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Definition: Energie der ungeordneten Bewegung von Atomen oder Molekülen
Wärme ist eine Form von Energie, die auch als thermische Energie bezeichnet wird. Physikalisch gesehen handelt es sich um die Energie der ungeordneten Bewegung der atomaren oder molekularen Bestandteile der Materie.
Wärme wird bei vielen physikalischen und chemischen Prozessen frei, etwa
Umgekehrt kann Wärmeenergie zumindest teilweise in andere Energieformen umgewandelt werden, z. B. mit Hilfe von Wärmekraftmaschinen in mechanische Energie oder auch direkt in Wärmestrahlung und (bei hohen Temperaturen) in Licht (z. B. in Glühlampen).
Wenn Wärme einem Körper zugeführt wird, so führt dies meist zu einer Erhöhung seiner Temperatur, aber Wärmezufuhr kann ebenfalls für Phasenumwandlungen genutzt werden, etwa für das Schmelzen von Eis oder das Verdampfen von Wasser (→ latente Wärme). Ebenfalls kann Wärmezufuhr den Druck eines Gases erhöhen, etwa in einem Verbrennungsmotor.
Für Wärmemengen wird meist das Formelsymbol Q verwendet. Die Grundeinheit ist wie bei anderen Energieformen das Joule, aber es werden auch andere Einheiten wie die Kilowattstunde verwendet.
Wichtig ist die klare Unterscheidung von Wärme und Temperatur. Beispielsweise ist die Temperatur des Glühdrahts einer Glühlampe im Betrieb sehr hoch (meist über 2000 °C), aber die darin gespeicherte Wärmemenge ist sehr gering. Umgekehrt speichert ein Warmwasserspeicher trotz seiner viel niedrigeren Temperatur von z. B. 60 °C viel mehr Wärme. Wie viel Wärme einem Gegenstand zugeführt werden muss, um eine bestimmte Temperaturerhöhung zu erzielen, wird durch seine Wärmekapazität bestimmt.
Wenn einem System bei der Temperatur T eine Wärmemenge Q zugeführt wird, erhöht dies seine Entropie um Q / T. Somit wird klar, dass die gesamte Entropie zunimmt, wenn Wärme von einem heißen zu einem kälteren Körper fließt. (Beim kälteren Körper ist nämlich der Betrag von Q / T größer.) Da die gesamte Entropie nie abnehmen kann, handelt es sich um einen irreversiblen (unumkehrbaren) Vorgang. Man kann zwar einen Wärmefluss von einem kühleren zu einem wärmeren Körper mit einer Wärmepumpe “erzwingen”, aber nur mit einer gewissen Zufuhr von Exergie (z. B. für einen mechanischen Antrieb). Die dem kälteren Körper entzogene Wärmemenge muss mindestens um so viel kleiner sein als die dem wärmeren Körper zugeführte Wärmemenge, dass die Gesamtentropie nicht abnimmt. Dieser Umstand führt zu einer theoretischen Grenze für die erreichbare Leistungszahl der Wärmepumpe.
Wärme kann auf unterschiedliche Weisen transportiert werden:
Wärme lässt sich speichern, indem man sie Materie zuführt, diese also erwärmt. Beispielsweise verwendet man in der Energietechnik häufig Warmwasserspeicher. Oft wird zusätzlich der Verlust der gespeicherten Wärme nach außen reduziert, z. B. durch Wärmedämmung.
Im Prinzip lässt sich sogar im Vakuum Wärme in Form von Wärmestrahlung speichern. Die gespeicherte Wärmemenge hängt vom Volumen und der Temperatur der Behälterwände ab. Für praktische Zwecke ist sie zu gering.
In der Technik (insbesondere der Energietechnik) spielt Wärme eine sehr wichtige Rolle:
Wärmeenergie kann auf verschiedenen Temperaturniveaus vorkommen:
Hochtemperaturwärme kann als eine höherwertige Energieform als Niedertemperaturwärme angesehen werden, da sie mehr Möglichkeiten bietet, etwa die effizientere Umwandlung in mechanische Energie. Wenn beispielsweise ein geothermisches Reservoir oder eine Quelle von Abwärme nur Temperaturen von 80 °C liefert, ist dies für die Gewinnung elektrischer Energie meist nicht ausreichend. Solche Wärme kann nur z. B. für Heizzwecke verwendet werden. Die “Wertigkeit” von Wärme kann als Exergie-Gehalt ausgedrückt werden.
Siehe auch: Abwärme, Wärmerückgewinnung, Enthalpie, latente Wärme, Wärmetauscher, Wärmestrahlung, Wärmekapazität, Energie, Exergie, Wärmekraftmaschine, Hauptsätze der Thermodynamik, Wärmeleitung, Konvektion, thermodynamisch optimiertes Heizen