Wärmeenergie und innere Energie

Hallo! Ich bin euer Physik-Siggi. Heute werde ich euch etwas über die innere Energie eines Körpers sagen und über die Wärmeenergie. Ihr werdet beides unterscheiden können und an Beispielen Energieumwandungen verstehen. Es wäre gut, wenn ihr dafür schon ein wenig vom atomistischen Aufbau eines Stoffes wüsstet. Auch ist es gut, wenn ihr mit den Begriffen Arbeit, Druck, Temperatur und Volumen umgehen könnt. Im Video "Grundlagen atomistischer Aufbau" habt ihr bereits die Brown'sche Bewegung kennengelernt. In festen und in flüssigen Körpern schwingen die kleinsten Teilchen, aus denen der Körper besteht, um ihre Ruhelage. Meist sind die kleinsten Teilchen Moleküle, zum Beispiel im Wasser, H2O, oder aber Atome, zum Beispiel im reinen Eisen. Diese Teilchen schwingen also um ihre Ruhelage. Ihr könnt euch das so vorstellen, als ob an das Teilchen in alle Himmelsrichtungen eine Feder angebracht ist, also 6 Federn, und am Ende jeder Feder das nächste Teilchen sitzt. Im Bild habe ich dies nur zweidimensional dargestellt. Die Teilchen können nun schwingen. Dieses Modell kann man nur für feste Körper verwenden. Im flüssigen Zustand können sich die Teilchen austauschen. Dann funktioniert eher ein Bild von einem Bällchenbad. Hier können die Bälle beliebig hin und her wandern und werden gleichzeitig gerüttelt. Das Schwingen wird als innere Energie U bezeichnet, wobei im festen Zustand noch die Spannungsenergie zwischen den Teilchen hinzu kommt. Je stärker die Teilchen schwingen, desto mehr Platz brauchen sie, desto größer wird die innere Energie und desto größer wird auch die Temperatur des Körpers. Ihr kennt dies bereits bei den Gasen. Dort ist die innere Energie gleich der Bewegungsenergie der Teilchen, also nur die kinetische Energie. Diese ist für ein Teilchen als Ekin=3/2KB×T definiert. Dies habt ihr im Film "Die Grundgleichung der kinetischen Gastheorie" erfahren. Die innere Energie des ganzen Gases ist dann die kinetische Energie aller Teilchen. Also muss man noch mit der Teilchenzahl N multiplizieren. Ihr müsst jedoch beachten, dass dies nur für einatomige Gase gilt. Besteht das Gas aus Molekülen, so kommen noch weitere Energien hinzu. Die einzelnen Moleküle können sich drehen. Das nennt man Rotationsenergie. Die einzelnen Atome eines Moleküls können vibrieren. Dies nennt man Vibrationsenergie. Für mehratomige Gase ist demnach die innere Energie U gleich der Summe all dieser Energien für jedes Teilchen. Bei einatomigen Gasen kann sich nichts drehen und nichts vibrieren. Also gilt, wie schon bestimmt, die innere Energie ist gleich der kinetischen Energie. Wir sehen deutlich, die innere Energie wird größer, wenn die Temperatur größer wird. Wie kann ich also die innere Energie eines Körpers verändern? Wir müssen eine bestimmte Energie nehmen und sie in innere Energie umwandeln. Es gibt da 2 Möglichkeiten: 1. Ich kann Arbeit anwenden. Ihr wisst, dass die mechanische Arbeit gleichzeitig eine Energieänderung ist. Das heißt, ich nehme meine Arbeit und stecke sie in einen Körper. Dieser speichert dann diese Arbeit in Form von innerer Energie. Zum Beispiel könnt ihr an einem Körper reiben, wie z. B. beim Gitarre spielen. Eure Finger reiben an den Saiten. Dazu müsst ihr über eine gewisse Strecke s eine Kraft F anwenden. Das bezeichnen wir als Arbeit. Dabei wird nun das Federgitter eures Fingers ein wenig verschoben. Die Federn werden stärker ausgedehnt, das heißt sie schwingen schneller. Schnelleres Schwingen bedeutet, dass die innere Energie steigt. Das bedeutet, dass die Temperatur steigt. Eure Finger werden warm. Sie brennen, wenn ihr nur lange genug spielt, also viel Arbeit in innere Energie umwandelt.  