Hitze vs. Temperatur: Was sind die Ähnlichkeiten und Unterschiede? (mit Grafik)

Leute verwenden manchmal die BegriffeHitzeundTemperaturaustauschbar. Sie assoziieren Hitze mit dem Wortheißund verstehen Temperatur auch im Zusammenhang mit der "Hitze" oder "Kälte" von etwas. Vielleicht werden sie sagen, dass sich die Temperatur an einem Frühlingstag genau richtig anfühlt, weil es genau die richtige Wärmemenge ist.

In der Physik sind diese beiden Größen jedoch ziemlich verschieden. Sie sind nicht die gleichen Maße und haben nicht die gleichen Einheiten, obwohl beide Ihr Verständnis der thermischen Eigenschaften verbessern können.

Um Wärme und Temperatur auf grundlegender Ebene zu verstehen, ist es zunächst wichtig, das Konzept der inneren Energie zu verstehen. Während Sie vielleicht mit Objekten vertraut sind, die aufgrund ihrer Bewegung kinetische Energie haben, oder potenzielle Energie aufgrund von ihre Position innerhalb eines gegebenen Objekts, die Moleküle selbst können auch eine Form von Kinetik und Potential haben Energie.

Diese molekulare kinetische und potenzielle Energie ist getrennt von dem, was Sie beispielsweise bei einem Ziegelstein sehen können. Ein auf dem Boden liegender Ziegelstein scheint bewegungslos zu sein, und man könnte annehmen, dass ihm keine kinetische oder potentielle Energie zugeordnet ist. Und tatsächlich entspricht es nicht Ihrem Verständnis der grundlegenden Mechanik.

Aber der Baustein selbst besteht aus vielen Molekülen, die einzeln verschiedene Arten von kleinen Bewegungen durchlaufen, die Sie nicht sehen können. Die Moleküle können aufgrund ihrer Nähe zu anderen Molekülen und der zwischen ihnen ausgeübten Kräfte auch potentielle Energie erfahren. Die gesamte innere Energie dieses Bausteins ist die Summe der kinetischen und potentiellen Energien der Moleküle selbst.

Wie Sie wahrscheinlich gelernt haben, wird Energie gespart. Wirken auf einen Gegenstand keine Reibungs- oder Dissipationskräfte, bleibt auch mechanische Energie erhalten. Das heißt, kinetische Energie kann in potentielle Energie umgewandelt werden und umgekehrt, aber die Summe bleibt konstant. Wenn jedoch eine Kraft wie Reibung wirkt, können Sie feststellen, dass die gesamte mechanische Energie abnimmt. Dies liegt daran, dass die Energie andere Formen wie Schallenergie oder Wärmeenergie annahm.

Wenn Sie sich an einem kalten Tag die Hände aneinander reiben, wandeln Sie mechanische Energie in thermische Energie um. Das heißt, die kinetische Energie Ihrer sich gegeneinander bewegenden Hände änderte ihre Form und wurde zur kinetischen Energie der Moleküle in Ihren Händen in Bezug aufeinander. Der Durchschnitt dieser kinetischen Energie in den Molekülen in Ihren Händen ist das, was Wissenschaftler als Temperatur definieren.

Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie pro Molekül in einem Stoff. Beachten Sie, dass sie nicht mit der inneren Energie der Substanz identisch ist, da sie nicht die potentielle Energie enthält und auch kein Maß für die Gesamtenergie in der Substanz ist. Stattdessen ist es die gesamte kinetische Energie geteilt durch die Anzahl der Moleküle. Als solche hängt es nicht davon ab, wie viel von etwas Sie haben (wie die gesamte innere Energie), sondern eher davon, wie viel kinetische Energie das durchschnittliche Molekül in der Substanz mit sich herumträgt.

Die Temperatur kann in vielen verschiedenen Einheiten gemessen werden. Dazu gehören Fahrenheit, das in den USA und an einigen anderen Orten am häufigsten vorkommt. Auf der Fahrenheit-Skala gefriert Wasser bei 32 Grad und siedet bei 212 Grad. Eine weitere gebräuchliche Skala ist die Celsius-Skala, die an vielen anderen Orten der Welt verwendet wird. Auf dieser Skala gefriert Wasser bei 0 Grad und siedet bei 100 Grad (was eine ziemlich klare Vorstellung davon gibt, wie diese Skala entwickelt wurde).

