Was genau ist Wärme?

Ich werde versuchen, eine Antwort in rein klassischer Thermodynamik zu geben.

Zusammenfassung

Wärme ist eine Möglichkeit, die Energieübertragung zwischen thermodynamischen Systemen zu erklären . Jegliche Energie, die nicht als Arbeit übertragen wird, wird als Wärme übertragen. Wenn Sie einen thermodynamischen Prozess beobachten und berechnen, dass System A verloren geht$Q$Kalorien Wärme, das heißt, wenn die Umgebung um System A ersetzt würde$Q$Gramm Wasser bei$14\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$und der Vorgang wiederholt würde, würde die Temperatur dieses Wassers ansteigen$15\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$.

Energie

Energie ist eine Zahl, die mit dem Zustand eines Systems verbunden ist. Es kann berechnet werden, wenn Sie die Zustandsvariablen angeben - Dinge wie Masse, Temperatur, chemische Zusammensetzung, Druck und Volumen. (Diese Zustandsvariablen sind nicht alle unabhängig, daher müssen Sie nur eine Kombination davon angeben.)

Manchmal kann die Energie sehr einfach abgerechnet werden. Bei einem idealen Gas ist die Energie einfach proportional zur Temperatur, Anzahl der Moleküle und Anzahl der Dimensionen. Für ein System mit interessanter Chemie, inneren Spannungen und Verformungen, Gravitationspotential usw. kann die Energie komplizierter sein. Im Wesentlichen müssen wir die Formeln für Energie erfinden, die für uns am nützlichsten sind.

Einen schönen Überblick über Energie gibt es hier in den Feynman Lectures . Für eine eher theoretische Sichtweise, woher diese Energieformeln kommen, siehe Lubos Motls Antwort hier .

Energieeinsparung

Solange wir Energie richtig definieren, stellt sich heraus, dass Energie erhalten bleibt.

Angenommen, wir haben ein isoliertes System. Befindet es sich nicht im Gleichgewicht, kann sich sein Zustand ändern. Energieerhaltung bedeutet, dass am Ende der Änderung der neue Zustand die gleiche Energie hat. (Aus diesem Grund wird Energie oft als Einschränkung behandelt. Beispielsweise maximiert ein isoliertes System seine Entropie unter der Einschränkung, dass Energie erhalten bleibt.)

Bleibt die Frage, was ein isoliertes System ist. Wenn wir ein anderes System (die Umgebung) nehmen und es um das isolierte System herum belassen, finden wir keine beobachtbaren Änderungen in der Umgebung, wenn sich der Zustand des isolierten Systems ändert. Beispielsweise können Änderungen in einem isolierten System nicht die Temperatur, den Druck oder das Volumen der Umgebung verändern. Praktisch sollte ein isoliertes System keine physikalischen Mechanismen haben, um mit dem Rest des Universums zu interagieren. Materie und Strahlung können nicht austreten oder eintreten, und es kann keine Wärmeleitung geben (bei letzterem nehme ich natürlich die Waffe, aber nehme "Wärmeleitung" vorerst als groben Begriff). Ein perfekt isoliertes System ist nur eine Idealisierung.

Als nächstes beobachten wir die Interaktion der Systeme A und B. Vor der Wechselwirkung hat A 100 Joule Energie. Nach der Interaktion hat A 90 Joule Energie, also hat es 10 Joule verloren. Die Energieeinsparung besagt, dass wir, wenn wir die Energie in System B vor und nach der Wechselwirkung messen, immer feststellen werden, dass System B 10 Joule an Energie gewonnen hat. Im Allgemeinen wird System B immer genau so viel gewinnen, wie viel System A verliert, sodass der Gesamtbetrag konstant ist.

Es gibt Nuancen und Vorbehalte zur Energieeinsparung. Siehe zum Beispiel diese Frage .

Arbeit

Arbeit wird definiert durch

$P$ist Druck ;$V$ist volume , und es ist ziemlich einfach, operative Definitionen für beide zu geben.

