Spezifische Wärme ist eine in der Thermodynamik und Kalorimetrie verwendete Messung, die die Menge an Wärmeenergie angibt, die erforderlich ist, um die Temperatur einer bestimmten Masse einer bestimmten Substanz um einen bestimmten Betrag zu erhöhen. Obwohl manchmal unterschiedliche Messskalen verwendet werden, bezieht sich dieser Begriff normalerweise speziell auf die Menge, die erforderlich ist, um 1 Gramm einer Substanz um 1.8°F (1° Celsius) zu erhöhen. Daraus folgt, dass, wenn einem Stoff doppelt so viel Energie zugeführt wird, seine Temperatur um das Doppelte steigen sollte. Spezifische Wärme wird normalerweise in Joule ausgedrückt, der Einheit, die typischerweise in Chemie und Physik verwendet wird, um Energie zu beschreiben. Es ist ein wichtiger Faktor in Wissenschaft, Technik und beim Verständnis des Erdklimas.
Hitze und Temperatur
Wärmeenergie und Temperatur sind zwei verschiedene Konzepte, und es ist wichtig, den Unterschied zu verstehen. Die erste ist eine thermodynamische Größe, die das Ausmaß der Änderung beschreibt, die ein System an seiner Umgebung verursachen kann. Die Übertragung dieser Energie auf ein Objekt bewirkt, dass sich seine Moleküle schneller bewegen; dieser Anstieg der kinetischen Energie wird als Temperaturanstieg gemessen oder erlebt.
Spezifische Wärme und Wärmekapazität
Diese beiden Eigenschaften werden oft verwechselt. Die erste ist die Anzahl der Joule, die erforderlich ist, um die Temperatur einer bestimmten Masse eines Stoffes um eine Einheit zu erhöhen. Es wird immer „pro Masseneinheit“ angegeben, zum Beispiel 0.45 j/g°C, die spezifische Wärme von Eisen, oder die Anzahl der Joule an Wärmeenergie, um die Temperatur von einem Gramm Eisen um ein Grad Celsius zu erhöhen. Dieser Wert ist daher unabhängig von der Eisenmenge.
Die Wärmekapazität – manchmal auch „thermische Masse“ genannt – ist die Anzahl von Joule, die erforderlich ist, um die Temperatur einer bestimmten Materialmasse um 1.8°F (1°Celsius) zu erhöhen, und ist einfach die spezifische Wärme des Materials multipliziert mit seiner Masse. Es wird in Joule pro °C gemessen. Die Wärmekapazität eines Gegenstandes aus Eisen mit einem Gewicht von 100 g wäre 0.45 x 100, was 45 j/°C ergibt. Diese Eigenschaft kann als die Fähigkeit eines Objekts angesehen werden, Wärme zu speichern.
Die spezifische Wärme eines Stoffes gilt mehr oder weniger über einen weiten Temperaturbereich, dh die Energie, die erforderlich ist, um einen bestimmten Stoff um ein Grad ansteigen zu lassen, variiert nur geringfügig mit seinem Anfangswert. Sie gilt jedoch nicht, wenn der Stoff eine Zustandsänderung erfährt. Wird beispielsweise einer Wassermenge kontinuierlich Wärme zugeführt, so führt dies zu einem Temperaturanstieg entsprechend der spezifischen Wärme des Wassers. Bei Erreichen des Siedepunktes erfolgt jedoch keine weitere Erhöhung; Stattdessen wird die Energie in die Produktion von Wasserdampf fließen. Gleiches gilt für Feststoffe, wenn der Schmelzpunkt erreicht ist.
Ein heute veraltetes Maß für Energie, die Kalorien, basiert auf der spezifischen Wärme von Wasser. Eine Kalorie ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von einem Gramm Wasser bei normalem Luftdruck um 1.8 °C zu erhöhen. Es entspricht 1 Joule. Für die spezifische Wärme von Wasser können leicht abweichende Werte angegeben werden, da sie mit Temperatur und Druck etwas schwankt.
Effekte
Verschiedene Stoffe können sehr unterschiedliche spezifische Wärmen haben. Metalle haben beispielsweise tendenziell sehr niedrige Werte. Dadurch heizen sie sich schnell auf und kühlen schnell wieder ab; sie neigen auch dazu, sich deutlich auszudehnen, wenn sie heißer werden. Dies hat Auswirkungen auf Engineering und Design: Oft muss die Ausdehnung von Metallteilen in Konstruktionen und Maschinen berücksichtigt werden.
Wasser hingegen hat eine sehr hohe spezifische Wärme – neunmal so viel wie Eisen und 32mal höher als Gold. Aufgrund der molekularen Struktur von Wasser wird viel Energie benötigt, um seine Temperatur auch nur um einen kleinen Betrag zu erhöhen. Es bedeutet auch, dass warmes Wasser lange braucht, um abzukühlen.
Diese Eigenschaft ist essenziell für das Leben auf der Erde, denn Wasser hat einen erheblich stabilisierenden Effekt auf das Weltklima. Im Winter kühlen die Ozeane langsam ab und geben eine beträchtliche Menge Wärme an die Umwelt ab, was dazu beiträgt, die globale Temperatur einigermaßen stabil zu halten. Umgekehrt braucht es im Sommer viel Wärme, um die Meerestemperaturen deutlich zu erhöhen. Dies wirkt sich mäßigend auf das Klima aus. Kontinentales Landesinnere, weit weg vom Ozean, erlebt weitaus größere Temperaturextreme als Küstenregionen.