Was ist Wärme ?

Es gibt 3 Arten von Wärme:


Wärme ist eine Energieform, vereinfacht gesprochen, die kinetische Energie der Teilchen also die Energie der ungeordneten Teilchenbewegung (= Brownsche Bewegung).

Im engeren Sinne wird unter Wärme nur die Energieübertragung von einem System auf ein anderes verstanden. Dabei gibt es 3 Formen des Wärmetransports:

  1. Wärmestrahlung (nicht substanzgebunden)
    ...ist elektromagnetische Strahlung, die bei Absorption durch Materie in Wärme umgewandelt wird.
    Beispiel: Aufwärmung des Körpers durch Sonnenstrahlung
  2. Wärmeleitung (substanzgebunden),
    Wärmetransfer von einer Substanz auf einen andere durch den direkten Kontakt der Teilchen.
    Beispiel: Man berührt eine heiße Herdplatte.
  3. Wärmeströmung (= Konvektion; substanzgebunden),
    ...ist die Strömung von Materie (Gasen oder Flüssigkeiten), die Wärmeenergie mit sich führen.
    Beispiel: Warme Luft steigt auf.


Falls kein Phasenübergang stattfindet, ist die Übertragung von Wärme stets mit einer Temperaturänderung verbunden und erfolgt stets in Richtung zur geringeren Temperatur.

1 Kalorie = 4.186 Joule = die Wärmemenge, die notwendig ist, um die Temperatur von 1 g Wasser um 1 °C zu erhöhen.

Temperatur

Die Temperatur ist eine sog. Zustandsgröße der Thermodynamik und beschreibt die mittlere kinetische Energie der Moleküle eines Systems. (Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie einer ungeordneten Teilchenbewegung)

Die Temperaturmessung erfolgt meist über Wärmeströmung (= Druckerhöhung) z. B. mit einem Thermometer oder mit den Wärmerezeptoren (= Ruffinische Endbüschel) der Haut.

Man benutzt neben der Celsius-Skala die absolute Temperatur in K (Kelvin) um die Temperatur zu benennen. Bewegen sich die Teilchen nicht mehr muß die Temperatur = 0° K sein oder -273,16 °C. Dies ist der absolute Nullpunkt. Eine solche Temperatur herrscht näherungsweise im Weltall.

Quelle: http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html

 

 

Wärme und Teilchenbewegung (Diffusion)


Bringt man zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Kontakt, findet ein Temperaturausgleich statt (Wärmeübertragung).
Wärme fließt immer vom wärmeren zum kälteren Körper: (
2. Hauptsatz der Thermodynamik) Im thermodynamischen Gleichgewicht haben also alle Bestandteile eines Systems dieselbe Temperatur.

Unterschiedliche Stoffe können verschieden gut Wärme speichen. Diese Fähigkeit drückt man als Wärmekapazität aus:
Unter der Wärmekapazität C eines Körpers versteht man das Verhältnis der zugeführten Wärmemenge (DQ)zur erzielten Temperaturerhöhung (DT): C= DQ/DT.

James Clerk Maxwell (1831-1879) und Ludwig Boltzmann (1844-1906) entwickelten eine Theorie, die beschreibt, wie sich Teilchen in einem idealen Gas bewegen: die Kinetische Gastheorie.

Die Teilchen eines idealen Gases stoßen miteinander zusammen und ändern dadurch ihre Richtung. Die mit der Bewegung verbundene Energie wird Kinetische Energie genannt.
Die Größe der kinetischen Energie eines jeden Teilchens ist eine Funktion seiner Geschwindigkeit. In einem Gas haben die Moleküle unterschiedliche. Diese kann man in einer sogenannten Geschwindigkeitsverteilung (= Maxwell-Verteilung) darstellen:


Kollisionen gegen eine Wand sind ein Maß für den Druck eines Gases. Boltzmann zeigte, daß die mittlere kinetische Energie der Teilchen direkt proportional dem Druck des Gases ist.
Die mittlere kinetische Energie der Moleküle ist 3kT/2, (K= Boltzmann-Konstante, T= Temperatur)

Damit konnte man die mittlere Geschwindigkeit, den Druck und die Zusammenstoßwahrscheinlichkeit berechnen:

mittleres
Geschwindigkeitsquadrat:


vrms = (3kT/M)½

M= Molmasse(kg), T=absolute Temperatur

Druck:

P = nMc2/3V

n= Anzahl Mole; M= Molmasse;
V= Volumen

mittlere Zusammenstöße
(1 bar, 25°C)

Z = (p)d2p2NA2vrms(1,414)/2R2T2

d= Durchmesser, NA= Loschmidtzahl

k= 8,314J/Mol; Molmasse: O2=32, N2=28; CO2=44; H2O=18
R = 8,31* J/(K*mol)

Die mittleren Geschwindigkeiten sind sehr hoch und mit über ca. 1500 km/Std schneller als jedes Verkehrsflugzeug. Da jedoch die Teilchen nach kurzer Wegstrecke zusammenstoßen ergibt sich eine weit geringere Diffusionsgeschwindigkeit.

Gas

Vrms –57°C, 0,2 bar (m/s)

Vrms 25°C, 1 bar (m/s)

Z –57°C, 0,2 bar (/sec Mol/l)

Z 25°C, 1 bar

N2

438,8

515,3

8,9 x 106

1,1 x108

O2

410,5

482

7,4 x 106

7,9 x 107

CO2

350

411,1

7,8 x 106

9,6 x 107

H2O

547

642,7

1.12 x 107

1,01 x 108

Quellen: Lehrbücher der Physik, Chemie

Fazit aus der Thermodynamik und Quantentheorie:

Vergleicht man nun die Zusammenstoßwahrscheinlichkeit der bei z.B 25 °C für CO2 von 9,6 x 107/ Sekunde mit der Verweildauer der angeregten Elektronen des CO2 im angeregten Vibrationszustand bei Strahlungsabsorption von 1 x 10 -6 Sekunden, bevor sie wieder die absorbierte Strahlung emittieren, fällt auf, daß bei Bedingungen am Erdboden CO2 im Mittel keine Wärme abstrahlt werden kann, da vorher ein Zusammenstoß mit anderen Luftteilchen stattfindet.

Erst bei Bedingungen von z.B. -57°C und 0,2 bar ist das im Mittel möglich. Solche Bedingungen herrschen in ca. 11 km Höhe am oberen Rand der Troposphäre. Dann ist die Zahl der Zusammenstöße um ca. 102 kleiner als am Boden. Ein größerer Teil der Moleküle z. B. CO2 hat dort eine so kleine Geschwindigkeit und die Dichte ist so gering, daß die Zeit ausreichend ist, falls Wärmestrahlung absorbiert wurde die Energie wieder als Wärmestrahlung zu emittieren.

Da ja überall eine Geschwindigkeitsverteilung vorliegt, haben auch bei der Temperatur in Bodennähe wenige Teilchen eine so geringe Geschwindigkeit, daß sie strahlen.

Insgesamt ist also die Abstrahlung oder Nichtabstrahlung der absorbierten Energie in der Atmosphäre von der Höhe abhängig. In Bodennähe überwiegen die Kollisionen und damit der Energietransfer per Wärmeströmung, in größerer Höhe überwiegt die Strahlungsemission.

In 11 Km Höhe strahlt CO2 zwar, jedoch die Konzentration ist insgesamt bekanntlich so klein, daß eine Erwärmung durch CO2 in der Atmosphäre minimal ist.

Fazit: CO2 wirkt wegen der geringen Konzentration und Strahlungsemission in Erdnähe nur minimal als Treibhausgas!!!
Methan, Ozon usw. sind aus denselben Gründen fast wirkungslos!!!