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WAS IST WÄRME?

Das scheint eine seltsame Frage zu sein. Aber eine Vorstellung davon zu haben, was man in den Naturwissenschaften unter Wärme versteht ist äußerst hilfreich, wenn man sich mit Vorgängen im Weltall und auf der Mondoberfläche befasst. Die Vorstellung, die ein Durchschnittsbürger von Wärme hat, könnte sich als wenig geeignet erweisen. Hier ist eine vereinfachte Darstellung von Wärme und Wärmeübertragung im physikalischen Sinn.

Einfach ausgedrückt ist Wärme die Schwingung von Molekülen in einer Substanz. Sogar in Festkörpern bewegen sich die Moleküle, aus denen sie bestehen. Je heißer ein Gegenstand ist, desto stärker hüpfen und springen die Moleküle. Wenn die Moleküle sehr stark angeregt sind (d.h. wenn sie viel Energie besitzen), können sie sogar die Struktur eines festen Körpers aufbrechen, die Substanz erfährt dann einen Phasenübergang vom festen zum flüssigen Zustand. Entsprechend wechselt die Substanz in die Gasphase (den gasförmigen Zustand), wenn die Bewegung der Moleküle zu stark wird, um sie in der Flüssigkeit zu halten.

Es ist möglich, daß verschiedene Bereiche eines Gegenstands verschiedene Temperaturen aufweisen. Der Temperaturunterschied zwischen dem heissen und dem kalten Teil eines Objekts wird der "Temperaturgradient" des Objektes genannt. Ein schwingendes Molekül überträgt einen Teil seiner überschüssigen Schwingungsenergie auf seine Nachbarmoleküle. Diese beginnen dann auch zu schwingen, aber das erste Molekül schwingt jetzt weniger, weil ihm ein Teil seiner Schwingungsenergie von seinen Nachbarn entzogen worden ist. Auf diese Weise breitet sich Wärme in einem beliebigen Stoff aus.

Die Fähigkeit eines Objektes, Wärme von einem seiner Bereiche in einen anderen zu transportieren wird "thermische Leitfähigkeit" (oder "Wärmeleitfähigkeit") genannt. Sie hängt von der Substanz ab, aus dem das Objekt besteht. Bestimmte Stoffe wie z.B. Metalle leiten Wärme sehr gut. Das bedeutet, dass die Nachbarmoleküle (bzw. -atome) eines schwingenden Metallatoms sehr bald auch mit dem Schwingen anfangen. Ein Stoff, der Wärme nur schlecht leitet kann als thermischer oder Wärmeisolator benutzt werden. In einem solchen Stoff schwingen zwar die Moleküle oder Atome auf der Oberfläche, aber die benachbarten Teilchen fangen nicht so leicht mit dem Mitschwingen an.


WÄRMEÜBERTRAGUNG

Die Übertragung von Wärme von einem Gegenstand auf einen anderen ist nichts anderes als die Übertragung der Molekülschwingungen von einem Gegenstand zum anderen. Wie Sie sich vorstellen können, ist die einfachste Methode die "Wärmeübertragung durch Wärmeleitung". Man bringt die beiden Objekte in Kontakt miteinander und schon bringen die schwingenden Moleküle im heißeren Objekt die Moleküle im kälteren Objekt zum mitschwingen.

Die thermische Leitfähigkeit der beteiligten Objekte spielt eine wichtige Rolle dabei, wie viel Wärme übertragen wird. Allgemein lässt sich sagen, dass Feststoffe die grösste Wärmeleitfähigkeit besitzen. Flüssigkeiten leiten die Wärme schlechter. Wieso das? Weil in Flüssigkeiten die Moleküle meistens einen grösseren Abstand voneinander haben als in festen Stoffen. Wenn die Moleküle auf einen grösseren Raum verteilt sind ist es nicht so leicht, Schwingungen von einem Molekül zu den anderen zu übertragen. Gase besitzen die schlechteste Wärmeleitfähigkeit, weil dort die Moleküle noch einen viel grösseren Abstand voneinander haben.

