Mär 04, 2019

Der Unterschied zwischen Temperatur und Wärme

Zwei Begriffe, die im Alltag sehr gerne synonym verwendet werden, sind Temperatur und Wärme. Allerdings besteht zwischen diesen beiden Begriffen ein besonders für die physikalische Chemie und Thermodynamik relevanter Unterschied. Die Nutzung von Temperatur und Wärme als ähnlich oder gleich ist auf das subjektive Empfinden des Menschen von warm und kalt zurückzuführen. 100 °C werden von den meisten Menschen als heiß empfunden, -5 °C als kalt. Werden zwei unterschiedliche Stoffe mit dieser Temperatur verglichen, kann ihre Wärme aber durchaus eine unterschiedliche sein.

Aber eins nach dem anderen, zuerst sollte zumindest einer der Begriffe ein wenig genauer beleuchtet werden. Temperatur ist in meinen Augen etwas vergleichsweise Intutivies und Verständliches, weil es sich dabei um eine alltägliche Größe handelt. Temperaturen in °C begleiten uns mit jedem Blick auf den Wetterbericht. °F schließe ich an der Stelle mal bewusst aus.
Die SI-Einheit der Temperatur ist übrigens Kelvin (ohne °/Grad) mit absolutem Nullpunkt bei 0 K, umgerechnet etwa -273.15 °C. Der absolute Nullpunkt heißt absolut, weil die Temperatur nicht weiter sinken kann. Genau genommen ist der absolute Nullpunkt selbst nicht zu erreichen, es kann sich diesem aber angenähert werden. Ich schließe °F daher bewusst aus, weil Kelvin und Grad Celsius einfach ineinander umgerechnet werden können, Kelvin und Grad Fahrenheit hingegen nicht.
Aber zurück zum eigentlichen Temperaturbegriff: In Stoffen liegt auf atomarer Ebene die Ursache der Temperatur in der ungeordneten Bewegung der Teilchen. Atome sind immer in Bewegung. Nach bestimmten Vereinfachungen könnte in Gasen sogar die Temperatur als Maß der mittleren kinetischen Energie der Teilchen verwendet werden.
Kinetische Energie, was war das nochmal? Diese ist definiert nach \(E = \frac{1}{2} m v^2\) und hat als Faktoren die Masse der Teilchen und deren Geschwindigkeit. Geschwindigkeit, Bewegung der Teilchen, das hängt miteinander zusammen.
Die Messung von Temperatur ist vergleichweise einfach, je nachdem, wie genau es sein sollte. Mithilfe des Aggregatzustands von Wasser kann bestimmt werden, ob die Temperatur kleiner als 0 °C ist, zwischen 0 und 100 °C oder größer als 100 °C. Der Nullpunkt der Temperaturskala für °C ist nämlich durch den Gefrierpunkt des Wassers gewählt und festgelegt. Zugegeben, diese Art der Temperaturmessung ist vergleichsweise ungenau, genauere Thermometer funktionieren beispielsweise mit einer Änderung des Volumens durch Änderung der Temperatur.

Wenn der Begriff Temperatur so vieles einnimmt, was wir gerne auch im Alltag als Wärme verstehen, was ist dann eigentlich Wärme? Zugegeben, Wärme und Temperatur sind keine vollkommen unterschiedlichen Größen, die rein gar nichts miteinander zu tun haben. Das haben sie nämlich durchaus. Wärme ist eine Form von Energie, die die meisten Menschen schon mal erlebt haben. Je nachdem, wie stark der Prozessor des Endgeräts, auf dem das hier gerade gelesen wird, beansprucht wird, wird mehr oder weniger Wärmeenergie frei. In dem Moment können wir unter Umständen realisieren "Oh, das Endgerät wird warm", denn andere Energieformen werden in Wärme umgewandelt und tatsächlich hängt damit auch ein Temperaturunterschied zusammen. Das liegt darin, dass Wärme die Energieform ist, die zwischen Körpern mit unterschiedlicher Temperatur ausgetauscht wird. Der Prozessor erwärmt die Umgebung. Genau genommen wird Wärme vom Körper mit höherer Temperatur auf den mit niedrigerer Temperatur übetragen. Somit wird, wenn wir etwas kühlen, eigentlich nur der gekühlte Körper weniger warm.
Wie kann der Unterschied zwischen Temperatur und Wärme verdeutlicht werden? Werden auf zwei identischen Herdplatten Töpfe mit einer unterschiedlichen Menge an Wasser für eine identische Zeit erwärmt, so wird das Wasser mit dem kleineren Volumen eine höhere Temperatur aufweisen als das mit dem größeren Volumen. Die Wärme, die zugeführt wurde, ist gleich, die Temperatur aufgrund des Volumens unterschiedlich.
Im Übrigen ist Wärme keine Zustandsgröße, was bedeutet, dass es keinen definierten Wärmeinhalt eines Körpers gibt. Es ist eine Prozessgröße im Sinne des Wärmeflusses zwischen zwei Körpern, eine Form der Energieübertragung. Die Temperatur hingegen lässt sich als Zustandsgröße definieren, die mehr oder weniger einfach und genau gemessen werden kann.

Ein kurzer Blick auf die Einheiten von Temperatur (Grad Celsius, Kelvin oder irgendwas Komisches) und Wärme (Joule) hätte vermutlich auch für diesen Beitrag ausgereichet, um irgendwie zu begründen, dass Wärme und Temperatur nicht gleich sein können. Das wäre nur vermutlich weniger verständlich gewesen. Ich möchte allerdings trotzdem kurz nochmal auf das Kelvin als SI-Einheit eingehen, das ab 20. Mai 2019 auch eine Neudefinition erhalten wird. Über die sogenannte Boltzmann-Konstante wird das Kelvin in Abhängigkeit zu Sekunde, Meter und Kilogramm definiert und nicht mehr über den Tripelpunkt (der Punkt, an dem die Zustände fest, flüssig und gasförmig in einem Gleichgewicht zueinander liegen, also einfach gesagt alle gleichzeitig auftreten) des Wassers.