Thermische Energie von Atomen und Molekülen

Definition: Was ist thermische Energie?

Als Teil der inneren Energie eines Stoffes ist die thermische Energie in der Teilchenbewegung von Atomen und Molekülen gespeichert. Je aktiver diese sind, umso mehr Energie enthält ein Stoff. Darstellen lässt sich das an Eis, dem Schritt für Schritt Energie in Wärme zugeführt wird. Ist die enthaltene thermische Energie zu Beginn vergleichsweise gering, nimmt sie im Laufe des Gedankenexperiments immer weiter zu. Die Teilchen werden aktiver und bewegen sich immer heftiger. So schmilzt das Eis zunächst zu Wasser, bevor dieses schließlich verdampft.

Wärmeenergie und Temperatur

Grundsätzlich ist die thermische Energie von der Temperatur eines Stoffes abhängig. Je wärmer dieser ist, umso mehr Energie enthält er. Besonders interessant ist allerdings, dass sich der Betrag der Wärmeenergie auch ohne Temperaturänderung verändern kann. So zum Beispiel bei dem Übergang zwischen zwei Aggregatzuständen.

Einheit der thermischen Energie

Die Wärmeenergie, die den thermischen Zustand eines Körpers beschreibt, wurde nach dem englischen Physiker James Prescott Joule (1818 bis 1889) benannt. Ihre SI-Einheit ist demzufolge Joule [J]. Dabei entspricht ein Joule einer Wattsekunde.

Berechnung der Übertragung von Wärmeenergie

Wie viel Wärme ein Stoff aufnimmt oder abgibt, lässt sich mit einer einfachen Gleichung ermitteln. Diese lautet:

·Veränderung der thermischen Energie (dQ) = Masse (m) x spezifische  Wärmekapazität  (c) x Veränderung der Temperatur (dt)

• dQ [in Joule] = m [in kg] x c [in kJ/(kg x K)] x dt [in K]

Steigt die Temperatur von einem Kilogramm Wasser (etwa 1 Liter) zum Beispiel in einem Wasserkocher von 15 auf 70 Grad Celsius an, nimmt es 230,45 Kilojoule Wärmeenergie auf. Kühlen sich 200 Gramm Wasser aus einer Tasse Tee von 90 Grad Celsius auf 40 Grad Celsius ab, gibt die Flüssigkeit hingegen 10 Kilojoule thermische Energie an die Umgebung ab.

Wichtig zu wissen ist, dass die Gleichung nur dann zur Anwendung kommen darf, wenn sich der Aggregatzustand der betrachteten Stoffe nicht ändert.

Thermische Energie in der Heizungstechnik

In der Heizungstechnik geht es darum, thermische Energie in das Gebäude einzubringen. Auf diese Weise lassen sich die Wärmeverluste über die Hüllflächen ausgleichen und die Räume erreichen die gewünschten Temperaturen. Möglich ist das zum Beispiel mit einer  Wasserheizung. Diese besteht aus einem Kessel, der Holz, Gas oder Heizöl verbrennt, um  Heizungswasser  zu erwärmen. Während das passiert, nimmt die Wärmeträgerflüssigkeit thermische Energie auf. Sie wird anschließend von einer  Heizungspumpe  durch das gesamte Gebäude befördert, in dem sie die Wärmeenergie über Heizflächen an die verschiedenen Räume abgibt.

Wärmespeicher bevorraten thermische Energie

Während sich vor allem  Gasbrennwertkessel  sehr gut an den aktuellen Wärmebedarf im Haus anpassen lassen, sind andere Heizungsarten deutlich schlechter regelbar. Sie leisten vor allem in der Übergangszeit zu viel und arbeiten dadurch nicht effizient. Mit einem  Pufferspeicher  lässt sich das verhindern. Denn die großen, isolierten Behälter nehmen thermische Energie auf, wobei die Temperatur des Wassers im Inneren ansteigt. Benötigt das Haus Wärmeenergie, etwa zur Warmwasserbereitung oder zur Raumheizung, kann es diese aus dem Speicher entziehen. Das führt dazu, dass die Temperatur des Mediums im Inneren sinkt.