Wenn die Wärme durch ein fluides Medium (das heißt, eine Flüssigkeit oder ein Gas) übertragen wird, dann haben wir einen etwas anderen Weg, die Wärmeübertragung durch Konvektion. Damit verbindet man die Vorstellung eines "Kühlmittels", das die Wärme "davonträgt". Diese Form der Wärmeübertragung ist das was den Motor Ihres Autos kühlt. Dabei wird Wasser durch die heissen Bauteile geführt, nimmt dort Wärme auf und wird dann durch den Kühler geleitet, wo es die Wärme an die Luft abgibt.

Die Luft, die uns umgibt spielt eine grosse Rolle bei unseren alltäglichen Erfahrungen mit der leitenden Wärmeübertragung. Die Meteorologie als Wissenschaft basiert im wesentlichen auf den thermischen Eigenschaften der Erdathmosphäre. Die im täglichen Wetterbericht genannten Temperaturen sind die Temperaturen der Luft an verschiedenen Orten auf der Erde. In unseren Alltagserfahrungen ist die Erdathmosphäre der wichtigste Wärmeleiter.


EINE HEIMLICHERE FORM DER ÜBERTRAGUNG

Wärmeleitung ist recht einfach zu verstehen, aber es gibt noch einen anderen wichtigen Vorgang. Angeregte Moleküle setzen elektromagnetische Strahlung frei (das heißt, sichtbares, infrarotes oder ultraviolettes Licht, Röntgen- und Gammastrahlung, Radio- oder Mikrowellen). Diese Freisetzung von (Strahlungs-)Energie führt dazu, dass sie langsamer schwingen, und hilft ihnen dabei, Wärme loszuwerden.

Umgekehrt gelangt ein Molekül auf einen höher angeregten Zustand und schwingt damit schneller, wenn es elektromagnetische Strahlung absorbiert (=aufnimmt). Es ist klar ersichtlich, dass Gegenstände über diesen Mechanismus Wärme untereinander übertragen können, ohne dass sie sich dazu berühren müssen. Der Mechanismus wird "Wärmeübertragung durch Strahlung" genannt. Objekte übertragen dabei Wärme durch elektromagnetische Strahlung.

Zur elektromagnetischen Strahlung gehört auch sichtbares Licht. Wir sehen oft heiße Gegenstände, die elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums abgeben. Die Wellenlänge des emittierten (=abgegebenen) Lichts hängt davon ab, um welche Substanz es sich handelt, und wie stark diese Substanz erhitzt wird. Die allermeisten warmen Objekte geben Licht im infraroten Teil des Spektrums ab. Deshalb benutzt man bei Alarmanlagen auch Infrarotsensoren, um warme menschliche Körper dort aufzuspüren, wo sie nicht unbedingt hingehören.


UND WIE GEHÖRT DAS JETZT ZUSAMMEN?

Die beiden genannten Formen der Wärmeübertragung sind für so ziemlich alle unsere praktischen Erfahrungen mit Wärme verantwortlich.

Die Sonne erwärmt die Erdathmosphäre mittels Wärmeübertragung durch Strahlung. Von der Sonne kommen riesige Mengen elektromagnetischer Strahlung aller möglichen Wellenlängen und treffen auf die Erde. Die verschiedenen Substanzen auf der Erde (Staub, Steine, Wasser, Beton, Sand und so weiter) schlucken diese Energie, wodurch sie sich erwärmen. Über leitende Wärmeübertragung geben sie diese Wärme an die sie umgebende Athmosphäre und am Ende auch an uns ab.

