Änderung der inneren Energie: Wärme

Die Welt um uns herum besteht aus klitzekleinen Teilchen – Molekülen und Atomen, die Energie mit sich führen. Ein Teil dieser Energie kommt von Kräften, die ein einzelnes Teilchen zusammenhalten – intramolekulare Kräfte. Ein anderer Teil der Energie kommt von Kräften zwischen verschiedenen Teilchen, die einander anziehen – intermolekulare Kräfte. Stell dir Michael in der Disko vor. Er könnte Lina fragen, ob sie mit ihm tanzt.

Es besteht die Möglichkeit, dass sie miteinander tanzen. Aber Lina tanzt gerade mit Maria, sodass die Wahrscheinlichkeit, dass Lina mit Michael tanzt, gering ist. Die Bindungen in oder zwischen Teilchen bestimmen die Wahrscheinlichkeit – oder das Potenzial – der Teilchen, sich woanders hinzubewegen. Deshalb nennt man die Energie bei Molekularbindungen Potentielle Energie. Aber das ist noch nicht alles!

Alle Teilchen bewegen sich ununterbrochen und zwar auf unterschiedliche Art und Weise. Sie drehen sich, bewegen sich frei im Raum oder pulsieren. Diese unterschiedlichen Bewegungen führen Bewegungsenergie mit sich – Kinetische Energie. Die Summe der kinetischen Energie aller Teilchen in einem Stoff nennt man Thermische Energie. In jedem Stoff gibt es so viele sich bewegende Teilchen, dass wir die thermische Energie nicht einfach messen können.

Wir können durchschnittliche kinetische Energie aber als Temperatur messen! Die Summe aus der kinetischen und der potenziellen Energie aller Teilchen in einem Stoff ergibt die Innere Energie des Stoffes. Ein Stoff kann mit allem um sich herum Energie austauschen, etwa mit anderen Stoffen oder sogar mit Luft. Das sorgt für eine Veränderung der inneren Energie. Zum Beispiel wenn du ein Glas Wasser nimmst und etwas Heißes hineingibst, etwa einen heißen Löffel, wird das Wasser bald wärmer.

Das passiert, weil der Löffel etwas von seiner Energie ans Wasser abgibt. Diese vom wärmeren auf den kälteren Stoff übertragene Energie heißt Wärme. Wenn Energie in einen Stoff eindringt, sagen wir, dass der Stoff Wärme absorbiert oder aufnimmt. Die Temperatur des Stoffes steigt und seine innere Energie nimmt zu. Wenn du nun einen Eiswürfel nimmst und in das Glas tust, wird das Wasser darin bald kälter.

Das passiert, weil das Wasser einen Teil seiner Energie an das Eis abgibt. Wenn ein Stoff Energie abgibt, sinkt seine Temperatur und die innere Energie nimmt ab. Wir sagen, dass er Wärme verliert. Aber was passiert mit dem Eis? Seine Temperatur beträgt immer noch 0 Grad Celsius.

Es absorbiert Wärme aus dem Wasser, aber seine Temperatur ändert sich nicht! Das liegt daran, dass das Eis schmilzt – es durchläuft den Vorgang des Phasenübergangs. In dieser Situation wird die Wärme, die vom Eis absorbiert wird, nicht genutzt, um seine kinetische Energie und die Temperatur zu erhöhen, – sondern um die Bindungen zwischen den Molekülen zu ändern. Die Bindungen zwischen den Molekülen im festen Eis lockern sich, sodass die potenzielle Energie zunimmt. Die innere Energie steigt.

Innere Energie ist die Summe aus potenzieller und kinetischer Energie aller Moleküle in einem Stoff. Wenn wir Wärme zuführen oder wegnehmen, verursachen wir eine Veränderung der inneren Energie. Das passiert, weil die Übertragung von Wärme entweder die kinetische oder die potenzielle Energie eines Stoffes verändert. Wenn die kinetische Energie zunimmt, steigt die Temperatur. Wenn die kinetische Energie abnimmt, sinkt die Temperatur.

Wenn die potenzielle Energie sich ändert, werden die Bindungen zwischen den Molekülen schwächer oder stärker. Die Moleküle bewegen sich näher aneinander oder voneinander weg und der Stoff ändert seinen Zustand – von fest zu flüssig oder gasförmig oder umgekehrt.