Innere Energie

Einstieg — Eine Teetasse und eine Badewanne

Der Tee hat 90 °C, das Badewasser nur 40 °C. Welches von beiden enthält mehr Energie?

Die meisten tippen spontan auf den Tee — er ist schließlich deutlich heißer.

Tatsächlich:In der Badewanne steckt vielfach mehr Energie als in der Teetasse.
Grund:Temperatur und Energie sind zwei verschiedene Größen.
Ziel:Genau diesen Unterschied klärt dieses Unterkapitel.

Merke

Temperatur und Energie

Unterschied: Temperatur und Energie sind zwei verschiedene Größen: Der heißere Körper muss nicht mehr Energie enthalten.

Beispiel: Im Badewasser steckt vielfach mehr Energie als im heißeren Tee.

Erklärung — Was innere Energie ist

Die Summe aller Energien, die in einem Körper stecken.

Merke

Innere Energie eines Körpers:

U = Summe aller Energieformen im Inneren

U: Innere Energie, gemessen in Joule (J).

Summe: Thermische, chemische und Bindungsenergie aller Teilchen zusammen.

Bestand: Ein Körper hat innere Energie, sie ist kein Vorgang.

Definition: Die innere Energie \(U\) ist die Summe aller Energien in einem Körper, gemessen in Joule.

Bestandteile: Dazu gehören thermische, chemische und Bindungsenergie der Teilchen.

Temperatur und \(U\): Die Temperatur misst die mittlere Bewegungsenergie eines Teilchens, die innere Energie zählt alle Teilchen zusammen.

Abhängigkeit: \(U\) hängt ab von Temperatur, Masse, Stoff und Aggregatzustand.

Ein Apfel zeigt, welche Energieformen darin zusammenkommen.

Chemische Energie:Sie steckt in den Bindungen der Zuckermoleküle.
Thermische Energie:Sie steckt in der ungeordneten Bewegung der Teilchen.
Bindungsenergie:Sie hält die Teilchen des Apfels zusammen.
Formelzeichen:U, gemessen in Joule (J) wie jede andere Energie.

Der entscheidende Satz dazu:

Gleiche Temperatur:Zwei gleich warme Körper können eine unterschiedliche innere Energie besitzen.
Temperatur:Sie misst die mittlere Bewegungsenergie eines einzelnen Teilchens — egal, wie viele es sind.
Innere Energie:Sie zählt alle Teilchen zusammen: doppelt so viel Stoff, doppelt so viel Energie.

Wovon die innere Energie abhängt

Temperatur:Höhere Temperatur bedeutet schnellere Teilchen und damit mehr Energie.
Masse:Mehr Teilchen bedeuten mehr Energie — bei gleicher Temperatur.
Stoff:Wasser speichert bei gleicher Masse mehr Energie als Eisen.
Aggregatzustand:Wasser und Eis von 0 °C sind gleich warm, Wasser hat aber mehr innere Energie.
Beim Schmelzen wird Energie zugeführt, ohne dass die Temperatur steigt.

Interaktiv: Temperatur ist nicht Energie

Zwei Behälter mit Wasser: Der linke Balken zeigt die Temperatur, der rechte die innere Energie. Beide verhalten sich völlig verschieden.

Körper A — Menge 0,2 L

Körper A — Temperatur 90 °C

Körper B — Menge 150 L

Körper B — Temperatur 40 °C

Bei „gleiche Temperatur, doppelte Menge“ sind die Temperaturbalken identisch, der Energiebalken von B ist doppelt so lang. Genau das meint der Satz, dass zwei gleich warme Körper unterschiedlich viel innere Energie haben können. Angezeigt wird hier nur der Anteil, der durch die Erwärmung von 0 °C aus hinzugekommen ist — die chemische Energie des Wassers ist zusätzlich vorhanden, ändert sich aber beim Erwärmen nicht.

Hinweise — Innere Energie, thermische Energie, Wärme

Drei Begriffe, die im Alltag durcheinandergehen — in der Physik aber sauber getrennt sind.

Innere Energie als Bestand

Innere Energie (U) ist alles, was ein Körper enthält — ein Bestand, den er dauerhaft besitzt.

Thermische Energie als Anteil

Thermische Energie ist der Anteil der inneren Energie, der in der Teilchenbewegung steckt.

Wärme ist übertragene Energie

Wärme (Q) hat ein Körper nicht: Sie ist übertragene Energie und immer unterwegs.

Eine Merkhilfe aus der Bank:

Bestand:Innere Energie ist wie das Geld auf dem Konto.
Überweisung:Wärme fließt nur, solange Energie von einem Körper zum anderen geht.
Danach:Auf dem Konto liegt keine „Wärme“, sondern nur ein veränderter Bestand.
Falsch ist deshalb „Kalter Tee hat eine geringe Wärme“ — richtig: „… eine geringe innere Energie“.