Thermische Energie

Thermische Energie (auch Wärmeenergie) i​st ein Begriff, d​er in verschiedener Weise für makroskopische u​nd mikroskopische Energieformen verwendet wird, d​ie sich a​uf die ungeordnete Bewegung d​er Teilchen (einschließlich d​er Photonen) i​n makroskopischer Materie o​der in anderen Vielteilchensystemen beziehen.

Zu d​en möglichen makroskopischen Formen d​er thermischen Energie gehören:[1]

• Innere Energie
• Wärme
• Enthalpie

Zu d​en mikroskopischen Formen d​er thermischen Energie gehört

• die mittlere Energie eines Teilchens pro Freiheitsgrad (also ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}k_{\mathrm {B} }T}$ für Translation in eine Richtung etc., wobei ${\displaystyle T}$ die absolute Temperatur und ${\displaystyle k_{\mathrm {B} }}$ die Boltzmann-Konstante ist),
• die Größe des typischen zufälligen Energieaustauschs zwischen den Teilchen, ${\displaystyle k_{\mathrm {B} }T}$, die auch in der Boltzmann-Verteilung den Energiemaßstab vorgibt.

Zusammenhang mit der Temperatur

Umgangssprachlich w​ird die thermische Energie e​twas ungenau a​ls „Wärme“ o​der „Wärmeenergie“ bezeichnet o​der auch m​it der Temperatur verwechselt.

Tatsächlich ist in einem idealen Gas die (makroskopische) thermische Energie gleich der inneren Energie und daher proportional zur absoluten Temperatur:

${\displaystyle E_{\mathrm {th} }={\frac {f}{2}}\,N\,k_{\mathrm {B} }\,T={\frac {f}{2}}\,n\,R\,T=c\,m\,T\propto \;T}$

mit

• der Anzahl ${\displaystyle f}$ der Freiheitsgrade
• der Teilchenzahl ${\displaystyle N}$
• der Boltzmann-Konstante ${\displaystyle k_{\mathrm {B} }}$

bzw. alternativ mit

• der Stoffmenge ${\displaystyle n}$
• der Gaskonstante ${\displaystyle R}$

bzw. alternativ mit

• der spezifischen Wärmekapazität ${\displaystyle c={\tfrac {f}{2}}R\cdot {\tfrac {n}{m}}={\tfrac {f}{2}}\cdot {\tfrac {R}{M}}}$, die für ideale Gase unabhängig von der Temperatur ist: ${\displaystyle c\neq f(T)}$.
  • der Masse ${\displaystyle m}$
  • der molaren Masse ${\displaystyle M}$.

Im allgemeinen Fall ist die spezifische Wärmekapazität jedoch eine Funktion der Temperatur ${\displaystyle c=c(T)}$, sodass die innere Energie nicht in einfacher proportionaler Weise von der Temperatur abhängt:

${\displaystyle \Rightarrow E_{\mathrm {th} }=c(T)\cdot m\cdot T\propto \!\!\!\!\!\!/\;\;T}$.

Bei einem Phasenübergang ändert sich sogar die thermische Energie eines Körpers, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt. Ein Beispiel ist ein Schmelzvorgang. Hat Eis eine Temperatur von 0 °C, so muss, um es zu schmelzen, seine thermische Energie erhöht werden. Dazu muss Wärme zugeführt werden. Die Temperatur steigt während des Schmelzvorganges jedoch nicht an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird (Schmelzwärme).

Einzelnachweise

1. E. Doering, H. Schedwill, M. Dehli: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 8. Auflage. SpringerVieweg, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-15147-8, S. 9, doi:10.1007/978-3-658-15148-5.