Ein kleines bisschen Wärmelehre

Von Wärme über Arbeit zur Wärmepumpe

Abgesehen von unserer Körperwärme, die wir zum Lebenserhalt brauchen, sind Wärme oder Kälte die von außen kommen ein fühlbares Zeichen unserer Umwelt. Wir nehmen Wärme wahr und brauchen sie zum Wohlfühlen. Wärme ist aber nicht nur ein Phänomen unserer Innen- und Außenwelt. Wärme ist auch ohne sinnliche Wahrnehmung immer präsent; Wärme ist ein Naturphänomen und physikalisch exakt beschreibbar.

Wenn man etwas „exakt“ beschreiben will ist es ratsam, sich auf das Wesentliche zu konzentrieren. So könnte etwa der Begriff Kälte aus der Beschreibung herausgenommen werden. Denn wir empfinden zwar Kälte, aber ein kalter Gegenstand, beispielsweise ein Schneeball, hat auch Wärme, nur viel weniger als wir zum Leben bräuchten und empfinden ihn deswegen als kalt. Somit sind Wärme und Kälte rein subjektiver Natur.

Exakt naturwissenschaftlich betrachtet, hat alles Wärme, das wärmer ist als der denkbar kälteste Punkt des Universums. Dieser Punkt erschließt sich aus der Temperatur, das heißt genau genommen aus den Eigenschaften eines idealen Gases. Doch diesen Punkt wollen wir überspringen.

Wärme und Temperatur

Nun sind wir bei einem Begriff angekommen, der viel mit Wärme zu tun hat; aber Wärme ist nicht gleich Temperatur.

Temperatur

Die objektive Erfahrung der Temperatur setzt eine Messvorschrift voraus. Wie wir alle wissen heißt das dazugehörige Messinstrument: Thermometer. Hält man nun ein Thermometer lange genug an einen Körper (beispielsweise einige Minuten wie bei der Fiebermessung), zeigt es uns einen Zahlenwert an, der der Temperatur des Körpers entspricht.

Das Thermometer und das gemessene Objekt (der Gegenstand, der Körper) sind an diesem Punkt im Gleichgewicht, im so genannten thermischen Gleichgewicht; das heißt sie haben die gleiche Temperatur. Das Resultat erscheint trivial, doch die konkreten Erfahrungen, die dahinter stecken, sind komplexer Natur.

Jedenfalls ist die Temperatur eine messbare Größe die bei uns in Grad Celsius (Abkürzung: °C) angegeben wird. Beruhend auf Anders Celsius, einem schwedischen Astronomen, der im Jahre 1742 in Uppsala das nach ihm benannte Celsius-Thermometer konstruierte. Als Skalierungspunkte verwendete er den Wert „0“ für den Siede- und „100“ für den Schmelzpunkt des Wassers. Die heutige Temperaturskala haben wir jedoch seinem Landsmann, dem Botaniker Carl von Linné zu verdanken, der die Celsius'sche Skala einfach umdrehte und somit 0 Grad Celsius der schmelzenden Temperatur des Eises und 100 Grad Celsius der Temperatur des kochenden Wassers zuordnete.

Die Temperatur kann man also einfach messen – Wärme nicht. Dennoch ist der Begriff Wärme mit dem der Temperatur untrennbar verknüpft.

Wärme

Diese Verknüpfung macht sich in einer Definition bemerkbar, die früher Geltung hatte, hier aber nur noch der Anschaulichkeit dienen soll – die Einheit Kalorie (Abkürzung: cal): Eine Kalorie entspricht der Wärmemenge, die nötig ist um ein Gramm Wasser um ein Grad von 14,5 Grad Celsius auf 15,5 Grad Celsius zu erhöhen. Im Gegensatz zur Temperatur ist Wärme von der Menge und Art des Materials abhängig, ebenso wie von der Temperatur. Das steckt in der Definition der Begriffe Gramm (als Mengenangabe), Wasser (als Materialangabe) und der Temperatur im Bereich um 15 Grad Celsius.

Was aber ist nun Wärme? Ähnlich wie oben bei der Temperatur erwähnt, kann man sich vorstellen, dass der Temperaturausgleich zwischen zwei sich berührenden Körpern dadurch hervorgerufen wird, dass eine bestimmte Menge eines „Etwas“ vom heißeren zum kälteren Körper fliest. Beispielsweise wenn eine Flasche Bier zum Abkühlen in kaltes Wasser gestellt wird. Dieses „Etwas“ nennen wir Wärme.

Die Menge der Wärme ist, wie erwähnt, abhängig von der Menge und Art der Körper (Bier, Glas, Wasser). Jedes Material beinhaltet seine ihm eigene Wärmemenge (fachlich: spezifische Wärmekapazität) und je mehr Material der Körper hat umso mehr Wärme steckt in diesem Gegenstand und das alles bei ein und derselben Temperatur. Denn Wärme resultiert aus den Eigenschaften aller Atome und Moleküle des Körpers.

Wärme und Arbeit

Wärme ist also etwas, was in einem steckt; das kann man auch als Energie bezeichnen. Und so ist es auch: Wärme ist Energie, genauso wie Arbeit, Strom oder Licht. Wärme und die Übertragung von Wärme von einem zum anderen Gegenstand beruht auf molekularen Stößen die aus der Energie der Moleküle des Gegenstandes resultieren.

