Thermische Energie

Thermische Energie ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Sie wird im SI-Einheitensystem in Joule (Einheitenzeichen: J) gemessen und ist Teil der inneren Energie. Umgangssprachlich wird sie etwas ungenau als „Wärme“ oder „Wärmeenergie“ bezeichnet oder auch mit der Temperatur verwechselt.

Die Thermische Energie E_th eines Stoffes ist definiert als

$E_{th}=m\;\cdot c\;\cdot T\!$

wobei T die absolute Temperatur, m die Masse und c die spezifische Wärmekapazität ist.

Eine Wärmezufuhr steigert die mittlere kinetische Energie der Moleküle und damit die thermische Energie, eine Wärmeabfuhr verringert sie. Thermische Energie ist also kinetische Energie, aber mit dem Merkmal der ungeordneten Bewegung vieler Körper, siehe auch Gitterschwingung und Phonon. Ist die kinetische Energie aller Moleküle eines Stoffes gleich Null, so ist, da m und c stets größer als Null sind, seine Temperatur am absoluten Nullpunkt. Die Kelvin-Temperaturskala verwendet diesen als Bezugspunkt.

Kommen zwei Systeme mit unterschiedlichen Temperaturen zusammen, so gleichen sich ihre Temperaturen durch Wärmeaustausch an. Dabei geht jedoch ohne zusätzliche Hilfe niemals thermische Energie vom System niedrigerer Temperatur in das System höherer Temperatur über (diese Erfahrungstatsache ist im Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ausgedrückt). Die Angleichung erfolgt so lange, bis keine Temperaturdifferenz zwischen den Systemen mehr auftritt und sich die Systeme demnach in einem thermischen Gleichgewicht befinden. Diesen Vorgang nennt man Wärmeübertragung.

Umgangssprachlich werden Wärme und thermische Energie oft mit Temperatur verwechselt. Ein Beispiel, das die Zusammenhänge zwischen Wärme und Temperatur verdeutlicht, ist ein Schmelzvorgang. Hat man Eis mit einer Temperatur von 0 °C, muss man, um es zu schmelzen, seine thermische Energie erhöhen. Dazu muss man Wärme zuführen. Die Temperatur steigt während des Schmelzvorganges jedoch nicht an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird (Schmelzwärme).

Eine Erklärung des formal-begrifflichen Unterschiedes zwischen Wärme und thermischer Energie (vergleichbar dem Unterschied zwischen Arbeit und mechanischer Energie) kann bei Wärmeenergie nachgelesen werden.

Eine etwas andere Wortbedeutung hat thermische Energie im Zusammenhang mit freien Neutronen oder anderen Teilchen. In diesen Fällen ist die kinetische Energie des Einzelteilchens gemeint, die der Temperatur des Stoffes entspricht (siehe auch thermisch).