Thermische Energie

Unter dem Begriff der thermischen Energie versteht man die Energie, welche in der Bewegung der Atome bzw. Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Sie trägt daher umgangssprachlich auch den Namen Wärmeenergie und stellt einen Teil der inneren Energie dar. Die Einheit ist, wie bei allen Energieformen, Joule (J).

Experiment

Mit Experimenten, lässt sich die thermische Energie eines Stoffes relativ einfach bestimmen. Dazu macht man sich den Zusammenhang der thermischen Energie mit der Temperatur bzw. der Wärme zunutze.
Zu Beginn eines Versuchs wählt man daher einen Stoff, den man untersuchen möchte. Diesen gibt man in ein so genanntes Kalorimeter. Diese Apparatur besteht im Prinzip aus einem Gefäß in dem ein Stoff verbrannt werden kann, und welches von Wasser umgeben ist. Verbrennt man nun also beispielsweise eine bestimmte Menge Glucose, nimmt das Wasser die Wärme auf und man kann eine Temperaturerhöhung feststellen.
Natürlich muss man dabei auch berücksichtigen, dass geringe Mengen der Wärme an die restliche Apparatur zum Beispiel das Glas abgegeben werden. Diese Wärmeverluste muss man dann entweder bei der folgenden Berechnung mit einbeziehen oder aber vernachlässigen.

Berechnung

Aus der Temperaturerhöhung im Wasser des Kalorimeters lässt sich nun die thermische Energie berechnen.
Dazu braucht man die Masse (m) des verbrannten Stoffes in Gramm sowie die Temperaturerhöhung (T) in Kelvin. Außerdem wird die spezifische Wärmekapazität des Wassers im Kalorimeter benötigt. Gegebenenfalls kann man hier auch die Wärmekapazität des Glases mit einbeziehen und so eventuelle Wärmeverluste ausgleichen. Die spezifische Wärmekapazität ist dabei für jeden Stoff konstant vorgegeben und trägt die Einheit Joule durch Kelvin mal Gramm.
Die thermische Energie einer Stoffportion berechnet sich nun aus der spezifischen Wärmekapazität mal der Masse mal der Temperaturdifferenz. Durch Kürzen ergibt dies dann die Einheit Joule (J).

Es gibt darüber hinaus auch noch eine weitere Möglichkeit zur Berechnung der thermischen Energie ohne auf experimentelle Werte zurückzugreifen. In Formelsammlungen gibt es konstante Wertetabellen mit den so genannten Standardbildungsenthalpien einzelner Stoffe. Aus diesen lässt sich dann ebenfalls auf die thermische Energie zurückrechnen und man erhält einen theoretischen Wert.

Bedeutung

Die Bestimmung der thermischen Energie hat besondere Bedeutung in vielen wissenschaftlichen Bereichen. Beispielsweise ist es für KFZ Hersteller von Bedeutung welche thermische Energie einzelne Kraftstoffe liefern können, um die Motoren effizient zu gestalten. Auch für die Planung chemischer Reaktionen ist es immens wichtig im Voraus zu wissen, wie viel thermische Energie frei wird, um entsprechende Schutzmaßnahmen zu treffen.

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