Die im Wetterbericht genannte Temperatur ist immer die Lufttemperatur. An einem schönen Sommertag kann die Lufttemperatur z.B. 21°C betragen. Aber die Stoffe, aus denen die verschiedenen Oberflächen der Erde bestehen können an diesem Tag um einiges wärmer gewesen sein. Sind Sie schon mal an einem heißen Tag barfuß auf dunklem Asphalt gelaufen? Sie spüren normalerweise sehr, sehr große Hitze unter Ihren Füßen. Da Ihre eigene Körpertemperatur 37°C beträgt wissen Sie, dass die Straße deutlich heißer sein muss, vielleicht so um die 50°C. Dieser Unterschied zwischen Oberflächen- und Lufttemperatur ist sehr wichtig, wenn man die Verhältnisse auf der Mondoberfläche verstehen will.

Halten Sie Ihre Hand einmal in die Nähe eines heißen Gegenstandes wie zum Beispiel eine Pfanne auf dem Herd. Sie können die Hitze spüren, obwohl Sie sie gar nicht berühren. Die Luft zwischen der Pfanne und Ihrer Hand leitet die Wärme von der Pfanne zu Ihrer Hand. Je weiter Sie Ihre Hand von der Pfanne wegbewegen, desto weniger Wärme kann über die Distanz Pfanne - Hand übertragen werden.

Falls Sie schon einmal auf einer voll ausgeleuchteten Bühne gestanden haben, wissen Sie wie heiß einem dort werden kann. Das ist Übertragung von Wärme durch Strahlung - genau wie von der Sonne. Die sehr heißen Glühwendeln in den Glühbirnen setzen viel elektromagnetische Strahlung frei, die dann auf Ihre Haut trifft. Durch Absorption dieser Strahlung erwärmt sich Ihre Haut, was Sie dann als Hitze spüren.

Mikrowellenherde benutzen einen speziellen Fall dieser Erscheinung. Mikrowellen sind ein Bestandteil des elektromagnetischen Spektrums. Es handelt sich dabei um Licht einer Wellenlänge, die Wassermoleküle besonders stark zum schwingen bringt.

Im Weltall gibt es keine Luft. Das bedeutet, es gibt keine Wärmeleitung zwischen Objekten, die sich nicht berühren. Es gibt nur Wärmeübertragung durch Strahlung. Dies ist aus zwei Gründen wichtig. Erstens, Sie können sich wirklich sehr nahe an etwas sehr heißem befinden und werden doch nur wenig Hitze spüren. (Durch Strahlung wird üblicherweise weniger Wärme als durch Wärmeleitung übertragen.)

Zweitens: alle Objekte brauchen länger, um abzukühlen. Wärmeleitung zur Athmosphäre ist die wichtigste Methode, um auf der Erde Dinge kühl zu halten. In einem Vakuum können Gegenstände Wärme nur durch Strahlung loswerden, und weil das weniger Wärme überträgt ist das keine so leistungsfähige Methode.


AUF ZUR GOLDENEN MITTE: DER GLEICHGEWICHTSZUSTAND

Wir haben also zwei Wege, auf denen ein Gegenstand Wärme aufnehmen und sie an andere Objekte weitergeben kann. In der Praxis nimmt jedes Objekt Wärme auf und gibt gleichzeitig auch Wärme ab. Wenn es Wärme schneller aufnimmt als es sie abgibt, dann erwärmt es sich. Wenn das Objekt die Wärme schneller abgibt als aufnimmt, dann kühlt es sich ab. Ein Objekt mit einer gleichbleibenden Temperatur erhält genauso viel Wärme wie es abgibt. Das nennt man den "thermischen Gleichgewichtszustand"

Ein Objekt, deas sich im thermischen Gleichgewicht befindet kann immer noch einen Temperaturgradienten aufweisen. Lassen wir einmal eine helle Lampe auf einen Gegenstand scheinen. Die Seite, auf die das Licht fällt wird dabei durch die Strahlung erwärmt, die im Schatten gelegene Seite wird immer kühler bleiben. Aber wenn sich die Temperatur an jedem einzelnen Punkt des Gegenstandes nicht mit der Zeit ändert, dann sagt man der Gegenstand ist im (thermischen) Gleichgewicht.

