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Wärme

Wärme ist eine Form von Energie, die auch als thermische Energie bezeichnet wird. In der Thermodynamik (auch Wärmelehre) ist Wärme eine Prozessgröße; sie wird von einem thermodynamischen System bei bestimmten Prozessen mit der Umgebung ausgetauscht. Im Rahmen der Statistischen Mechanik wird Wärme als die Energie der ungeordneten Bewegung der atomaren oder molekularen Bestandteile der Materie interpretiert.

Wärme wird bei vielen physikalischen und chemischen Prozessen erzeugt, etwa

• bei der Verbrennung von Kraftstoffen und Brennstoffen (→ Verbrennungsenthalpie)
• durch Reibung aus mechanischer Energie
• bei der Leitung von elektrischem Strom durch widerstandsbehaftete Leiter (z. B. Hochspannungsleitungen)
• bei der Absorption von Licht und anderen Arten von Strahlung in Materie

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 Wärme zugeführt wird, so erhöht dies zwangsläufig seine Entropie. Wärme kann also als eine entropiebehaftete Energieform angesehen werden. Bei mechanischer oder elektrischer Energie ist dies nicht der Fall.

Transport von Wärme

Wärme kann auf unterschiedliche Weisen transportiert werden:

• Wärme fließt in Körpern selbsttätig von den wärmeren zu den kühleren Teilen. Dieser Prozess heißt Wärmeleitung. Wie effektiv er ist, hängt von der Wärmeleitfähigkeit einer Substanz ab.
• Warme Körper geben Wärmestrahlung ab, die Energie überträgt: Die abgegebene Strahlung entzieht einem Körper Energie, und wo die Wärmestrahlung von anderen Körpern absorbiert wird, entsteht wieder Wärme.
• Wärme kann auch transportiert werden, indem warme Materie transportiert wird. Beispielsweise wird in einem Zentralheizungssystem warmes Wasser verwendet, um die im Heizkeller erzeugte Wärme in die Wohnräume zu bringen. Oft wird der Materietransport durch die Temperaturunterschiede selbst angetrieben; man spricht dann von Konvektion.

Speicherung von Wärme

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.

Es gibt auch Latentwärmespeicher, bei denen Wärme als latente Wärme gespeichert wird, d. h. ohne Temperaturerhöhung.

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.

Wärme in der Energietechnik

In der Technik (insbesondere der Energietechnik) spielt Wärme eine sehr wichtige Rolle:

• In Wärmekraftmaschinen wird Wärmeenergie teilweise in mechanische Energie umgewandelt und weiter in elektrische Energie. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie unterliegt prinzipiellen physikalischen Beschränkungen, beschrieben durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.
• Wärmepumpen nutzen einen entgegengesetzten Vorgang: Wärme wird von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau "gepumpt" mit Hilfe von Exergie, die dabei ebenfalls zu Wärme wird.
• Wärme wird für viele Zwecke benötigt, etwa für das Schmelzen und Bearbeiten von Rohstoffen und für chemische Prozesse (Prozesswärme), für die Beheizung von Wohnräumen (→ Raumwärme) oder für die Warmwasserbereitung.
• Bei vielen Prozessen entsteht Abwärme, die häufig schwer nutzbar ist und deren Abfuhr einen zusätzlichen Aufwand bedingen kann. Beispielsweise brauchen Verbrennungsmotoren und große Transformatoren hierfür meist Kühlsysteme.

In Deutschland wird über die Hälfte des Endenergieverbrauchs durch Wärmeanwendungen verursacht.

Hochtemperatur- und Niedertemperaturwärme

Wärmeenergie kann auf verschiedenen Temperaturniveaus vorkommen:

• Hochtemperaturwärme (bei Temperaturen von hunderten von °C oder höher) wird für Wärmekraftmaschinen (etwa in Kraftwerken) benötigt. Sie kann durch Verbrennungsprozesse oder aus elektrischer Energie gewonnen werden.
• Niedertemperaturwärme (bei Temperaturen von z. B. unter 100 °C, oft sogar unter 50 °C) wird insbesondere für Heizzwecke benötigt.

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: Thermodynamik, Abwärme, Verbrennung, Wärmerückgewinnung, Enthalpie, latente Wärme, Latentwärmespeicher, Wärmeübertrager, Wärmestrahlung, Wärmekapazität, Wärmemengenzähler, Energie, Exergie, Wärmekraftmaschine, Hauptsätze der Thermodynamik, Entropie, Wärmeleitung, Konvektion, thermodynamisch optimiertes Heizen