Diese Sendung von Telekolleg-Physik schließt direkt an die letzte Sendung an. Aufbauend auf den Temperaturbegriff und die Gasgesetze werden verschiedene Wirkungen von Wärme dargestellt. Am Ende kann der Hauptsatz der Wärmelehre formuliert werden, der einen Zusammenhang zwischen Wärme, Arbeit und Energie aufzeigt. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
<<Überprüfen Sie ihr Wissen >>
An den Anblick eines Heißluftballons haben wir uns gewöhnt.
Diese edle Art des Fliegens haben bereits viele
Ballon-"Fahrer" erleben dürfen. Ein Massenstart
anlässlich eines Wettkampfs ist aber doch ein besonderer
Anblick. Es dauert eine ganze Weile, bis ein Heißluftballon
starten kann. Zunächst wird in der Hülle mit einem starken
Kaltluftgebläse ein größerer Hohlraum
geschaffen. Das volle Volumen beträgt 4000 m3. Außen
wird die Gondel
angehängt, in der später 3 bis 8 Personen Platz finden. In der
Gondel sind außerdem einige Gasflaschen gelagert, mit denen ein Gasbrenner
betrieben wird. Er wird jeweils für einige Sekunden gezündet,
bis der zunehmende Auftrieb
der erwärmten Luft eine Gewichtskraft von etwa 5 kN, das
entspricht 500 kg, ausgleicht. Der aufsteigende Heißluftballon
nützt offensichtlich Wärme, um Hubarbeit zu verrichten. Dieser
Zusammenhang wird am Ende der Sendung geklärt.
Wärme spielt aber auch in einem ganz anderen Zusammenhang
eine Rolle, nämlich bei den Aggregatzuständen. Wasser
kann z.B. in fester Form als Eis bzw. Schnee vorliegen; Wasser
kann auch in flüssiger Form vorliegen oder in Gasform als
sogenannter Wasserdampf. An einer kühlen Glasplatte
"kondensiert" aufsteigender Wasserdampf zu feinsten
Wassertröpfchen. Für die Übergänge zwischen je zwei
Aggregatzuständen gibt es feste Fachbegriffe
wie "erstarren" oder "verdampfen", die
bereits aus dem allgemeinen Sprachgebrauch bestens bekannt sind.
Weniger bekannt sind direkte Übergänge zwischen gasförmig und
fest; hier spricht man von "sublimieren"
und "desublimieren". Das Gas Kohlenstoffdioxid hat
diese seltene Eigenschaft. Wenn es aus einer Druckflasche
strömt, bilden sich zuerst weiße Flocken,
das sogenannte Trockeneis, das sich mit einer Temperatur unter
-65°C sehr gut für besondere Kühlaufgaben eignet. Ein Beispiel
für Schmelzen findet oft an Sylvester statt: Beim Bleigießen
wird eine Bleilegierung mit niedriger Schmelztemperatur über
einer Flamme verflüssigt. Nach dem Erstarren in Wasser bilden
sich skurrile Figuren, über die frei spekuliert werden kann.
Normaler Weise ändert sich bei Zuführung oder Entzug von
Wärme die Temperatur eines Materials. Auch bei den Übergängen
zwischen Aggregatzuständen muss Energie in Form von Wärme
zugeführt werden oder sie muss entzogen werden. Die Temperatur
jedoch ändert sich hier nicht. Wird z.B. Eis erwärmt, so
entsteht eine Mischung aus Eis
und Wasser der festen Temperatur 0°C. Erst wenn alles Eis
geschmolzen ist, steigt die Temperatur wieder. Wenn umgekehrt
Wasser gefrieren soll, muss dafür sehr viel Energie entzogen
werden. Dies nützen Obstbauern, um mit einem Trick
den Nachtfrösten im Frühjahr ein Schnippchen zu schlagen. Sie
besprühen die empfindlichen Obstblüten ausgiebig mit Wasser.
Dann kann der Frost nicht schaden, weil im Allgemeinen die Kälte
einer Nacht nicht ausreicht, um alles Wasser auf den Blüten zu
gefrieren. Die Übergangswärmen zwischen den Aggregatzuständen
werden jeweils auf ein Kilogramm bezogen und heißen dann z.B.
spezifische Schmelzwärme. Abgekürzt werden sie mit einem
kleinen Buchstaben q. Der Vergleich
von Wasser und Eisen zeigt typische Werte.
Zurück zu einzelnen Aggregatzuständen ohne Übergang, hier
bewirkt die Zufuhr von Wärme eine dazu proportionale Temperaturerhöhung.
Der Quotient aus Wärme und dem Produkt aus Masse und
Temperaturerhöhung ist eine Materialkonstante,
die Konstante wird spezifische Wärmekapazität c genannt.
Ihre Einheit Joule durch Kilogramm mal Kelvin deutet an, dass
damit eine Energiemenge pro Kilogramm und Kelvin gemeint ist. Ein
anschauliches Beispiel ist ein Nachtspeicherofen.
Dieser nutzt preiswerte elektrische Energie, die nachts angeboten
wird, um mit speziellen Steinen Wärme für den Tag zu speichern.
Diese Magnesitsteine
weisen eine hohe spezifische Wärmekapazität auf, d.h. bei
entsprechend großer Masse und Temperaturdifferenz können sie
viel Wärme speichern.
Nachdem nun die Wirkung von Wärme in Bezug auf
Temperaturänderungen bzw. zur Änderung des Aggregatzustands
geklärt sind, fehlt noch eine Beziehung zwischen den Größen
Wärme, Arbeit und Energie. Schließlich werden sie alle in Joule
gemessen. Bei einer Dampflokomotive
wird viel Wärme durch das Verbrennen von Kohle bereitgestellt.
In der Folge erhöht sich die Temperatur des Kesselwassers und
damit seine sogenannte innere Energie. Es wird aber auch gehörig
Arbeit zum Transport der Wagons verrichtet. Der Versuchsaufbau
für Experimente mit Luft aus der letzten Sendung erlaubt ein
schrittweises Verständnis. Die mittlere Geschwindigkeit der Gasmoleküle
ist ein Maß für die Temperatur des Gases; die zugehörige
Energie der Brown'schen Molekularbewegung heißt innere Energie U.
Wird am Gas Arbeit verrichtet, indem man mit dem Kolben das
Volumen verkleinert, dann erhöht diese Kompressionsarbeit den
Druck und die Temperatur; es erhöht sich die potentielle Energie
und die innere Energie. Wird umgekehrt das Gas erhitzt, dann
schiebt sich der Kolben nach außen und er kann Arbeit
verrichten. Insgesamt gilt dabei der 1.Hauptsatz
der Wärmelehre: Die Änderung der inneren Energie ist gleich der
Summe aus Arbeit und Wärme. Dabei wird mit dem Vorzeichen plus
oder minus dargestellt, ob der Betrag an Joule dem Gas zugute
kommt, oder ob er abgeführt wird. Als dieser Hauptsatz noch
nicht erkannt war, war die Idee eines perpetuum
mobile sehr populär. Heute ist klar, dass es keine Maschine
geben kann, die Arbeit verrichtet, ohne dass entsprechend Energie
zugeführt wird.