Mit dieser Gleichung müssen wir das sicherstellen$P$ist der Druck, den die Umgebung auf das System ausübt. Wenn wir zum Beispiel einen Ballon in den Weltraum bringen würden, würde er anfangen, sich auszudehnen. Es würde jedoch keine Arbeit bringen, da der Druck auf dem Ballon Null ist. Wenn sich der Ballon jedoch auf der Erde ausdehnt, leistet er Arbeit, die sich aus dem Produkt seiner Volumenänderung und dem atmosphärischen Druck ergibt.

Dieses Beispiel behandelt den gesamten Ballon als das System. Stattdessen könnten wir uns nur die Luft innerhalb des Ballons als System vorstellen. Seine Umgebung ist das Gummi des Ballons. Wenn sich der Ballon dann im Weltraum ausdehnt, arbeitet die Luft im Inneren gegen den Druck des elastischen Ballons.

Ich habe in dieser Antwort mehr über die Arbeit geschrieben .

Adiabatische Prozesse

Arbeit und Energie sind, wie bisher beschrieben, unabhängige Ideen. Es stellt sich heraus, dass sie unter bestimmten Umständen eng miteinander verwandt sind.

Bei einigen Systemen stellen wir fest, dass die Energieabnahme des Systems genau gleich der Arbeit ist, die es verrichtet. Wenn wir zum Beispiel diesen Ballon in den Weltraum bringen und ihm beim Ausdehnen zusehen würden, würde die Luft im Ballon beim Ausdehnen Energie verlieren. Wir wüssten es, weil wir die Temperatur, den Druck und das Volumen der Luft vor und nach der Ausdehnung messen und die Energieänderung anhand einer Formel berechnen.

Inzwischen hätte die Luft am Ballon gearbeitet. Wir können diese Arbeit berechnen, indem wir den Druck messen, den der Ballon auf die Luft ausübt, und mit der Volumenänderung multiplizieren (oder integrieren, wenn der Druck nicht konstant ist).

Bemerkenswerterweise konnten wir feststellen, dass diese beiden Zahlen, die Arbeit und die Energieänderung, bis auf ein Minuszeichen immer genau gleich ausfielen. Einen solchen Vorgang nennt man adiabat.

In Wirklichkeit sind adiabatische Prozesse Näherungen. Sie funktionieren am besten mit Systemen, die fast isoliert sind, aber nur begrenzt mit der Umgebung interagieren können oder zu schnell auftreten, als dass Wechselwirkungen neben Druck-Volumen-Wechselwirkungen wichtig wären.

In unserem Ballon ist die Expansion aufgrund von Strahlung oder Leitung zwischen dem Ballon und der Luft möglicherweise nicht adiabat. Wenn der Ballon ein perfekter Isolator und perfekt weiß wäre, würden wir erwarten, dass der Prozess adiabat ist.

Schallwellen breiten sich im Wesentlichen adiabatisch aus, nicht weil es keine Mechanismen für eine kleine Luftmasse gibt, um mit benachbarten zu interagieren, sondern weil diese Mechanismen (Diffusion, Konvektion usw.) zu langsam sind, um auf der Zeitskala der Periode a zu funktionieren Schallwelle (etwa eine tausendstel Sekunde).

Dies führt uns dazu, Arbeit neu zu denken. Bei adiabatischen Prozessen ist Arbeit der Austausch von Energie von einem System zum anderen. Arbeit wird trotzdem abgerechnet$P\textrm{d}V$, aber sobald wir die Arbeit berechnet haben, kennen wir die Energieänderung.

Hitze

Reale Prozesse sind nicht adiabat. Einige sind nah, aber andere sind überhaupt nicht nah. Wenn ich zum Beispiel einen Topf mit Wasser auf den Herd stelle und den Brenner einschalte, ändert sich das Volumen des Wassers kaum, sodass die Arbeit, die beim Erhitzen des Wassers verrichtet wird, nahezu null ist und die vom Wasser verrichtete Arbeit positiv ist. Das heißt, das Wasser sollte Energie verlieren.

Tatsächlich gewinnt das Wasser jedoch sehr viel Energie, was wir feststellen können, indem wir die Temperaturänderung beobachten und eine Energieformel verwenden, die die Temperatur beinhaltet. Energie kam in den Topf, aber nicht durch Arbeit.