Ein anderes Beispiel: Man kann auch mit dem Hammer auf einen Körper schlagen. Die Federn werden zusammengedrückt und die Teilchen schwingen schneller. Der Körper wird heiß. Ihr kennt dies beim Schmied. Er braucht nur oft genug auf sein Eisen zu hauen und irgendwann glüht es. Er arbeitet dafür, dass die innere Energie des Eisens steigt. Seine gesamte Arbeit wurde somit in innere Energie umgewandelt. Jetzt ist er schwach und braucht neue Energie. Diese Energie kann er sich holen, wenn er zum Beispiel einen Apfel isst. Dieser enthält Zucker. Den Zucker kann der Magen dann so umwandeln, dass der Schmied wieder seine Muskeln bewegen kann und die Energie des Apfels letztendlich in das nächste Stück Eisen stecken kann. Die 2. Art, wie man die innere Energie eines Körpers A verändern kann, besteht darin, dass man an den Körper einen wärmeren Körper B stellt. Wenn beide Körper Kontakt haben, dann überträgt sich die schnelle Schwingung des warmen Körpers auf den kalten. Das heißt, die Temperatur von Körper A steigt, die von B sinkt. Und genauso verhält es sich mit den inneren Energien: UA steigt und UB sinkt. Die innere Energie des kalten Körpers steigt also, bis die Teilchen der beiden Körper gleich schnell schwingen und damit beide die gleiche innere Energie haben. Es ist also Energie übertragen worden. Diese übertragene Energie nennen wir Wärmeenergie oder einfach nur Wärme. Wärme erhöht also die innere Energie. Ihr kennt dies, wenn ihr in den kalten See springt und stehen bleibt. Eure innere Energie wird als Wärme an den See übertragen. Wenn ihr lange genug drinnen bleibt, kühlt ihr ab. Es sei denn, ihr schwimmt. Dann verrichtet ihr Arbeit und erhöht damit wieder eure eigene innere Energie. Ihr bleibt warm. Oder die heiße Herdplatte. Sie regt ständig die Teilchen des Topfes zu Schwingungen an und diese regen die Wassermoleküle des kalten Wassers an, bis das Wasser heiß geworden ist. Es wurde Wärme übertragen. Oder, als letztes Beispiel: Das brennende Holz regt die Luft zum Schwingen an und macht sie warm. Wärme wurde übertragen. Wichtig: 1. Wärmeenergie ist nicht die Temperatur. 2. Wärme ist die Energie, die vom heißen zum kalten Körper übertragen wird. 3. Energie, Arbeit und Wärme haben die gleiche Einheit, nämlich J (Joule). Wird an einen Körper Wärme übertragen, so steigt seine Temperatur. Dies gilt jedoch nicht immer, zum Beispiel beim Verdunsten. Bei 100°C überträgt die Herdplatte weiter Wärmeenergie an das Wasser. Jedoch nutzt das Wasser die Wärme nicht mehr um wärmer zu werden, sondern um die feste Struktur des Wassers zu durchbrechen und damit, um zu Gas zu werden. Die Temperatur bleibt dabei gleich. Diese Wärme, die benötigt wird, um die Struktur aufzulösen, heißt Verdunstungswärme. Das Gleiche gilt beim Übergang von fest zu flüssig. Dort heißt die benötigte Energie Schmelzwärme. Zur Wiederholung: Die innere Energie in festen Körpern ist die Bewegungsenergie der Teilchen + einer Spannungsenergie. Im flüssigen Zustand ist die innere Energie nur die Bewegungsenergie der Teilchen. Im gasförmigen Zustand ist sie die kinetische Energie aller Teilchen + die Rotationsenergie und die Vibrationsenergie der Teilchen selbst. Die letzten beiden Energien gibt es aber nur im mehratomigen Gas. Die Wärme ist die Energie, die vom warmen zum kalten Körper übertragen wird. Im nächsten Video könnt ihr verstehen, wie die zugeführte Wärme mit der Temperaturerhöhung des Körpers zusammenhängt. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.