Wärme als Bewegungsenergie der Teilchen

Jeder Körper, jede Flüssigkeit und jedes Gas besteht aus einzelnen Atomen und Molekülen. Diese Teilchen stehen nie völlig still – auch bei noch so kleinen Temperaturen haben sie Bewegungsenergie. Diese Bewegungsenergie ist es, was wir als Temperatur wahrnehmen. Je heftiger sich die Teilchen bewegen, desto wärmer ist das Körper, das Gas oder die Flüssigkeit. Temperatur ist daher die makroskopische Auswirkung der mikroskopischen Teilchenbewegungen.

Wärme geht immer von der warmen Seite zur kalten, das liegt am 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Der Wärmetransport kann auf drei verschiedenen Arten erfolgen.

Wärmetransport durch Wärmeleitung

Wenn Teilchen sich bewegen, stoßen sie auch immer wieder aneinander. Bei solchen Stößen wird Energie zwischen den Teilchen übertragen. Bringt man heiße, also schnelle Teilchen und kalte, also langsame zusammen, überträgt sich auf die Weise Energie von den schnellen Teilchen auf die langsamen. Die langsamen werden also schneller und die schnellen langsamer, weil letztere im Mittel mehr Energie abgeben. Es sei denn, es gibt irgendwo eine Heizquelle, die ständig Energie nachliefert. Aus diesem Grund sind Kochlöffel aus Holz oder Plastik – bleibt ein Metalllöffel zu lange in der heißen Suppe, wird nicht nur der Teil heiß, der in der Suppe steckt. Die Wärme wird über Stöße zwischen den Metallatomen bis nach oben zum Griff transportiert.

Bei dieser Art des Wärmetransportes bleiben die Teilchen auf ihren Plätzen im Festkörper sitzen, die Materie bewegt sich nicht, nur die Wärme bewegt sich und wird vom heißen zum kalten geleitet.

  Abb. 1 ¦ Handabdruck im Wärmebild  

BildunterschriftHier habe ich meine Hand eine Weile an die Zimmerwand gehalten. Im sichtbaren Licht sieht man das natürlich nicht, aber die Wärmebildkamera sieht, wie meine Hand die Wand über Wärmeleitung erwärmt hat. (Was die Wärmebildkamera letztlich aufnimmt, ist die von dieser erwärmten Wand ausgehende Wärmestrahlung.)Bildunterschrift Ende

Wärmetransport durch Konvektion

Wird ein Gas erhitzt oder eine Flüssigkeit, werden auch hier die Teilchen schneller, ihre Bewegungsenergie erhöht sich. In einem Gas und in geringerem Maße auch in einer Flüssigkeit sind die Teilchen aber nicht an feste Plätze gebunden, sondern können sich frei(er) bewegen. Schnellere Teilchen brauchen mehr Platz für ihre Bewegungen (ähnlich wie Autos auf der Autobahn mit größerem Abstand fahren als im Stop-and-Go-Verkehr), deshalb dehnt eine bestimmte Menge schnellerer Teilchen sich auf ein größeres Volumen aus als dieselbe Menge langsamerer Teilchen. Das Volumen warmer Gase und Flüssigkeiten nimmt zu. Anders ausgedrückt, die Dichte warmer Flüssigkeiten und Gase nimmt ab. Damit enthält ein bestimmtes Volumen warmen Gases weniger Teilchen als dasselbe Volumen kalten Gases. Es ist also leichter und steigt auf – dieses Prinzip kennt man vom Heißluftballon, der auch aufsteigen kann, weil er mit heißer, also leichterer Luft gefüllt ist. Kühlt die Luft beim Aufsteigen wieder ab (beispielsweise weil sie sich von der Heizquelle entfernt), zieht sie sich wieder zusammen, wird wieder schwerer und sinkt wieder ab. Hier wird also Wärme transportiert, indem die Materie mitsamt der enthaltenen Wärme aufsteigt. Man nennt dies Konvektion. Konvektion findet in Flüssigkeiten und Gasen statt.

