Wie gut ein Stoff Wärme aufnehmen kann: c = 4,2 kJ/(kg·K) beim Wasser, der Vergleich mit sechs Stoffen und die Sonderrolle des Wassers in Natur und Technik.
Gleiche Herdplatte, gleiche Zeit — und trotzdem werden Metall und Wasser völlig verschieden schnell warm.
Du weißt bereits: Die übertragene Wärme hängt auch vom Stoff ab.
Warum Stoffe verschieden warm werden
Stoffeinfluss: Gleiche Energie erwärmt verschiedene Stoffe unterschiedlich stark.
Neu: Dieser Stoffeinfluss bekommt jetzt eine Zahl, die spezifische Wärmekapazität \(c\).
Eine Stoffeigenschaft, die angibt, wie gut ein Stoff Wärme aufnehmen kann.
Spezifische Wärmekapazität:
c = Energie für 1 kg und 1 K Erwärmung
c: Spezifische Wärmekapazität — eine Stoffeigenschaft.
Einheit: kJkg · K — Kilojoule pro Kilogramm und pro Kelvin.
Bedeutung: Großes c heißt: Der Stoff nimmt viel Energie auf, ohne stark wärmer zu werden.
Definition: Die spezifische Wärmekapazität \(c\) ist eine Stoffeigenschaft: die Energie, die 1 kg des Stoffes für 1 K Erwärmung braucht.
Wasser: Für Wasser gilt \(c=4{,}2\,\dfrac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg\cdot K}}\).
Großes \(c\): Der Stoff nimmt viel Energie auf, ohne stark wärmer zu werden, und gibt sie beim Abkühlen wieder ab; Wasser ist deshalb ein hervorragender Energiespeicher.
Ein Beispiel: das Wasser
Der Wert für Wasser:
cW = 4,2 kJkg · K
4,2 kJ erwärmen 1 kg Wasser um 1 K, also um 1 °C.
Was dieser Wert im Alltag bedeutet:
Die Werte im Vergleich
Verglichen wird die Wärme, die 1 kg eines Stoffes bei 1 K aufnimmt oder abgibt.
| Stoff | c in kJ/(kg·K) | im Vergleich zu Wasser |
|---|---|---|
| Wasser | 4,188 | 1 |
| Helium | 3,22 | rund 3⁄4 |
| Eichenholz | 2,39 | gut die Hälfte |
| Aluminium | 0,90 | rund 1⁄5 |
| Stahl | 0,47 | rund 1⁄9 |
| Kupfer | 0,39 | rund 1⁄11 |
Zwei Dinge fallen an der Tabelle sofort auf:
Zwei Fragen, dieselbe Tabelle. Ansicht 1: Wie viel Energie braucht jeder Stoff für dieselbe Erwärmung? Ansicht 2: Wie warm wird jeder Stoff, wenn alle dieselbe Energie bekommen?
In Ansicht 2 wird der Unterschied besonders anschaulich: Gibt man allen sechs Körpern dieselbe Energie, wird Kupfer über zehnmal so warm wie Wasser. Deshalb ist der Topfgriff längst heiß, während das Wasser darin noch lauwarm ist.
Die hohe Wärmekapazität des Wassers hat Folgen — in der Natur wie in der Technik.
Zwei Materialentscheidungen erklärt.
Verwechslungsgefahr.
Wärmekapazität ist nicht Wärmeleitfähigkeit: Kupfer leitet hervorragend, speichert aber nur wenig.
Spezifisch heißt: pro Kilogramm — zwei Kilogramm brauchen doppelt so viel Energie wie eines.
Das c der Wärmekapazität ist nicht das c aus E = Δm · c² — dort meint c die Lichtgeschwindigkeit.