Nun kann man sich vorstellen, dass für eine Temperaturerhöhung anstatt der Wärmezufuhr auch mechanische Arbeit dienlich sein könnte. Schließlich geht es um molekulare Stöße, die durch Reibung in schnellere, ungeordnetere Bewegung versetzt werden (zum Beispiel durch einen Propeller, der die Moleküle durcheinanderwirbelt).

Dieser Effekt lässt sich auch experimentell nachweisen und geht auf die Versuche des britischen Brauereibesitzers James Prescott Joule aus dem Jahre 1843 zurück. Sein Proportionalitätsfaktor zwischen Wärme und Arbeit (das mechanische Wärmeäquivalent) findet sich heute in einem Umrechnungsfaktor: Eine Kalorie entspricht 4,184 Joule (Abkürzung: J), dem heutigen Maß für die Wärmemenge.

Wärme und Arbeit als Energieform betrachtet, sind also eng miteinander verknüpft. Abgesehen von ein paar Besonderheiten lässt sich dies auf alle Energieformen übertragen, die sich dann auch konsequenterweise ineinander überführen lassen. Bei geeigneter Wahl der Rahmenbedingungen ist es auch technisch möglich, Wärme und Arbeit wirtschaftlich nutzbar ineinander umzusetzen.

Der Carnotsche Kreisprozess

Die Jouleschen Versuche zeigten also, dass man auf verschiedenen Wegen zum gleichen Ergebnis kommen kann; dass also eine bestimmte Temperaturerhöhung durch Wärme oder Arbeit möglich ist. Welchen Weg man auch immer gehen möchte, beide Wege können auch wieder zurück zur Ausgangstemperatur führen. Einen solchen, so genannten Kreisprozess ersann sich der französische Physiker Sadi Carnot schon im Jahre 1824. Der Clou dieses Carnotschen Kreisprozesses ist, dass die Wärmeübertragung von einem heißeren auf einen kälteren Gegenstand umkehrbar ist, indem sie einen Teil, der als Wärme aufgenommenen Energie, als Arbeit abgibt. Deswegen wird der Prozess bisweilen auch als Carnot- oder Wärmekraftmaschine bezeichnet.

Diese Maschine ist ein Gedankenexperiment mit einem idealen Gas. Unter wohldefinierten Vorraussetzungen werden durch Expansion und Kompression in vier Schritten Wärme von einem zum anderen Reservoir transportiert. Am Ende gelangt man wieder zum Ausgangspunkt. Den Bruchteil der Wärme, der in Arbeit verwandelt wird, bezeichnet man als Wirkungsgrad; ein wichtiges Maß für technisches Prozesse.

Doch die Carnotmaschine entspricht dem Idealfall. Im Bereich um Raumtemperatur beträgt der ideale Wirkungsgrad, das heißt der des Carnotschen Kreisprozesses, etwa 25 Prozent. Dieser Anteil an nutzbarer Arbeit aus einem Kreisprozess kann nicht überschritten werden und wird deshalb im Ingenieurwesen mit 100 Prozent festgelegt. Der Wirkungsgrad eines realen Kreisprozesses, beispielsweise der einer Dampfmaschine, ist deutlich schlechter, weil mechanische Reibung, Wirbelbildung in Gasen und sonstige Wärmeverluste unvermeidlich sind. Bei einem realen Kreisprozess kommt man deshalb nicht mehr zum Ausgangspunkt zurück. Dennoch funktionieren diese Kreisprozesse auch in entgegengesetzter (Dreh-) Richtung.

Die Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe sollte man sich nicht einfach als eine Pumpe vorstellen, die beispielsweise warmes Wasser transportiert. Denn eine Wärmepumpe ist, zumindest vom Prinzip, das Pendant zur Wärmekraftmaschine – der Carnotsche Kreisprozess eben in entgegengesetzter Richtung. In etwa wie der Dynamo als Pendant zum Elektromotor. Einerseits wird elektrische oder, wie im Falle der Wärmepumpe, thermische Energie (= Wärme) und andererseits mechanische Energie (= Arbeit) nutzbar gemacht.

Das Prinzip der Wärmepumpe ist alt. Unter wohldefinierten Vorraussetzungen wird ebenfalls durch Expansion und Kompression in vier Schritten Wärme von einem zum anderen Reservoir transportiert und, im Idealfall, am Ende der Ausgangspunkt wieder erreicht. Nur, dass diesmal die mechanische Energie nicht entnommen, sondern im Gegenteil, dagegengehalten wird. Die zuvor gewonnene Arbeit kommt jetzt dem höheren Wärmereservoir zugute, womit deren Wärmemenge und infolge der wohldefinierten Vorraussetzungen auch deren Temperatur ansteigt.

Die heutigen Wärmepumpen haben mit dem Carnotschen Kreisprozess nur noch wenig gemein. Zwar sind nach wie vor noch Kompressionswärmepumpen gebräuchlich, doch arbeiten sie bisweilen als Dreikammersystem, mit unterschiedlichen Flüssig-Gas-Komponenten. Zudem gibt es Absorptionswärmepumpen oder Konstruktionen die sich Adsorptions-, Peltier- sowie magnetokalorische Effekt zunutze machen.

Wirklich geblieben und das wird auch so bleiben, ist die Sache mit dem Wirkungsgrad. Der wird bei all den neuen Maschinen nie größer sein, als der bei der alten Carnotmaschine.

Dr. Heinz Wohlgemuth
Berliner Umweltagentur e.V.