Spezifische Wärme

 

Spezifische Wärme ist ein weiteres wesentliches Konzept, das Substanzen mit Temperatur in Beziehung setzt. Es wird als „c“ bezeichnet und beschreibt die Wärmemenge, die einer Substanz zugeführt werden muss, um ihre Temperatur um ein Grad zu erhöhen. Angesichts der großen Bedeutung dieses Konzepts für Kühlsysteme und auch im täglichen Leben werden seine Definition sowie Informationen zu seinen Anwendungen bereitgestellt. 

Das Konzept der spezifischen Wärme

Die spezifische Wärme ist auch bekannt als die spezifische Wärmekapazität einer Substanz. Es handelt sich um eine Größe, die die Fähigkeit eines bestimmten Materials definiert und misst, Energie in Form von Wärme intern zu speichern. Ebenso kann das Konzept der spezifischen Wärme definiert werden als die Energie, die erforderlich ist, um die Temperatur einer gegebenen Substanz um ein Grad zu erhöhen . Gemäß dem internationalen System (SI) wird eine solche Messung in Joule angegeben. Konkret wird die Menge an Joule gemessen, die erforderlich ist, um die Temperatur um ein Grad Kelvin (K) zu erhöhen. Bezüglich der Masse, die als Referenz verwendet wird, beträgt diese 1 kg. 

Wie oben erwähnt, wird die spezifische Wärme durch den Buchstaben C dargestellt. Wenn es sich daher um eine Substanz handelt, die viel Energie oder Joule benötigt, um ihre Temperatur um ein Grad Kelvin zu erhöhen, spricht man von einer Substanz mit einem hohen spezifischen Wärme-Wert. Wenn sie wenig Energie benötigt – das heißt, wenn es sich um eine Substanz handelt, die ihre Temperatur leicht erhöhen kann – sprechen wir von einer Substanz mit einem niedrigen spezifischen Wärme-Wert. Dies lässt sich durch Beispiele aus dem Bereich der Metalle veranschaulichen; insbesondere durch den Vergleich der Energie, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 kg Blei und 1 kg Magnesium um ein Grad Kelvin zu erhöhen. Achtmal mehr Energie wird benötigt, um die Temperatur von Magnesium im Vergleich zu Blei zu erhöhen. 

Daher muss eine weitere Eigenschaft der spezifischen Wärme genannt werden. Wenn jede Substanz durch ihre molekulare Natur definiert wird, kann daraus geschlossen werden, dass die spezifische Wärme der Substanzen einzigartig ist. Das heißt, jede Substanz hat als spezifische Eigenschaft ihre spezifische Wärme, und diese Eigenschaft ist einzigartig für diese Substanz. Diese Messwerte können in einer Referenztabelle nachgelesen werden. Es ist jedoch hinzuzufügen, dass es Faktoren wie Druck gibt, die andere Variablen wie den Siedepunkt verändern können. 

Der Begriff „spezifische Wärme“ hat seinen Ursprung bei dem Physiker Joseph Black, der sich der Untersuchung des Phänomens der Wärme widmete. Zunächst wurde die Eigenschaft der spezifischen Wärme als „Wärmefähigkeit“ definiert. Der Grund dafür ist, dass Thermodynamik und Mechanik in dieser Zeit als getrennte und nicht miteinander verknüpfte Wissensbereiche galten. Der Begriff „spezifische Wärme“ ist eigentlich anachronistisch, da der Prozess eher von einem Transfer handelt und die Substanzen keine „spezifische“ oder „eigene“ Wärme besitzen. Dennoch wird der Begriff seit der Zeit von Joseph Black verwendet, obwohl er technisch in Bezug auf den Wärmetransfer und nicht als spezifische Eigenschaft von Substanzen definiert werden sollte.