Das bedeutet, dass Arbeit kein ausreichender Begriff zur Beschreibung des Energietransfers ist. Wir erfinden einen neuen, pauschalen Begriff für Energieübertragung, die nicht durch Arbeit erfolgt. Dieser Begriff ist "Wärme".

Wärme ist einfach jede Energie, die neben Arbeit zwischen zwei Systemen übertragen wird. Die Energie, die in den Kochtopf eintritt, tritt durch Wärme ein. Dies führt auf die thermodynamische Gleichung

$E$ist Energie,$W$Arbeit und$Q$Wärme. Das Minuszeichen ist eine Konvention. Es besagt, wenn ein System funktioniert, verliert es Energie, aber wenn es Wärme aufnimmt, gewinnt es Energie.

Hitze deuten

Früher war ich sehr verwirrt über Wärme, weil es sich wie ein Deus ex machina anfühlte zu sagen: "Alle übrig gebliebene Energie muss Wärme sein". Was bedeutet es zu sagen, dass etwas „30 Kalorien durch Hitze verloren hat“? Wie kann man es betrachten und sagen? Druck, Temperatur, Volumen werden alle in Bezug auf sehr bestimmte, konkrete Dinge definiert, und Arbeit wird in Bezug auf Druck und Volumen definiert. Wärme erscheint im Vergleich zu abstrakt.

Eine Möglichkeit, Hitze in den Griff zu bekommen und alles Bisherige noch einmal Revue passieren zu lassen, ist ein Blick auf die Experimente von James Joule . Joule legte ein Schaufelrad in eine Wanne mit Wasser, verband das Rad mit einem Gewicht, damit das Gewicht das Rad herumtrieb, und ließ das Gewicht fallen. Hier ist das Wikipedia-Bild des Aufbaus:
$\hspace{100px}$.

Als das Gewicht fiel, funktionierte es auf dem Wasser; Zu jedem Zeitpunkt lag ein gewisser Druck auf den Paddeln, und sie fegten ein Volumen aus, das proportional zu ihrer Fläche und Geschwindigkeit war. Joule ging davon aus, dass die gesamte auf das Wasser übertragene Energie durch Arbeit übertragen wurde.

Die Gewichte verloren beim Fallen Energie, weil ihre potentielle Gravitationsenergie nachließ. Unter der Annahme, dass Energie erhalten bleibt, könnte Joule dann herausfinden, wie viel Energie in das Wasser gelangt ist. Er hat auch die Temperatur des Wassers gemessen. Dadurch konnte er herausfinden, wie sich die Energie von Wasser ändert, wenn sich seine Temperatur ändert.

Nehmen wir als nächstes an, dass Joule beginnt, das Wasser mit einem Feuer zu erhitzen. Diesmal wird die Energie als Wärme übertragen, aber wenn er die Temperatur des Wassers über genau den gleichen Bereich erhöht wie im Arbeitsversuch, dann muss die Wärmeübertragung in diesem Versuch gleich der geleisteten Arbeit im vorherigen sein. Wir haben jetzt also eine Vorstellung davon, was Wärme in Bezug auf Arbeit leistet. Joule fand heraus, dass es 4,2 Joule Arbeit braucht, um die Temperatur von einem Gramm Wasser zu erhöhen$14\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$zu$15\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$. Wenn Sie mehr Wasser haben, ist proportional mehr Arbeit erforderlich. 4,2 Joule nennt man eine Kalorie.

Endlich können wir Wärme physikalisch interpretieren. Denken Sie an einen generischen thermodynamischen Prozess. Stellen Sie sich vor, es passiert in einem Kolben, damit wir Druck und Volumen leicht verfolgen können. Wir messen die Energieänderung und die Arbeit während des Prozesses. Dann schreiben wir jede fehlende Energieübertragung der Wärme zu und sagen: "Das System hat 1000 Joule (oder 239 Kalorien) Wärme abgegeben". Das heißt, wenn man den Kolben nimmt und ihn mit 239 Gramm Wasser umgibt$14\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$, tat dann genau den gleichen Vorgang, bis die Wassertemperatur steigen würde$15\sideset{^{\circ}}{}{\mathrm{C}}$.

