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Wärmekapazität

Der Begriff der Wärmekapazität oder genauer der spezifischen Wärmekapazität bezieht sich auf die Thermodynamik von Stoffen, speziell auf deren Fähigkeit, thermische Energie zu speichern.

Definition

Als spezifische Wärmekapazität eines in einem bestimmten Zustand befindlichen Stoffes ist dessen Wärme zu verstehen, die einer definierten Menge des Stoffes entzogen oder zugeführt wird, geteilt durch die dazu gehörende Temperaturerniedrigung oder –erhöhung sowie der Masse des Stoffes:

C = ΔQ ÷ (m × ΔT)

ΔQ entspricht der Wärme, die zu- oder abgeführt wird
m ist die Masse

ΔT = T₂ – T₁ als Differenz der End- und der Anfangstemperatur

Im internationalen Einheitensystem SI sieht die Einheit der spezifischen Wärmekapazität so aus:

[c] = 1 J / kg× K

Beispiel: Flüssiges Wasser besitzt eine Wärmekapazität von:

[c] = 4,2 kJ / kg× K

Das bedeutet, dass einem Kilogramm Wasser 4,2 Kilojoule Energie zugeführt werden muss, um seine Temperatur um 1 Kelvin zu erhöhen.

Die spezifische Wärmekapazität verändert sich meist mit der Temperatur und ist so für jeden Materiezustand verschieden. Wasser (Flüssig) hat eine der höchsten spezifischen Wärmekapazitäten unter den herkömmlichen Stoffen, 4,2 kJ bei 20 ° C; die von Eis hingegen mit knapp unter 0 ° C beträgt nur 2,0 kJ. Die spezifischen Wärmekapazitäten von Eisen, Granit und Wasserstoffgas betragen 4,5 kJ, 7,9 kJ bzw. 14,3 kJ. Während die Stoffe einen Phasenübergang durchlaufen, wie z. B. Kochen oder Schmelzen, ist die spezifische Wärme technisch gesehen unendlich, da die Wärme ihren Zustand ändert und nicht einfach die Temperatur erhöht. Die spezifische Wärme von Stoffen, im Besonderen von Gasen, kann wesentlich höher sein, wenn sich die Stoffe beim Erhitzen ausdehnen dürfen (spezifische Wärme bei konstantem Druck), als wenn sie sich in einem geschlossenen Gefäß erhitzten, das eine Expansion verhindert (spezifische Wärme bei konstantem Volumen). Diese Werte werden normalerweise mit cP oder cV bezeichnet; ihr Quotient γ = cP / cV ist das Wärmekapazitätsverhältnis.

In manchen Zusammenhängen kann sich der Begriff der spezifischen Wärmekapazität (oder der spezifischen Wärme) auf das Verhältnis von spezifischen Wärmewerten eines Stoffes bei einer bestimmten Temperatur und eines Referenzstoffes bei einer Referenztemperatur, wie etwa Wasser bei 15 ° C, beziehen; in der Art oder Form des spezifischen Gewichts. Wenn die Stoffmenge in mol gemessen wird, ist stattdessen das Ergebnis die molare Wärmekapazität (SI-Einheit = J / K mol). Wenn die Stoffmenge als Volumen angenommen wird (wie es zuweilen in der Technik vorkommt), erhält man die volumetrische Wärmekapazität (SI-Einheit = J / K / m3 ist). Joseph Black, ein im 18. Jahrhundert in Glasgow lehrender Professor für Medizin, war einer der ersten Wissenschaftler, der den Begriff der Wärmekapazität verwendete.

Quizfragen zum Thema

1. Welche Wärme wird benötigt, um 2 Liter Wasser von 20 auf 80 Grad C zu erwärmen?

   Zuerst werden die 2 L Wasser in Gewicht umgelegt, also 2 kg. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist 4,2 bzw 4190 J und die Temperaturdifferenz von 20 zu 80 Grad sind 60 Grad bzw. 60 Kelvin

   ΔQ = 2kg × (4190J / kg*K) × 60K

   ΔQ = 502800J

2. 12 Liter Wasser mit 20 Grad werden mit 18 Litern Wasser mit 40 Grad vermischt. Welche Endtemperatur ergibt sich?

   T_M = (12kg × 20 C + 18kg × 40 C) / (12kg + 18kg) = 32 C

3. Es sollen 15 Liter Wasser von 14 auf 38 Grad erwärmt werden wie groß ist der Wärmebedarf in Joule?

   Umstellen Liter nach Kilogramm = 15 L = 15 kg
   Differenz von 14 zu 38 Grad beträgt 24 Grad
   Wärmekapazität von Wasser = 4,19
   4,19 × 15 × 24 = 1508,4
   Es werden 1508,4 Joule benötigt.

4. Welcher Stoff besitzt die höchste spezifische Wärmekapazität?

   Flüssiges Wasser hat die höchste spezifische Wärmekapazität.

5. Wie verhält sich der Temperaturanstieg von Stoffen mit geringer Wärmekapazität zu Stoffen mit hoher Wärmekapazität?

   Bei Stoffen mit geringer Wärmekapazität steigt die Temperatur schneller an als bei Stoffen mit hoher Wärmekapazität.

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