Bedeutung der spezifischen Wärme in der Thermodynamik

Der Aggregatzustand von Materie kann in drei Formen vorliegen: flüssig, gasförmig oder fest. Dieser Zustand der Materie kann künstlich verändert werden. Die spezifische Wärmekapazität eines Materials gibt an, wie viel Wärme erforderlich ist, um eine Substanz zu erwärmen; daher besteht eine direkte Beziehung zwischen Thermodynamik und spezifischer Wärme. Zunächst muss sie mit Druck in Beziehung gesetzt werden. Das Volumen und der konstante Druck werden in der Regel als Referenz in einem Medium herangezogen, in dem die Wärmezufuhr eine Niveauerhöhung bewirkt. Tatsächlich, wenn Wärme einer Substanz zugeführt wird, bewirkt dies die Bewegung der Atome, aus denen ihre Moleküle bestehen. Dies liegt an der Wärmeenergie, die sie aufnehmen. Diese Bewegung führt dazu, dass sich das Volumen erhöht, da der Raum zwischen den Atomen mit steigender Temperatur zunimmt. 

Tatsächlich wird der flüssige Zustand dieser Komponente gasförmig, wenn die Temperatur weiterhin steigt und die Bindungen zwischen seinen Molekülen sich so weit ausdehnen, dass sie versuchen, so viel Raum wie möglich einzunehmen. Somit besteht eine direkte Beziehung zwischen Temperatur und Volumen. Aus diesem Grund besteht auch eine direkte Beziehung zum Druck. 

Je höher der Druck, desto geringer das Volumen; auf diese Weise ist es möglich, den Zustand, in dem sich eine Substanz befindet, durch Änderung ihrer Temperatur oder ihres Drucks zu verändern. Wie gesagt, wenn die Temperatur steigt, erhöht sich die kinetische Energie der Moleküle einer Substanz, was zu einem Zustandswechsel führen kann. Schrittweise von fest – wenn die Bewegung geringer ist – zu flüssig und schließlich zu gasförmig – wenn die Bewegung und Trennung maximal sind –. Ähnliches passiert mit dem Druck, jedoch umgekehrt proportional. Je höher der Druck, desto weniger Bewegungsspielraum haben die Atome der Moleküle, und desto „enger“ bleiben ihre Bindungen. Daher ist eine Möglichkeit, eine Substanz vom gasförmigen in den flüssigen oder vom flüssigen in den festen Zustand zu überführen, der Druck. 

Wie bereits erwähnt, ist Druck mit Temperatur verbunden, da in der Atmosphäre selbst bei niedrigen Temperaturen die Dichte oder der Druck in der Luft steigt, was das Gewicht auf alles um sie herum erhöht. Dies ist genau der Grund, warum der Siedepunkt je nach Höhe (atmosphärischer Druck) variiert. Es ist auch dieses Konzept, das die Kondensation erklärt: Wenn Wasser oder eine in der Luft schwebende Substanz abkühlt, kommen ihre Moleküle zusammen und wechseln vom gasförmigen in den flüssigen Zustand. Beim künstlichen Manipulieren des Zustands einer Substanz können auch Druckänderungen vorgenommen werden. Genau aus diesem Grund ist es so wichtig, die Werte zu kontrollieren, um jeden potenziellen Zustandswechsel in dieser Substanz zu vermeiden, 

der in verschiedenen Bereichen Anwendung findet. Beispielsweise versucht man im Bauwesen, Materialien zu verwenden, die eine hohe spezifische Wärmekapazität haben können, um Räume im Sommer kühl zu halten. In der Industrie sucht man Materialien für den Bau von Heizsystemen und Öfen, die dazu beitragen, ihre Leistung zu maximieren und ihre Effizienz zu verbessern.

Spezifische Wärme und Wärmekapazität

Substanzen oder Objekte absorbieren unterschiedliche Wärmemengen. Dies ist eine Erfahrung, die man im Alltag beobachten kann, und sie zeigt uns ihre Fähigkeit, Wärme zu „absorbieren“ und zu speichern. Die spezifische Wärme muss jedoch von der Wärmekapazität unterschieden werden: Die Wärmekapazität kann definiert werden als die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur einer bestimmten Substanzmenge um ein Grad zu erhöhen. Es handelt sich also um einen Wert, der von der Menge der Substanz abhängt: Zur Verdeutlichung kann gesagt werden, dass, obwohl das Wasser in einem Glas dasselbe ist wie das in einem Pool, die Wärmemenge, die benötigt wird, um den Pool zu erhitzen, viel höher ist als die des Glases. Daher ist es eine extensive Eigenschaft, die in Wärme über Grad Celsius ausgedrückt wird.