Wärmekapazität: Die Bedeutung einfach erklärt

Die Wärmekapazität: Definition und Begriffe  

Die Wärmekapazität (auch Wärmespeicherfähigkeit) ist eine Kenngröße aus der Thermodynamik. Sie beschreibt, wie viel Wärme nötig ist, um die Temperatur eines Mediums oder eines Körpers um ein Kelvin oder ein Grad Celsius anzuheben. Sie hat das Formelzeichen „C“ und lässt sich in Kilojoule pro Kelvin, Wattstunden pro Kelvin oder Kilowattstunden pro Kelvin angeben. Die Umrechnung von Kilojoule auf die im Alltag gebräuchlicherer Einheit Kilowattstunden erfolgt ganz einfach durch den Teiler 3.600. Ein Kilojoule entspricht dabei 0,27 Wattstunden oder 0,00027 Kilowattstunden. Wichtig zu wissen ist, dass der Betrag der Wärmekapazität immer auch von der Masse des jeweiligen Stoffs abhängig ist. Wie viel thermische Energie eine bestimmte Masse eines Stoffes aufnehmen kann, hängt dabei von seiner Wärmespeicherfähigkeit und der erfahrenen Temperaturänderung ab. Was das bedeutet, erklären wir an einem  praktischen Beispiel.

Die spezifische Wärmekapazität  

Neben der Wärmekapazität sprechen Experten auch von der spezifischen Wärmekapazität. Diese hat das Formelzeichen „c“ (kleines c) und beschreibt die Wärmespeicherfähigkeit einer bestimmten Menge eines Stoffes. Während die Angabe in der Regel in Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin erfolgt, ist auch der Bezug auf einen Kubikmeter möglich. Bei Gasen hängt die spezifische Wärmekapazität sehr stark davon ab, ob sie sich bei der Erwärmung ausdehnen können oder nicht. Um das zu berücksichtigen, unterscheiden Experten die isobare und die isochore Wärmespeicherfähigkeit.

Die isobare Wärmekapazität von Gasen

Die isobare Wärmespeicherfähigkeit beschreibt, wie viel Wärme nötig ist, um einen Kubikmeter Gas bei konstantem Druck um ein Grad Celsius zu erwärmen. Das Gas kann sich dabei also frei im Raum ausdehnen. Das Formelzeichen der Stoffkonstante lautet „cp“.

Die isochore Wärmekapazität von Gasen

Die isochore Wärmespeicherfähigkeit beschreibt, wie viel Wärme nötig ist, um einen Kubikmeter Gas bei konstantem Volumen um ein Grad Celsius zu erwärmen. Das Gas befindet sich dabei zum Beispiel in einem geschlossenen Behälter und kann sich nicht ausdehnen. Mit dem Anstieg der Temperatur steigt dabei allerdings der Druck. Die isochore Wärmekapazität ist kleiner als die isobare und lässt sich mit dem Formelzeichen „cv“ angeben.

Wärmespeicherfähigkeit verschiedener Stoffe  

Hat ein Stoff eine hohe spezifische Wärmekapazität, nimmt er auf seine Masse bezogen mehr Energie auf. Beton hat zum Beispiel eine Wärmespeicherfähigkeit von 0,879 Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin. Um ein Kilogramm Beton um ein Grad Celsius zu erwärmen, sind also 0,879 Kilojoule oder 0,243 Wattstunden nötig. Wasser hat hingegen eine spezifische Wärmekapazität von 4,19 Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin. Um ein Kilogramm bzw. ein Liter Wasser zu erwärmen, ist also deutlich mehr Energie nötig. Dafür gibt Wasser aber auch deutlich mehr Energie ab, wenn es sich abkühlt. Ein Grund, warum  Heizungswasser  durch die  Heizungsrohre  in unseren Häusern strömt. Es kann viel Wärme aufnehmen, bevorraten und transportieren.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Wärmespeicherfähigkeit verschiedener Stoffe.

Die Wärmekapazität in der Heizungstechnik

In der Praxis lässt sich das Wissen über die spezifische Wärmespeicherfähigkeit nutzen, um Prozesse oder Systeme zu berechnen. So können Experten die Wärmemenge in einem Pufferspeicher oder den benötigten Heizwasserdurchsatz an Heizkörpern und Rohren ermitteln. Daneben ist die Wärmekapazität ein wichtiger Faktor bei der  Berechnung des Wärmetauschers  und seiner Auslegung.

Wie viel Energie bevorratet ein Wärmespeicher?  

Wie viel Energie ein Puffer- oder  Schichtladespeicher  enthält, hängt vom Wasservorrat und der Temperaturänderung an. Erwärmt die Heizung 100 Liter Wasser von zehn auf 50 Grad Celsius, bringt sie 4,65 Kilowattstunden ein.

• Wärmemenge (Q in Kilowattstunden) = Masse (m in Kilogramm) x spezifische Wärmekapazität (c in Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin) x Temperaturerhöhung (dT in Kelvin) / 3.600
  
• Die Berechnung:  (100 Liter Wasser x 4,19 Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin x 40 Kelvin) / 3.600 = 4,65 Kilowattstunden
  

Das Beispiel zeigt: Je stärker das Wasser erwärmt wird, umso mehr Wärme enthält der Speicher.

Wie viel Wärme transportiert das Heizungswasser?  

Mit der gleichen Herangehensweise lässt sich auch berechnen, wie viel Heizungswasser nötig ist, um eine bestimmte Energiemenge durch das Haus zu transportieren. Die Temperaturänderung ist dabei die Spreizung, also die Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur des Mediums. Benötigt ein Heizkörper zum Beispiel 1.000 Watt, müssen bei einer Spreizung von 10 Grad Celsius zum Beispiel rund 86 Liter Heizungswasser pro Stunde durch ihn hindurchfließen.

• Massenstrom (in Liter pro Stunde) = Wärmestrom (in Watt) x 3.600 / (spezifische Wärmekapazität (c in Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin) x Spreizung (dT in Kelvin)
  
• Die Berechnung:  (1.000 Watt x 3.600) / (4,19 Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin x 10 Kelvin) = 85,9 Kilogramm pro Stunde
  

Das Ergebnis hilft, die Heizungsrohre entsprechend zu dimensionieren. Es ist außerdem Voraussetzung für den hydraulischen Abgleich und die Auslegung der Heizungspumpe.