  Abb. 2 ¦ Warme Gase über einer Kerzenflamme  

Die Kerzenflamme erhitzt die umgebende Luft und gibt auch heiße Verbrennungsgase ab. Die heißen Gase steigen nach oben. Leuchtet man mit einer Lampe hindurch, lassen sich die heißen aufsteigenden Gase sichtbar machen, weil der Brechungsindex der Luft von der Temperatur abhängt.

  Abb. 3 ¦ Konvektion in Wasser  

Bildunterschrift Ein kleines Gefäß wird mit gefärbtem (Lebensmittelfarbe) heißem Wasser gefüllt, mit Alu-Folie und einem Gummiband verschlossen und dann in das große Glasgefäß gestellt. (Da das kleine Gefäß heißes Wasser enthält, kann man es unter Umständen nicht anfassen – wir behalfen uns mit einer Grillzange.)
Das große Gefäß wird anschließend mit kaltem Wasser gefüllt und in die Alu-Folie wird ein Loch gestochen. (Das kleine Gefäß muss aus einem Material sein, dass die Temperaturunterschiede aushält.) Das heiße farbige Wasser beginnt nun wegen seiner geringeren Dichte in dem kalten klaren Wasser aufzusteigen. Nach Abkühlung an der Oberfläche sinkt es wieder ab.
Noch ein Tipp: Ist das kleine Gefäß zu leicht, kann es aufschwimmen, sobald das große mit Wasser gefüllt wird. Um das zu verhindern, haben wir einen Stein in das kleine Gefäß gelegt. Diesen haben wir vorher zusammen mit dem Wasser erhitzt, was zusätzlich den Vorteil hat, dass das Wasser nach Hineinlegen des Steins nicht so schnell abkühlt und der Versuch länger beobachtet werden kann.)

Versuchsanleitung hier:
Klima und Wetter. Michael Allaby, Christian Verlag, München, 1996.Bildunterschrift Ende

Auch die Dichte von Festkörpern nimmt ab, wenn sie wärmer werden. Hier kommt es aber nicht zur Konvektion, weil die Teilchen nicht die nötige Bewegungsfreiheit haben.

Wärmetransport durch Wärmestrahlung

Die dritte Art, Wärme zu transportieren, ist die Wärmestrahlung. Atome und Moleküle bestehen aus elektrisch geladenen Teilchen. Die Teilchen haben immer Bewegungsenergie, sie schwingen, drehen sich, fliegen umher, ihre Elektronen werden angeregt – dies alles sind Prozesse, bei denen elektrische Ladungen bewegt werden und damit elektromagnetische Wellen ausgesandt werden. Die Wärmestrahlung, die ein Körper aussendet, besteht aus einer Vielzahl von Wellenlängen. In welchem Bereich das Maximum der Wellenlängen liegt, hängt von der Temperatur des strahlenden Körpers ab. (Natürlich strahlen auch Gase und Flüssigkeiten Wärmestrahlung ab.) Je heißer ein Körper ist, zu desto kürzeren Wellenlängen ist das Maximum seiner Strahlung verschoben. Und bei Alltagstemperaturen umgebende Gegenstände geben Wärmestrahlung im Infraroten ab, sie leuchten nicht. Eisenschmelze ist so heiß, dass sie glüht, ihre Wärmestrahlung reicht ins sichtbare Licht.

  Abb. 4 ¦ Spiegelbild in Wärmestrahlung  

BildunterschriftDieses Spiegelbild von mir habe ich mit einer Wärmebildkamera aufgenommen, es zeigt also die Wärmestrahlung, die der Spiegel reflektiert hat. Wobei letztlich jedes Bild der Wärmebildkamera durch Wärmestrahlung entsteht.Bildunterschrift Ende

© Wiebke Salzmann, April 2009

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