Wärme als Energieform
Da alle der vielen Energieformen, einschließlich Wärme, in Arbeit umgewandelt werden können, werden Energiemengen in Arbeitseinheiten wie Joule, Foot-Pound, Kilowattstunden oder Kalorien ausgedrückt. Es gibt genaue Beziehungen zwischen den Wärmemengen, die einem Körper zugeführt oder entzogen werden, und der Größe der Auswirkungen auf den Zustand des Körpers. Die beiden am häufigsten verwendeten Einheiten für Wärme sind die Kalorie und die British Thermal Unit (BTU). Die Kalorie (oder Gramm-Kalorie) ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von einem Gramm Wasser von 14,5 auf 15,5 °C zu erhöhen; die BTU ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von einem Pfund Wasser von 63 auf 64 °F zu erhöhen. Eine BTU entspricht etwa 252 Kalorien. Beide Definitionen legen fest, dass die Temperaturänderungen bei einem konstanten Druck von einer Atmosphäre zu messen sind, da die beteiligten Energiemengen zum Teil vom Druck abhängen. Die Kalorie, die bei der Messung des Energiegehalts von Lebensmitteln verwendet wird, ist die große Kalorie oder Kilogramm-Kalorie, die 1.000 Gramm-Kalorien entspricht.
Im Allgemeinen wird die Menge an Energie, die erforderlich ist, um eine Einheitsmasse einer Substanz durch ein bestimmtes Temperaturintervall zu heben, als Wärmekapazität oder spezifische Wärme dieser Substanz bezeichnet. Die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Körpers um ein Grad zu erhöhen, variiert je nach den auferlegten Beschränkungen. Wird einem Gas mit konstantem Volumen Wärme zugeführt, ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um einen Temperaturanstieg von einem Grad zu bewirken, geringer, als wenn die Wärme demselben Gas zugeführt wird, das sich frei ausdehnen kann (wie in einem Zylinder mit beweglichem Kolben) und somit Arbeit verrichtet. Im ersten Fall geht die gesamte Energie in die Erhöhung der Temperatur des Gases, aber im zweiten Fall trägt die Energie nicht nur zur Temperaturerhöhung des Gases bei, sondern liefert auch die notwendige Energie für die Arbeit, die das Gas am Kolben verrichtet. Folglich hängt die spezifische Wärme eines Stoffes von diesen Bedingungen ab. Die am häufigsten bestimmten spezifischen Wärmen sind die spezifische Wärme bei konstantem Volumen und die spezifische Wärme bei konstantem Druck. Die Wärmekapazitäten vieler fester Elemente wurden von den französischen Wissenschaftlern Pierre-Louis Dulong und Alexis-Thérèse Petit im Jahr 1819 als eng mit ihren Atomgewichten verbunden gezeigt. Das so genannte Gesetz von Dulong und Petit war hilfreich bei der Bestimmung der Atomgewichte bestimmter metallischer Elemente, aber es gibt viele Ausnahmen davon; die Abweichungen wurden später auf der Grundlage der Quantenmechanik als erklärbar befunden.
Es ist nicht korrekt, von der Wärme in einem Körper zu sprechen, da sich Wärme auf die Energie beschränkt, die übertragen wird. Die in einem Körper gespeicherte Energie ist keine Wärme (und auch keine Arbeit, denn auch Arbeit ist Energie, die übertragen wird). Üblich ist es jedoch, von fühlbarer und latenter Wärme zu sprechen. Die latente Wärme, auch Verdampfungswärme genannt, ist die Energiemenge, die notwendig ist, um eine Flüssigkeit bei konstanter Temperatur und konstantem Druck in einen Dampf zu verwandeln. Die Energie, die erforderlich ist, um einen Feststoff zu einer Flüssigkeit zu schmelzen, wird als Schmelzwärme bezeichnet, und die Sublimationswärme ist die Energie, die erforderlich ist, um einen Feststoff direkt in einen Dampf umzuwandeln, wobei diese Umwandlungen ebenfalls unter den Bedingungen konstanter Temperatur und konstanten Drucks stattfinden.
Luft ist ein Gemisch aus Gasen und Wasserdampf, und das in der Luft enthaltene Wasser kann seine Phase ändern, d.h. es kann flüssig (Regen) oder fest (Schnee) werden. Um zwischen der mit dem Phasenwechsel verbundenen Energie (der latenten Wärme) und der für eine Temperaturänderung erforderlichen Energie zu unterscheiden, wurde der Begriff der fühlbaren Wärme eingeführt. In einem Gemisch aus Wasserdampf und Luft ist die fühlbare Wärme die Energie, die erforderlich ist, um eine bestimmte Temperaturänderung zu erzeugen, ohne die Energie, die für eine Phasenänderung erforderlich ist.