Heat Capacity and Heat Transfer

00:01 Nun wollen wir uns das Phänomen der Wärmeübertragung genauer ansehen.

00:06 Wir werden besprechen, wie Wärme Systemen zugeführt werden kann oder was passiert, wenn Wärme das System verlässt.

00:12 Ich werde kurz nochmal auf die Einheiten eingehen, um sicherzustellen, dass wir mit ihnen vertraut sind.

00:15 Wir haben über Q gesprochen. Der Großbuchstabe Q steht für Wärme.

00:19 Jedes Mal, wenn Sie diesen Buchstaben Q sehen, sollten Sie also unbedingt an die Wärmeübertragung denken.

00:23 Es geht dabei um thermische Energie, die in die Systeme einfließt oder aus ihnen austritt.

00:26 Vergessen Sie nicht, dass wir auch neue Einheiten für die Wärme eingeführt haben.

00:29 Eine davon lautet Joule, die neue lautet Kalorien.

00:32 Hierbei entspricht eine Kalorie 4,2 Joule.

00:36 Wir können nun auf etwas zurückkommen, das wir vor einer Weile schon einmal erwähnt hatten, nämlich die Wärmekapazität.

00:43 Erinnern Sie sich: Die Wärmekapazität beschreibt, wie viel Energie wir einem System zuführen müssen, wenn wir wollen, dass die Temperatur um einen bestimmten Betrag ansteigt.

00:53 Wir sehen also schon von Anfang an, dass es einen Unterschied zwischen der Wärme und der Temperatur gibt.

00:59 Die Gleichung für die Wärmekapazität sieht wie folgt aus: die Veränderung der Wärmemenge steht im Zähler.

01:05 Die Temperaturänderung des Systems steht im Nenner.

01:09 Nochmals zur Rekapitulation: die Wärmemenge beziehungsweise die Wärme, die Sie hinzufügen, und die Temperaturänderung eines Systems sind unterschiedliche Größen. Dies wird uns durch die Formel für die Wärmekapazität gezeigt.

01:21 Wir haben auch schon die spezifische Wärmekapazität erwähnt und festgehalten, dass sie angibt, wie viel Energie pro Temperatureinheit für eine bestimmte Menge an Masse benötigt wird.

01:30 Bei den Aufgabenstellungen müssen Sie also darauf achten, welche dieser Größen gegeben sind.

01:34 Achten Sie darauf, ob Sie die Anzahl der Joule pro Kelvin kennen, also die Menge an Energie pro Temperatur, oder ob Sie die Menge an Joule pro Kelvin mal Masse kennen.

01:41 Dabei ist es unwichtig, ob die Masse in Gramm oder anders angegeben ist.

01:43 Seien Sie also vorsichtig und achten Sie auf diese Einheiten.

01:46 Schauen Sie sich noch einmal die Gleichungen für die Wärmekapazität und die spezifische Wärmekapazität an, die wir hier haben.

01:51 Wir stellen die Wärme, die wir unserem System zuführen, mit den Großbuchstaben Q dar.

01:58 Beachten Sie, dass Sie immer zwischen der Wärmekapazität und der spezifischen Wärmekapazität wechseln können, indem Sie mit der Masse multiplizieren.

02:06 Es besteht also eine einfache Beziehung zwischen diesen beiden Größen.

02:09 Die einem System bei einer bestimmten Temperaturänderung zugeführte Wärme ist definiert als die Wärmekapazität mal die Temperaturänderung.

02:17 Die Wärmekapazität wird in Joule pro Kelvin angegeben. Die bei einer bestimmten Temperaturänderung zugeführte Wärme ist gleich der spezifischen Wärmekapazität mal die Masse mal die Temperaturänderung.

02:25 Die Masse der spezifischen Wärmekapazität steht im Nenner.

02:28 So können Sie sich immer sicher sein, dass Sie bei den Rechnungen und Umrechnungen keine Fehler machen.

02:31 Sie haben vielleicht schon bemerkt, dass wir im Gegensatz zu dem, was wir zuvor besprochen haben, jetzt den Großbuchstaben Q für die Wärme verwenden.

02:37 Seien Sie sich also darüber im Klaren, dass in verschiedenen Kontexten, vor allem in der Chemie, häufig für die Wärme der Kleinbuchstabe q anstelle des Großbuchstabens Q verwendet wird.

02:46 Wir werden den Großbuchstaben Q im weiteren Verlauf dieser Thermodynamik-Vorlesungsreihe immer wieder verwenden.

02:51 Es gibt nur wenige Möglichkeiten, wie Wärme zwischen Objekten übertragen werden kann.

02:54 Eine Möglichkeit ist die Leitung.

02:56 Sie findet statt, wenn zwei Objekte mitsamt der Atome oder Moleküle direkt miteinander in Kontakt stehen.

03:00 Wenn bei einem der Objekte die Atome und Moleküle aufgrund der Wärme anfangen, zu vibrieren, kann die Wärme direkt auf die Atome oder Moleküle des anderen Objekts übertragen werden.

03:07 Dies geschieht durch Konduktion aufgrund des Zusammenstoßes beziehungsweise Kontakts dieser Moleküle oder Atome miteinander.

03:13 Eine andere Möglichkeit der Wärmeübertragung wäre, ein drittes Objekt zu erhitzen.

03:17 Beispielsweise könnte man die Luft erhitzen und diese Luft könnte dann im Zuge der Konvektion die Wärme von einem System auf das andere transportieren.

03:25 So hätte man mit beispielsweise der Luft als dritten Bestandteil einen Vermittler, der die Wärme von einem System entzieht und sie dann einem anderen System zuführt.

03:32 Das Prinzip wird zum Beispiel häufig bei Backöfen verwendet, wenn Sie die Umluft zum Erhitzen Ihrer Speisen anschalten.

03:36 Hierbei werden gewisse Formen von Heizverfahren verwendet, um die Luft zu erwärmen und dann die Speisen mithilfe der Konvektion zu garen, indem die heiße Luft weitergeleitet wird, anstatt dass die Lebensmittel direkt mit einer heißen Oberfläche in Kontakt kommen.

03:47 Schließlich gibt es noch eine letzte Möglichkeit, Wärme zwischen Systemen zu übertragen, nämlich durch Strahlung.

03:53 Das ist genau die Strahlung, über die wir in der Vergangenheit bereits diskutiert haben.

03:56 Es handelt sich dabei um Photonen. Wir sprechen von elektromagnetischen Wellen, die von einem System mit Wärmeenergie ausgehen und dieses aufgrund der Molekülbewegung verlassen.

04:04 Die Bewegung der Moleküle, die wir vor allem im Zusammenhang mit der Infrarotstrahlung besprochen haben, sendet Photonen von einem wärmeren System aus.

04:13 Diese Photonen können dann auf ein kälteres System auftreffen und dieses mittels Wärmeübertragung durch Photonen beziehungsweise durch Strahlung beeinflussen.