Spezifische Wärmekapazität ausgewählter Stoffe

Grundsätzlich gilt: Je größer die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes, desto mehr Wärme ist nötig um eine bestimmte Temperaturänderung hervorzurufen (gleiche Masse vorausgesetzt). Stoffe mit großen Wärmekapazitäten ändern ihre Temperatur bei Wärmezu- oder -abfuhr also nicht so stark. Die Temperaturkurven verlaufen im Zeit-Temperatur-Diagramm entsprechend flacher. In der Tabelle unten sind die spezifischen Wärmekapazitäten einiger Stoffe aufgetragen. Dabei fällt vor allem der relativ große Wert bei Wasserstoff von über 14 \(\frac{\text{kJ}}{\text{kg K}} \) auf. Wasserstoff wird aus diesem Grund auch zur Kühlung eingesetzt, da es seine Temperatur trotz Wärmezufuhr nur in geringem Maße ändert - es bleibt also sehr lange kalt! In diesem Zusammenhang wird ein Stoff der zur Kühlung eingesetzt wird auch als Kryogen bezeichnet.

  Stoff   Spez. Wärmekapazität
\(c\) in \(\frac{\text{kJ}}{\text{kg K}}\)
 Feststoffe Aluminium  0,90 
Eisen 0,45
Messing 0,38
Kupfer 0,38
Silber 0,24
Blei 0,13
     
  Flüssigkeiten Wasser 4,18
Ethanol 2,43
Petroleum 2,14
Quecksilber 0,14
     
     Gase Wasserstoff 14,3
Helium 5,19
Butan 1,66
Luft 1,01
Argon 0,52

Tabelle: Spezifische Wärmekapazitäten von ausgewählten Stoffen

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Abbildung: Temperaturverläufte ausgewählter Stoffe bei einer zugeführten Wärmeleistung von 500 W

Zwar haben die gasförmigen Stoffe Helium und Wasserstoff eine höhere spezifische Wärmekapazität im Vergleich zu Wasser, dabei darf allerdings nicht vergessen werden, dass diese unter Normalbedingungen und bei gleicher Masse jedoch ein wesentlich größeres Volumen einnehmen! Die untere Abbildung zeigt maßstabsgetreu die entsprechenden Volumina der verschiedenen Stoffe unter Normalbedingungen, d.h. bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von 0°C.

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Abbildung: Volumina von 1 kg Wasserstoff, Helium und flüssigem Wasser im Vergleich (bei 1 bar)

Wasser hat nach Helium und Wasserstoff die größte spezifische Wärmekapazität aller Stoffe und eignet sich aufgrund der hohen Verfügbarkeit und Handhabbarkeit in besonderem Maße für Kühl- oder Heizzwecke! So senkt sich die Temperatur des im Heizkörpersystem befindlichen Wassers trotz Wärmeabgabe an die Umgebung nur in geringem Maße - die Heizwirkung hält relativ lange an und erwärmt die umgebende Luft. Diese erwärmt sich aufgrund ihrer relativ geringen spezifischen Wärmekapazität von 1 \(\tfrac{\text{kJ}}{\text{kg K}}\) wesentlich stärker. Die Temperatur der Luft nimmt also stärker zu als die Temperatur des Wassers dabei abnimmt! Auch beim wohltuenden Entspannungsbad in der Badewanne zeigt sich der große Vorteil der hohen spezifischen Wärmekapazität des Wassers, da es somit für relativ lange Zeit warm bleibt. Ebenfalls wird die besondere Eigenschaft des Wassers mit seiner hohen spezifischen Wärmekapazität für Wasserkühlungen genutzt - das kalte Wasser erwärmt sich trotz Wärmezufuhr nicht so stark und behält somit für relativ lange Zeit seine Kühlwirkung.

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