Eine etwas kompliziertere Version dieses Beispiels wäre eine Betonfahrbahn an einem ruhigen Tag. Die Sonne erwärmt die Fahrbahn auf vielleicht 50°C. Sie könnte eigentlich noch heißer werden, aber ein Teil der Wärme wird ihr durch die Luft über der darüber entzogen. Die Luft wird kühler sein, sagen wir mal 21°C, weil sie eine geringere Dichte aufweist als die Fahrbahn (und dadurch weniger Strahlung absorbiert.) Sehr dicht über der Fahrbahn ist die Luft aber deutlich wärmer. Solange der Wind nichts durcheinanderbringt wird dieses System im Gleichgewicht bleiben, obwohl wir an verschiedenen Stellen unterschiedliche Temperaturen feststellen.

Im Weltraum ist unsere Fähigkeit, Wärme loszuwerden, begrenzt. Da die Weiterleitung von Wärme an die Luft ausfällt und nur das Abstrahlen von Wärme bleibt, wird ein Objekt zunächst schneller Wärme aufnehmen als es sie abstrahlen kann. Das bedeutet, die Gleichgewichtstemperatur wird für alle Gegenstände im Vakuum deutlich höher sein als in der Erdathmosphäre. Die gleiche Betonautobahn wie oben kann im Vakuum auf 120°C aufgeheizt werden.


DIE WÄRME IN DIE SCHRANKEN WEISEN

Wir wissen intuitiv, dass sich Dinge im Schatten weniger aufheizen. Ohne Wärmeübertragung durch das Sonnenlicht können Gegenstände nur weitergeleitete Wärme aufnehmen. Da das Vakuum im Weltraum unsere Möglichkeiten, Wärme loszuwerden begrenzt, ist die beste Methode, dort kühl zu bleiben die, sich gar nicht erst aufzuheizen. Glücklicherweise begrenzt das Vakuum auch die Möglichkeiten, Wärme zu empfangen. Daher können wir einen Gegenstand kühl halten, indem wir die Strahlung begrenzen oder gleich ganz abschirmen, die zu ihm gelangt.

Erfahrung lehrt uns: es ist nicht unbedingt sehr schlau an einem sonnigen Sommertag ein schwarzes Hemd zu tragen. Im Sommer sieht man vor allem helle Farben, weil sie die elektromagnetische Strahlung, die uns aufheizt reflektieren. Die gleichen Grundsätze gelten im Weltraum. Etwas tiefschwarz anzumalen würde dieses etwas dazu bringen, Sonnenlicht zu absorbieren und sich dadurch aufzuheizen. Umgekehrt kann man Dinge vor dem erhitzen bewahren, indem man sie mit einem spiegelndem Material bedeckt, was die Absorption vermindert.


DIE KELVIN-SKALA

Wir benutzen für die Temperaturwerte, mit denen wir im Alltag zu tun haben die Celsius-Temperaturskala, manche Leute messen auch in Fahrenheit. Beide benutzen sowohl positive als auch negative Werte. Das macht die Dinge etwas kompliziert, wenn man in einer wissenschaftlichen Formel mit ihnen rechnen muss. Wenn wir uns wissenschaftlich mit der Wärmeübertragung auseinandersetzen benutzen wir daher eine besondere Temperaturskala, genannt Kelvin. Die Temperatur eines Objekts in Kelvin erhält man ganz einfach, indem man zur Temperatur in Celsius die Zahl 273 dazuzählt. Dadurch werden alle gemessenen Temperaturen größer als Null.

Warum ausgerechnet 273? Weil Wissenschaftler gezeigt haben, dass bei -273°C alle Molekülschwingungen aufhören. Das heißt, in einer Substanz bei dieser Temperatur gibt es keine Wärme. Nichts kann kälter sein als die totale Abwesenheit von molekularer Bewegung, daher wird -273°C (bzw. 0 Kelvin) auch der "absolute Nullpunkt" genannt - die tiefste Temperatur, die ein Objekt theoretisch haben kann. Wenn das der Nullpunkt auf unserer Temperaturskala ist, dann können uns keine doofen negativen Zahlen bei unseren Berechnungen durcheinanderbringen.

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