Was ist Wärme?
Alle Materie ist aus Molekülen und Atomen aufgebaut. Diese Atome befinden sich immer in verschiedenen Arten von Bewegung (Translation, Rotation, Vibration). Die Bewegung der Atome und Moleküle erzeugt Wärme oder thermische Energie. Alle Materie hat diese thermische Energie. Je mehr Bewegung die Atome oder Moleküle haben, desto mehr Wärme oder thermische Energie haben sie.
Dies ist eine Animation, die aus einer kurzen Molekulardynamiksimulation von Wasser erstellt wurde. Die grünen Linien stellen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Sauerstoff und Wasserstoff dar. Beachten Sie die enge Struktur von Wasser.
Wasserstoffbindungen sind viel schwächer als kovalente Bindungen. Wenn jedoch eine große Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen zusammenwirken, tragen sie stark dazu bei. Dies ist bei dem hier gezeigten Wasser der Fall.
Flüssiges Wasser hat eine teilweise geordnete Struktur, in der sich ständig Wasserstoffbrückenbindungen bilden und auflösen. Wegen der kurzen Zeitskala (in der Größenordnung von einigen Pikosekunden) bewegen sich nur wenige Bindungen
Was ist Temperatur?
Aus dem obigen Video, das die Bewegung von Atomen und Molekülen zeigt, kann man erkennen, dass sich einige schneller bewegen als andere. Die Temperatur ist ein Durchschnittswert der Energie für alle Atome und Moleküle in einem bestimmten System. Die Temperatur ist unabhängig davon, wie viel Materie sich in dem System befindet. Sie ist einfach ein Durchschnittswert der Energie im System.
Wie wird Wärme übertragen?
Wärme kann auf drei Arten von einem Ort zum anderen gelangen: Konduktion, Konvektion und Strahlung. Sowohl Leitung als auch Konvektion benötigen Materie, um Wärme zu übertragen.
Wenn es einen Temperaturunterschied zwischen zwei Systemen gibt, wird Wärme immer einen Weg finden, vom höheren zum niedrigeren System zu übertragen.
Konduktion–
Konduktion ist die Übertragung von Wärme zwischen Substanzen, die in direktem Kontakt miteinander stehen. Je besser der Leiter, desto schneller wird die Wärme übertragen. Metall ist ein guter Leiter für Wärme. Konduktion tritt auf, wenn eine Substanz erwärmt wird, gewinnen die Teilchen mehr Energie und schwingen mehr. Diese Moleküle stoßen dann auf benachbarte Teilchen und übertragen einen Teil ihrer Energie auf diese. Dies setzt sich dann fort und gibt die Energie vom heißen Ende hinunter zum kälteren Ende der Substanz weiter.
Konvektion–
Die Wärmeenergie wird durch Konvektion von heißen Orten zu kalten Orten übertragen. Konvektion tritt auf, wenn wärmere Bereiche einer Flüssigkeit oder eines Gases zu kühleren Bereichen der Flüssigkeit oder des Gases aufsteigen. Die kühlere Flüssigkeit oder das kühlere Gas nimmt dann den Platz der wärmeren Bereiche ein, die aufgestiegen sind. Dadurch entsteht ein kontinuierliches Zirkulationsmuster. Wasser, das in einem Topf kocht, ist ein gutes Beispiel für diese Konvektionsströmungen. Ein weiteres gutes Beispiel für Konvektion findet sich in der Atmosphäre. Die Erdoberfläche wird von der Sonne erwärmt, die warme Luft steigt auf und kühle Luft strömt nach.
Strahlung–
Strahlung ist eine Methode der Wärmeübertragung, die nicht auf einem Kontakt zwischen der Wärmequelle und dem erwärmten Objekt beruht, wie es bei Leitung und Konvektion der Fall ist. Wärme kann durch den leeren Raum durch Wärmestrahlung übertragen werden, die oft als Infrarotstrahlung bezeichnet wird. Dies ist eine Art elektromagnetische Strahlung. Bei der Strahlung wird keine Masse ausgetauscht und es wird kein Medium benötigt. Beispiele für Strahlung sind die Wärme der Sonne oder die Wärme, die vom Glühfaden einer Glühbirne abgegeben wird.