Als Wärmekapazität versteht man die erforderliche Wärmeenergie die nötig ist, um die Temperatur eines Gegenstandes um 1 Kelvin (1 °C) zu erhöhen. Erfahren Sie in diesem Artikel mehr darüber.
Spezifische Wärmekapazität von Stoffen
Die für eine Erwärmung eines Stoffes benötigte Wärmeenergie Q ergibt sich über dessen spezifische Wärmekapazität c sowie der Temperaturänderung ΔT und der Masse m des Stoffes:
\begin{align}
\label{1}
&\boxed{Q = c \cdot m \cdot \Delta T} ~~~\text{gilt nur für einen homogenen Stoff} \\[5px]
\end{align}
Die spezifische Wärmekapazität c ist in erster Näherung eine Stoffkonstante und somit nur vom erwärmenden Stoff abhängig. Tatsächlich ist die spezifische Wärmekapazität jedoch auch vom Aggregatzustand abhängig und variiert mehr oder weniger stark mit der Temperatur – siehe hierzu Artikel Wichtige Anmerkungen zur spezifischen Wärmekapazität.
(Absolute) Wärmekapazität von Gegenstanden
In den meisten Fällen besteht ein Gegenstand nicht aus einem einzigen Stoff, sondern setzt sich aus vielen einzelnen Materialien mit jeweils unterschiedlichen spezifischen Wärmekapazitäten zusammen. Ein Kaminofen beispielsweise besteht aus unterschiedlichen Materialien, wie verschiedene Metalle, Specksteine, Schamottstein, Glas, etc. Die Erwärmung oder Abkühlung solcher Gegenstände, die aus mehreren unterschiedlichen Materialien bestehen, anhand deren spezifischen Wärmekapazitäten zu beschreiben, ist somit wenig sinnvoll.
Man nutzt in diesen Fällen die absolute Wärmekapazität als direkte Beziehung zwischen Wärmezufuhr und Temperaturerhöhung bzw. zwischen Wärmeabfuhr und Temperaturerniedrigung eines Gegenstandes (z.B. Kaminofen). Das Verhältnis von zu- oder abgeführter Wärmeenergie Q und hieraus resultierender Temperaturänderung ΔT wird dabei als (absolute) Wärmekapazität C des Gegenstandes bezeichnet. Diese Wärmekapazität wird in der Einheit J/K angegeben.
\begin{align}
& \boxed{C := \frac{Q}{\Delta T}} ~~~[C]=\frac{\text{J}}{\text{K}} ~~~\text{Definition der Wärmekapazität} \\[5px]
\end{align}
Eine Wärmekapazität von beispielsweise 3 kJ/kg (gesprochen: „drei Kilojoule pro Kelvin“) bedeutet anschaulich, dass eine Wärmeenergie von 3 kJ erforderlich ist, um den Gegenstand um 1 K (1 °C) zu erwärmen.
Anhand der Wärmekapazität C eines Gegenstandes kann schließlich die insgesamt notwendige Wärmeenergie Q ermittelt werden, welche für eine beliebige Temperaturänderung ΔT erforderlich ist:
\begin{align}
\label{q}
& \boxed{Q = C \cdot \Delta T} ~~~\text{gilt für einen bestimmten Gegenstand} \\[5px]
\end{align}
Im Gegensatz zur spezifischen Wärmekapazität c, welche sich als massenbezogene Größe auf einen homogenen Stoff bezieht und damit eine Stoffgröße ist, berücksichtigt die (absolute) Wärmekapazität C die Vielzahl an unterschiedlichen Stoffen, aus denen ein Gegenstand aufgebaut ist sowie deren Massenanteile und ist damit eine Gegenstandsgröße.
Die Wärmekapazität eines Gegenstandes beschreibt wie viel Wärmeenergie nötig ist, um die Temperatur des Gegenstandes um 1 Kelvin (1 °C) zu erhöhen.
Anmerkung: Physikalische Größen die, auf die Masse bezogen werden, werden als „spezifische“ Größen bezeichnet und häufig mit einem Kleinbuchstaben gekennzeichnet. Deshalb bekommt die spezifische Wärmekapazität auch den Kleinbuchstaben c zugeordnet und die Wärmekapazität als absolute Größe den Großbuchstaben C!
Zusammenhang zwischen absoluter und spezifischer Wärmekapazität
Die Begrifflichkeiten spezifische Wärmekapazität und (absolute) Wärmekapazität müssen streng auseinandergehalten werden! Salopp formuliert, ist die spezifische Wärmekapazität eine Stoffgröße (sie wird einem bestimmten Stoff zugeordnet) und die Wärmekapazität eine Gegenstandsgröße (sie wird einem konkreten Gegenstand zugeordnet).
Die SPEZIFISCHE Wärmekapazität ist eine Stoffgröße und die WÄRMEKAPAZITÄT als solche eine Gegenstandsgröße!
Lediglich für einen Gegenstand, welcher aus einem einzigen homogenen Stoff besteht (z.B. Getränkedosen oder Konservendosen), kann dessen Wärmekapazität C aus der spezifische Wärmekapazität c des Stoffes und der Masse m des Gegenstandes ermittelt werden:
\begin{align}
\label{c}
& \boxed{C = c \cdot m} ~~~\text{gilt nur für einen homogenen Gegenstand} \\[5px]
\end{align}
Wird Gleichung (\ref{c}) in Gleichung (\ref{q}) eingesetzt, dann ergibt sich letztlich direkt der Zusammenhang nach Gleichung (\ref{1}), welcher nur für einen homogen aufgebauten Gegenstand gilt:
\begin{align}
& Q = C \cdot \Delta T = c \cdot m \cdot \Delta T \\[5px]
\end{align}
Exkurs: Anfassen einer heißen Aluminiumfolie vs. heiße Aluminiumpfanne
In diesem Zusammenhang lässt sich auch erklären, weshalb man Aluminiumfolie trotz einer Temperatur von teilweise über 200 °C ohne Verbrennungen mit den bloßen Händen aus dem Backofen nehmen kann, während man eine heiße Pfanne aus Aluminium besser nicht direkt anfassen sollte.
Grund hierfür ist unter anderem die geringe Wärmekapazität der Aluminiumfolie, die sich aus der Kombination der ohnehin schon relativ geringen spezifischen Wärmekapazität und der relativ niedrigen Masse ergibt (i.d.R. nur wenige Gramm). Dies führt dazu, dass bereits eine geringe Wärmeabfuhr durch die Finger beim Anfassen die Temperatur an jener Stelle rasch sinken lässt. Eine Aluminiumpfanne mit einer relativ großen Wärmekapazität (bedingt durch die große Masse) erfordert hingegen eine wesentlich größere Wärmeabfuhr, um die Temperatur zu senken. Somit bleibt die Pfanne selbst beim Anfassen noch genügend lange heiß, um schwere Verbrennungen hervorzurufen.
Mehr Informationen zum Wärmeempfinden finden sich im Artikel Warum fühlt sich Metall kälter an als Holz?.
