Wärme und Temperatur

Im Alltag sagen wir „Es ist warm heute“ und meinen die Temperatur. In der Physik sind Wärme und Temperatur aber zwei verschiedene Größen. Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen, die sich ständig bewegen. Die Temperatur gibt an, wie schnell sich diese Teilchen im Durchschnitt bewegen. Je höher die Temperatur, desto heftiger zittern und flitzen die Teilchen. Gemessen wird sie mit einem Thermometer in Grad Celsius (°C) oder Kelvin (K).

Wärme dagegen ist Energie, die von einem Körper auf einen anderen übergeht – und zwar immer vom wärmeren zum kälteren. Legst du eine kalte Hand an eine heiße Tasse, fließt Wärme von der Tasse in deine Hand, bis beide gleich warm wären. Wärme misst man wie jede Energie in Joule (J). Wie viel Wärme ein Körper aufnehmen muss, hängt nicht nur von der Temperaturänderung ab, sondern auch von seiner Masse und vom Stoff.

Ein typischer Fehler ist der Satz „Die Badewanne hat mehr Temperatur als die Tasse Tee“. Der Tee ist heißer, hat also die höhere Temperatur. Die Badewanne enthält aber viel mehr Wasser und kann deshalb viel mehr Wärme abgeben. Merke: Die Temperatur beschreibt einen Zustand, Wärme ist übertragene Energie. Eine Wunderkerze sprüht 1000 °C heiße Funken, aber sie verbrennen dich kaum, weil sie so wenig Masse und damit so wenig Energie haben.

Ob sich ein Stoff schnell oder langsam erwärmt, hängt entscheidend von seiner spezifischen Wärmekapazität ab. Wasser hat mit rund 4190 J/(kg · K) einen ungewöhnlich hohen Wert. Metalle wie Aluminium, Eisen oder Kupfer liegen alle deutlich niedriger, meist zwischen 380 und 900 J/(kg · K). Sand und Glas liegen mit etwa 800 J/(kg · K) dazwischen. Das bedeutet: Bei gleicher zugeführter Wärmemenge und gleicher Masse steigt die Temperatur von Sand oder Metall viel stärker an als die von Wasser.

Genau das erlebst du am Strand: Die Sonne liefert Sand und Meer über den Tag ungefähr dieselbe Energiemenge pro Fläche. Weil Sand aber eine viel kleinere spezifische Wärmekapazität hat als Wasser, steigt seine Temperatur schneller und stärker – am Nachmittag kann er so heiß werden, dass du nicht barfuß laufen kannst, während das Meer noch angenehm kühl ist. Abends kühlt der Sand aus demselben Grund auch wieder schneller ab.

Diese Eigenschaft von Wasser hat noch weitere Folgen. Städte am Meer haben mildere Sommer und Winter als Städte im Landesinneren, weil große Wassermassen Wärme speichern und langsam wieder abgeben. Auch im Kühlkreislauf von Autos und Kraftwerken wird Wasser deshalb gern als Kühlmittel eingesetzt: Es kann viel Wärme aufnehmen, ohne dass seine Temperatur dabei extrem ansteigt.

Der häufigste Fehler ist, Wärme und Temperatur gleichzusetzen und Sätze wie „der Körper hat viel Temperatur“ zu bilden. Temperatur ist ein Zustand und hat keine Menge im Sinne von viel oder wenig Energie – nur Wärme kann als Energiemenge übertragen werden. Ein zweiter Fehler betrifft die Einheiten: Joule (J) ist die Einheit der Wärme (einer Energie), Grad Celsius (°C) und Kelvin (K) sind Einheiten der Temperatur. Wer am Ende einer Rechnung „420 000 °C“ statt „420 000 J“ schreibt, hat Größe und Einheit verwechselt.

Ein dritter Fehler passiert bei der Temperaturdifferenz ΔT: Sie wird manchmal falsch berechnet, indem nur die Endtemperatur oder nur die Anfangstemperatur eingesetzt wird. Richtig ist immer die Differenz aus Endtemperatur minus Anfangstemperatur. Bei einer Abkühlung wird ΔT dadurch rein rechnerisch negativ, das Vorzeichen zeigt dann nur an, dass Wärme abgegeben statt aufgenommen wird.