Aber der wissenschaftliche Standard ist die Kelvin-Skala. Während die Größe eines Inkrements auf der Kelvin-Skala gleich einem Grad Celsius ist, beginnt die Kelvin-Skala bei einer Temperatur namens absoluter Nullpunkt, bei der alle molekularen Bewegungen aufhören. Mit anderen Worten, es beginnt bei der kältesten möglichen Temperatur.

Null Grad Celsius sind 273,15 auf der Kelvin-Skala. Die Kelvin-Skala ist aus gutem Grund der wissenschaftliche Standard. Angenommen, etwas hat 0 Grad Celsius. Was würde es bedeuten zu sagen, dass ein zweites Objekt die doppelte Temperatur hat? Wäre der Artikel auch 0 Grad Celsius? Nun, auf der Kelvin-Skala verursacht dieser Begriff keine Probleme, und das liegt gerade daran, dass er beim absoluten Nullpunkt beginnt.

Betrachten Sie zwei Stoffe oder Gegenstände bei unterschiedlichen Temperaturen. Was bedeutet das? Dies bedeutet, dass die Moleküle in einem der Stoffe (der höhertemperaturigen) im Durchschnitt sind bewegen sich mit einer größeren durchschnittlichen kinetischen Energie als die Moleküle in der niedrigeren Temperatur Substanz.

Wenn diese beiden Substanzen in Kontakt kommen, beginnt es nicht überraschend, dass sich die Energie zwischen den Substanzen ausmittelt, wenn mikroskopische Kollisionen auftreten. Die Substanz, die anfangs die höhere Temperatur hatte, kühlt sich ab, wenn die Temperatur der anderen Substanz ansteigt, bis beide die gleiche Temperatur haben. Wissenschaftler nennen diesen Endzustandthermisches Gleichgewicht​.

Die Wärmeenergie, die vom wärmeren Objekt auf das kühlere Objekt übertragen wird, nennen Wissenschaftler Wärme. Wärme ist die Form von Energie, die zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Temperaturen übertragen wird. Wärme fließt immer vom Material mit höherer Temperatur zum Material mit niedrigerer Temperatur, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist.

Da Wärme eine Energieform ist, ist die SI-Einheit der Wärme das Joule.

Wie Sie aus den vorherigen Definitionen gesehen haben, sind Wärme und Temperatur tatsächlich zwei unterschiedliche physikalische Größen. Dies sind nur einige ihrer Unterschiede:

​Sie werden in verschiedenen Einheiten gemessen.Die SI-Einheit für Temperatur ist Kelvin und die SI-Einheit für Wärme ist Joule. Das Kelvin gilt als Basiseinheit, d. h. es kann nicht in eine Kombination anderer Grundeinheiten zerlegt werden. Das Joule entspricht einem kgm²/s².

​Sie unterscheiden sich in ihrer Abhängigkeit von der Anzahl der Moleküle.Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie pro Molekül, was bedeutet, dass es keine Rolle spielt, wie viel von einer Substanz Sie haben, wenn Sie über Temperatur sprechen. Die Menge an Wärmeenergie, die zwischen Substanzen übertragen werden kann, hängt jedoch stark davon ab, wie viel von jeder Substanz Sie haben.

​Es sind verschiedene Arten von Variablen.Die Temperatur ist als Zustandsvariable bekannt. Das heißt, es definiert den Zustand, in dem sich eine Substanz oder ein Objekt befindet. Wärme hingegen ist eine Prozessvariable. Es beschreibt einen ablaufenden Vorgang – in diesem Fall die übertragene Energie. Es macht keinen Sinn, über Hitze zu sprechen, wenn alles im Gleichgewicht ist.

​Sie werden unterschiedlich gemessen.Die Temperatur wird mit einem Thermometer gemessen, bei dem es sich normalerweise um ein Gerät handelt, das die Wärmeausdehnung nutzt, um den Messwert auf einer Skala zu ändern. Wärme hingegen wird mit einem Kalorimeter gemessen.

Wärme und Temperatur sind jedoch nicht ganz unabhängig voneinander:

​Beides sind wichtige Größen in der Thermodynamik.Das Studium der thermischen Energie beruht auf der Fähigkeit, die Temperatur zu messen und die Wärmeübertragung zu verfolgen.

​Die Wärmeübertragung wird durch Temperaturunterschiede angetrieben.Wenn zwei Objekte unterschiedliche Temperaturen haben, wird Wärmeenergie vom wärmeren auf das kühlere übertragen, bis das thermische Gleichgewicht erreicht ist. Als solche sind diese Temperaturunterschiede der Treiber der Wärmeübertragung.