Missverständnisse

Was ich in diesem Beitrag besprochen habe, ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik – Energieerhaltung. Schüler sind oft verwirrt darüber, was Wärme ist, weil sie ihre Definition mit der Rolle verwechseln, die sie im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik spielt, was ich hier nicht besprochen habe. Dieser Abschnitt soll darauf hinweisen, dass einige allgemein gesagte Dinge über Wärme entweder eine lockere Verwendung der Sprache sind (was in Ordnung ist, solange jeder versteht, was gesagt wird) oder die korrekte Verwendung von Wärme, aber nicht direkt eine Diskussion darüber, was Wärme ist .

Dinge haben keine bestimmte Menge an Wärme in sich. Stellen Sie sich ein Haus mit einer Vordertür und einer Hintertür vor. Die Leute können durch beide Türen kommen und gehen. Wenn Sie das Haus beobachten, könnten Sie sagen: „Das Haus hat heute 3 Hintertürchen verloren“. Natürlich sind die Menschen im Haus nur Menschen. Die Tür beschreibt nur, wie sie gegangen sind. Genauso ist Energie einfach Energie. „Arbeit“ und „Wärme“ beschreiben, mit welchem ​​Mechanismus es das System verlässt oder betritt. (Beachten Sie, dass Energie selbst nichts wie Menschen ist, sondern nur eine aus dem Zustand berechnete Zahl, sodass die Analogie nur so weit reicht.)

Wir sagen oft, dass Energie "an Wärme verloren geht". Wenn Sie beispielsweise Ihr Auto auf die Bremse treten, scheint die gesamte kinetische Energie zu verschwinden. Wir bemerken, dass die Bremsbeläge, das Gummi in den Reifen und die Straße alle etwas heißer werden, und wir sagen: "Die kinetische Energie des Autos wurde in Wärme umgewandelt." Das ist ungenau. Es ist umgangssprachlich zu sagen: "Die kinetische Energie des Autos wurde als Wärme in die Bremsbeläge, den Gummi und die Straße übertragen, wo sie jetzt als Wärmeenergie vorhanden ist ."

Wärme ist nicht gleich Temperatur. Temperatur misst man mit einem Thermometer. Wenn Wärme in ein System übertragen wird, steigt seine Temperatur, aber seine Temperatur kann auch steigen, weil Sie daran arbeiten.

Die Beziehung zwischen Wärme und Temperatur beinhaltet eine neue Zustandsvariable, die Entropie , und wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben . Aussagen wie „Wärme fließt spontan von heißen Körpern zu kalten Körpern“ beschreiben diesen zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und sind eigentlich Aussagen darüber, wie Wärme zusammen mit bestimmten Zustandsvariablen verwendet werden kann, um zu entscheiden, ob ein bestimmter Prozess spontan ist oder nicht; Sie sind keine direkten Aussagen darüber, was Wärme ist.

Wärme ist keine „Energie geringer Qualität“, weil sie keine Energie ist. Solche Aussagen sind wiederum Diskussionen über den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Bezug

Dieser Beitrag basiert auf dem, woran ich mich aus den ersten Kapiteln von Enrico Fermis Thermodynamik erinnere .

Das Wort "Wärme" wird verwendet, um sich auf die Energieübertragung von einem Körper mit hoher Temperatur zu einem Körper mit niedriger Temperatur zu beziehen. Sie sollten niemals sagen, dass ein Körper eine bestimmte Menge an Wärme enthält ; Sie sollten nur sagen, dass eine bestimmte Wärmemenge von einem Körper zum anderen floss . Wie Nic richtig sagt, kommt es in Energieeinheiten (Joule oder manchmal Kalorien).

Drei Bedeutungen:

1. Energiemenge (in Joule), die von einem "heißen Körper" auf einen "kalten Körper" übertragen wird

2. der Vorgang vom 1.

3. eine nicht exakte 1-Form Q so dass$dE=W+Q$oder$Q=TdS$

Wärme ist keine Substanz. Wärme kann einem Körper nicht „entzogen“ werden. Mikroskopisch gesehen ist Wärme "der Fluss kinetischer Energie" während des Prozesses zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts.

