k_\mathrm B T</math> ungefähr 25 meV.
 == Zusammenhang mit der Temperatur ==
 Umgangssprachlich wird die thermische Energie etwas ungenau als „[[Wärme]]“ oder „Wärmeenergie“ bezeichnet oder auch mit der Temperatur verwechselt.
+Tatsächlich ist in einem [[Ideales Gas|idealen Gas]] die (makroskopische) thermische Energie proportional zur [[Absolute Temperatur|absoluten Temperatur]]:
-Tatsächlich ist die thermische Energie oft näherungsweise proportional zur Temperatur. Insbesondere ist die thermische Energie des idealen Gases
+Falls mit der thermischen Energie die innere Energie gemeint ist:
-:<math>E_{\mathrm{th}} = \frac{f}{2} \,N\, k_\mathrm{B} \, T = \frac{f}{2} \,n\, R \, T</math>
+:<math>E_{\mathrm{th}} = \frac{f}{2} \, N \, k_\mathrm{B} \, T = \frac{f}{2} \, n \, R \, T = c_V \, m \, T \propto \; T</math>
+Falls die Enthalpie gemeint ist:
+:<math>E_{\mathrm{th}} = \frac{f+2}{2} \, N \, k_\mathrm{B} \, T = \frac{f+2}{2} \, n \, R \, T = c_P \, m \, T \propto \; T</math>
-mit der Anzahl der Freiheitsgrade <math>f</math>, der [[Teilchenzahl]] <math>N</math> und der [[Boltzmann-Konstante]] <math>k_\mathrm{B}</math> bzw. alternativ mit der [[Stoffmenge]] <math>n</math> und der [[Gaskonstante]] <math>R</math>. Die [[spezifische Wärmekapazität]] eines idealen Gases ist also konstant.
-Im allgemeinen Fall ist sie aber eine Funktion der Temperatur <math>c =c(T)</math>, sodass die thermische Energie ''nicht'' in einfacher proportionaler Weise von der Temperatur abhängt <math>\Rightarrow E_{\mathrm{th}} \propto\!\!\!\!\!\!/ \;\; T</math>.
+mit
-Bei einem [[Phasenübergang]] kann sich sogar die thermische Energie eines Körpers ändern, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt.
+* der Anzahl <math>f</math> der [[Freiheitsgrad #Freiheitsgrade der Moleküle|Freiheitsgrade]]
-Ein Beispiel, das die Zusammenhänge zwischen Wärme und Temperatur verdeutlicht, ist ein [[Schmelzvorgang]]. Hat [[Eis]] eine Temperatur von 0&nbsp;°C, muss, um es zu schmelzen, seine thermische Energie erhöht werden. Dazu muss ''Wärme'' zugeführt werden. Die ''Temperatur'' steigt während des Schmelzvorganges jedoch ''nicht'' an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird ([[Schmelzwärme]]).
+* der [[Teilchenzahl]] <math>N</math>
+* der [[Boltzmann-Konstante]] <math>k_\mathrm{B}</math>
+bzw. alternativ mit
+* der [[Stoffmenge]] <math>n</math>
+* der [[Gaskonstante]] <math>R</math>
+bzw. alternativ mit
+* der [[spezifische Wärmekapazität|spezifischen Wärmekapazität]] bei konstantem Volumen <math>c_V = \tfrac{f}{2} R \cdot \tfrac{n}{m} = \tfrac{f}{2} \cdot \tfrac{R}{M}</math> bzw. bei konstantem Druck <math>c_P = \tfrac{f+2}{2} R \cdot \tfrac{n}{m} = \tfrac{f+2}{2} \cdot \tfrac{R}{M}</math>. Diese sind für ideale Gase unabhängig von der Temperatur.
+** der Masse <math>m</math>
+** der [[molare Masse|molaren Masse]] <math>M</math>.
+Im allgemeinen Fall ist die spezifische Wärmekapazität jedoch eine Funktion der Temperatur <math>c = c(T)</math>, sodass die thermische Energie ''nicht'' in proportionaler Weise von der Temperatur abhängt:
-Die manchmal so bezeichnete „Druckenergie“ ist nichts anderes als thermische Energie. Gasmoleküle, die in einem Gefäß eingeschlossen sind, stoßen wegen ihrer thermischen Bewegung gegen die Wände. Dadurch wird bei jedem Stoß [[Impuls]] übertragen, der als [[Druck (Physik)|Druck]] gemessen werden kann.
+Die thermische Energie eines Körpers kann sich auch ändern, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt. Dies geschieht bei einem [[Phasenübergang]], zum Beispiel beim [[Schmelzvorgang|Schmelzen]]. Hat [[Eis]] eine Temperatur von 0&nbsp;°C, so muss die innere Energie erhöht werden, um es zu schmelzen. Dazu muss eine bestimmte ''Wärmemenge oder das Äquivalent als [[Dissipation|dissipative]] Arbeit'' zugeführt werden (bei konstantem Druck: die [[Schmelzenthalpie]]). Die ''Temperatur'' steigt während des Schmelzvorganges jedoch ''nicht'' an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird.
-== Neutronenphysik ==
+== Weblinks ==
-Eine andere Wortbedeutung hat ''thermische Energie'' im Zusammenhang mit freien [[Neutron]]en oder anderen Teilchen. In diesen Fällen ist diejenige kinetische Energie des ''Einzelteilchens'' gemeint, die der Temperatur des umgebenden Stoffes entspricht (siehe auch: [[Thermisch]]).
+{{Wiktionary|Wärmeenergie}}
 == Einzelnachweise ==

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Zusammenhang mit der Temperatur

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