Thermische Energie

Teilchenbewegung in einem Teilchengas mit Wechselwirkung

Thermische Energie (auch Wärmeenergie) ist ein Begriff, der in verschiedener Weise für makroskopische und mikroskopische Energieformen verwendet wird, die sich auf die ungeordnete Bewegung der Teilchen (einschließlich der Photonen) in makroskopischer Materie oder in anderen Vielteilchensystemen beziehen.

Zu den möglichen makroskopischen Formen der thermischen Energie gehören:

Zu den mikroskopischen Formen der thermischen Energie gehört

die mittlere Energie eines Teilchens pro Freiheitsgrad (also ${\tfrac {1}{2}}k_{\mathrm {B} }T$ für Translation in eine Richtung etc., wobei die absolute Temperatur und $k_{\mathrm {B} }$ die Boltzmann-Konstante ist),
die Größe des typischen zufälligen Energieaustauschs zwischen den Teilchen, $k_{\mathrm {B} }T$ , die auch in der Boltzmann-Verteilung den Energiemaßstab vorgibt.

Zusammenhang mit der Temperatur

Umgangssprachlich wird die thermische Energie etwas ungenau als „Wärme“ oder „Wärmeenergie“ bezeichnet oder auch mit der Temperatur verwechselt.

Tatsächlich ist in einem idealen Gas die (makroskopische) thermische Energie gleich der inneren Energie und daher proportional zur absoluten Temperatur:

$E_{\mathrm {th} }={\frac {f}{2}}\,N\,k_{\mathrm {B} }\,T={\frac {f}{2}}\,n\,R\,T=c\,m\,T\propto \;T$

mit

der Anzahl der Freiheitsgrade
der Teilchenzahl
der Boltzmann-Konstante $k_{\mathrm {B} }$

bzw. alternativ mit

der Stoffmenge
der Gaskonstante

bzw. alternativ mit

der spezifischen Wärmekapazität , die für ideale Gase unabhängig von der Temperatur ist: .
- der Masse
- der molaren Masse .

Im allgemeinen Fall ist die spezifische Wärmekapazität jedoch eine Funktion der Temperatur $c=c(T)$ , sodass die innere Energie nicht in einfacher proportionaler Weise von der Temperatur abhängt:

$\Rightarrow E_{\mathrm {th} }=c(T)\cdot m\cdot T\propto \!\!\!\!\!\!/\;\;T$ .

Bei einem Phasenübergang ändert sich sogar die thermische Energie eines Körpers, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt. Ein Beispiel ist ein Schmelzvorgang. Hat Eis eine Temperatur von 0 °C, so muss, um es zu schmelzen, seine thermische Energie erhöht werden. Dazu muss Wärme zugeführt werden. Die Temperatur steigt während des Schmelzvorganges jedoch nicht an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird (Schmelzwärme).

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de