​Sie neigen dazu, zusammen zuzunehmen und zu sinken.Wenn einem System Wärme zugeführt wird, steigt die Temperatur. Wenn einem System Wärme entzogen wird, sinkt die Temperatur. (Eine Ausnahme davon tritt bei Phasenübergängen auf, in denen Wärmeenergie verwendet wird, um einen Phasenübergang statt einer Temperaturänderung zu bewirken.)

​Sie sind durch eine Gleichung miteinander verbunden.WärmeenergieQhängt mit einer Temperaturänderung zusammenTüber die Gleichung Q = mcΔT wobeiichist die Masse des Stoffes undcist seine spezifische Wärmekapazität (d. h. ein Maß für die Menge an Wärmeenergie, die erforderlich ist, um eine Masseneinheit für einen bestimmten Stoff um ein Grad Kelvin zu erhöhen).

Innere Energie ist die gesamte innere kinetische und potentielle Energie oder thermische Energie in einem Material. Für ein ideales Gas, in dem die potentielle Energie zwischen den Molekülen vernachlässigbar ist, ist die innere EnergieEist gegeben durch die Formel E = 3/2nRT wobeineinist die Molzahl des Gases und die universelle GaskonstanteR= 8,3145 J/molK.

Die Beziehung zwischen innerer Energie und Temperatur zeigt nicht überraschend, dass mit steigender Temperatur die Wärmeenergie zunimmt. Auch bei absoluten 0 Kelvin wird die innere Energie 0.

Wärme kommt ins Bild, wenn man sich die Veränderungen der inneren Energie ansieht. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik liefert die folgende Beziehung:

woQist die dem System zugeführte Wärme undWist die Arbeit des Systems. Im Wesentlichen ist dies eine Aussage über die Energieerhaltung. Wenn Sie Wärmeenergie hinzufügen, erhöht sich die innere Energie. Arbeitet das System an seiner Umgebung, sinkt die innere Energie.

Wie zuvor erwähnt, führt die einem System zugeführte Wärmeenergie typischerweise zu einem entsprechenden Temperaturanstieg, es sei denn, das System erfährt eine Phasenänderung. Um dies genauer zu betrachten, stellen Sie sich einen Eisblock vor, der unter dem Gefrierpunkt beginnt, wenn Wärmeenergie mit einer konstanten Rate hinzugefügt wird.

Wenn während der Erwärmung des Eisblocks bis zum Gefrierpunkt kontinuierlich Wärmeenergie zugeführt wird, ändert sich die Phase in Wasser und dann erwärmt sich weiter, bis es den Siedepunkt erreicht, wo es eine weitere Phasenänderung durchläuft, um zu Dampf zu werden, das Diagramm Temperatur vs. Wärme sieht wie folgt aus:

Solange das Eis unter dem Gefrierpunkt liegt, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Wärmeenergie und Temperatur. Dies ist angesichts der Gleichung Q = mc isT nicht überraschend. Sobald das Eis jedoch die Gefriertemperatur erreicht, muss jede hinzugefügte Wärmeenergie verwendet werden, um ihm beim Phasenwechsel zu helfen. Die Temperatur bleibt konstant, obwohl noch Wärme zugeführt wird. Die Gleichung, die während eines Phasenwechsels von fest zu flüssig die Wärmeenergie zur Masse in Beziehung setzt, lautet wie folgt:

woL_fist die latente Schmelzwärme – eine Konstante, die angibt, wie viel Energie pro Masseneinheit benötigt wird, um den Übergang von fest zu flüssig zu bewirken.

Also, bis eine Wärmemenge gleichml_fhinzugefügt wurde, bleibt die Temperatur konstant.

Ist das gesamte Eis geschmolzen, steigt die Temperatur wieder linear bis zum Siedepunkt an. Auch hier findet ein Phasenwechsel statt, diesmal von flüssig zu gasförmig. Die Wärme-Masse-Gleichung während dieser Phasenänderung ist sehr ähnlich:

woL_vist die latente Verdampfungswärme – eine Konstante, die angibt, wie viel Energie pro Masseneinheit benötigt wird, um den Übergang von flüssig zu gas zu bewirken. So bleibt die Temperatur wieder konstant, bis genügend Wärmeenergie zugeführt wurde. Beachten Sie, dass sie dieses Mal länger konstant bleibt. Das ist, weilL_vist typischerweise höher alsL_ffür eine Substanz.

Der letzte Teil der Grafik zeigt wieder den gleichen linearen Zusammenhang wie zuvor.