Innere Energie kann definiert werden als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten oder ( unter anderem) Wärme zu erzeugen.

Sie können ein System definieren, indem Sie seine Grenzen definieren. Die über Systemgrenzen fließende Energie kann Wärme oder Arbeit sein.

Obwohl Energie in einem System als Potential (in vielen Formen) enthalten sein kann, nimmt sie, um sie von einem System zu einem anderen auszutauschen, diese spezifischen Formen an oder wird diese benannt: Wärme und Arbeit.

Was ist der Unterschied zwischen Hitze und Arbeit?

Mechanische Arbeit ist eine Kraft, die über eine Strecke in eine bestimmte Richtung wirkt. Es ist relevant und nützlich für unsere täglichen Aufgaben, wie: Bewegen eines Arms, eines Kolbens, einer Maschine, dann eines Autos usw. Es ist in einer bestimmten bevorzugten Richtung. Diese Energie kann verwendet werden, um auf eine Absicht im gesamten System zu reagieren - das ist einer der Gründe, warum sie oft als nützliche Energie bezeichnet wird.

Auf der anderen Seite gibt es im mikroskopischen Maßstab viele Partikel, die nicht leicht zu kontrollieren sind. Sie haben keine bevorzugte Bewegungsrichtung; die Partikel vibrieren und bewegen sich zufällig. Sie bewegen sich nicht in einer kohärenten Richtung, obwohl sie eine mittlere Geschwindigkeit haben (bezogen auf die Systemtemperatur). Es ist eine Art Symmetrie in dem Sinne, dass es keine Vorzugsrichtung gibt. Aber diese verworrene Energie kann übertragen werden, so dass Isotropie mit einer verstreuten Menge an "Überraschungen" und Informationen unter dem Namen Hitze die Grenzen überschreitet. Diese Wärmeübertragung versetzt die interagierenden Systeme in einen völlig langweiligen toten Zustand (zu dem sich Systeme normalerweise entwickeln).

Wärme fließt von Hoch- zu Niedertemperatursystemen. Änderungen in den Systemen durch Wärmeübertragung sind stark wegabhängig (dh ihre Auswirkungen hängen von Druck, Volumen, Zeit, Temperaturunterschieden, Reihenfolge der Ereignisse ... ab).

Schließlich erzeugt mechanische Arbeit nicht nur die Bewegung großer Mengen von Partikeln in eine kohärente Richtung, diese "beabsichtigte Aktion" erzeugt auf mikroskopischer Ebene auch viele "unbeabsichtigte Aktionen" (dh zufällige Bewegung), was Wärme ist - Arbeit ist niemals allein.

Arbeit kann vollständig in Wärme umgewandelt werden, aber Wärme kann nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden. Deshalb wird Wärme meist als Energieverlust angesehen. In vereinfachten mechanischen Systemen ist die Definition von Energie oft „die Fähigkeit eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten“ (dh die Übertragung von Wärme wird ignoriert).

"Thermische Energie" , Wikipedia.

Lesen Sie mehr über die molekulare / statistische Beschreibung von thermischer Energie (die keine Wärme ist), Sie würden wirklich ein Gefühl dafür bekommen, was es wirklich ist.

Soweit die strenge Beschreibung der Wärme in Bezug auf die Entropie erfolgt, lassen Sie mich sie mit bezeichnen$q$und Entropie durch$s$($\mathrm{d}q$ist das Gesamtdifferential von$q$), dann

Sie können auf viele intuitive (meist falsche) Definitionen und Beschreibungen von Wärme stoßen. Einige davon funktionieren möglicherweise immer noch, wenn Sie ein Maschinenbauingenieur sind, der sich mit einfachen (linearen) thermischen / fluiden Systemen befasst, aber wenn Sie ein Physiker sind, müssen Sie Entropie und Wärme wirklich kennen.

Dimensional,$q$(Wärme) ist gleich Energie.

Es ist größtenteils ein historisches Artefakt. Aber es wird oft verwendet, um sich auf Energie zu beziehen. In jedem Lehrbuch der Physik wird sie als Analogie zur Energie verstanden und in Joule gemessen.