Um die spezifische Wärmekapazität zu erklären, muss die Definition von Wärme vorausgeschickt werden. Wärme besteht aus Energie, die sich in einem Stoff befindet. Unterschiedliche Stoffe nehmen genauso unterschiedliche Energiemengen auf. Das Aluminium eine andere Menge Energie aufnimmt als Eisen, Luft und Wasser, ist einleuchtend. Zusätzlich muss der Zustand beziehungsweise die Beschaffenheit des Stoffes berücksichtigt werden. Flüssiges Wasser kann wesentlich mehr Energie und damit Wärme aufnehmen als gasförmiger Wasserdampf oder im gefrorenen Zustand als Eis. Bei dem Energiebedarf, der benötigt wird, um ein Kilogramm des Stoffes um ein Grad zu erwärmen, handelt es sich per Definition um die spezifische Wärmekapazität.
Spezifische Wärmekapazität: Die Maßeinheit Kelvin und das Gewicht
Die spezifische Wärmekapazität c ist ein konstanter Wert im jeweilig zugeordneten Stoff. In der Physik und Wärmelehre (Thermodynamik) wird statt in Grad Celsius mit der Maßeinheit Kelvin gerechnet. Die Skala der beiden Werte ist zueinander verschoben, aber in der Einzelmenge entspricht ein Kelvin exakt einem Grad Celsius. Ein anschauliches Beispiel für das Berechnen der spezifischen Wärmekapazität entsteht beim Beheizen eines Raums. Die physikalische Frage lautet, wie viel Energie einem Kilogramm Luft zugeführt werden muss, um sie um ein Gras Celsius zu erwärmen. Dafür muss der gasförmige Stoff „gewogen“ werden, um ein Gewichtsmaß festzulegen. Im Fall von Luft entspricht ein Kilogramm in etwa dem Raummaß von einem Kubikmeter oder tausend Liter.
Die Maßeinheit Joule, die Masse und die Rechenformel
Als Maßeinheit für die Energie, die die spezifische Wärmekapazität definiert, wird Joule genutzt. Bekannt ist dieses Maß aus der Ernährung, wo es weitestgehend die auf den Brennwert des menschlichen Körpers bezogene Bezeichnung Kalorie abgelöst hat. Joule wird mit J bezeichnet, tausend Joule ergeben ein Kilojoule kJ. Bekannt sein muss die Dichte beziehungsweise Masse des Stoffs. Sie beschreibt vereinfacht ausgedrückt, wie eng sich die Atome im Stoff aneinanderdrängen. Diese Abstände haben enormen Einfluss auf die Einlagerfähigkeit von Energie. In der Rechenformel sind vier Werte miteinander zu verbinden:
c = Kapazität (Spezifische Wärmekapazität)
J oder kJ = Kilojoule (zugeführte oder entzogene Energie)
g oder kg = Kilogramm (Dichte, Masse)
K = Kelvin (Temperatur)
In der Rechenformel ergibt sich c aus j oder kJ geteilt durch g oder kg multipliziert mit K.
Weitere Einflussfaktoren auf die spezifische Wärmekapazität
Mit dem geschilderten Berechnungs- und Wirkungsprinzip lässt sich die spezifische Wärmekapazität noch nicht exakt errechnen. Um ein präzises Ergebnis zu erhalten, müssen auch die Ausgangstemperatur und bei gasförmigen Stoffen der Druck berücksichtigt werden. Die Energiezuführung steigt nicht linear mit der Erwärmung an. Wenn bereits angewärmtes Wasser weiter erwärmt wird, sinkt der Energiebedarf geringfügig, aber konsequent. In gasförmigen Stoffen geht ein Teil der zugeführten Energie verloren, da sie neben der reinen Erwärmung auch für konstanten Druck „zuständig“ ist. Bei genauen Berechnungen werden die Rechenformeln entsprechend erweitert.
Beispiele für die spezifische Wärmekapazität von Stoffen
Flüssigwasser hat mit 4190 kJ eine der höchsten Wärmekapazitäten aller Stoffe auf der Erde. Diese Eigenschaft ist für das Klima äußerst wichtig, damit die Sonne tagsüber die Ozeane, Meere und Seen nicht zu sehr aufwärmen kann. Bei Eis halbiert sich der Wert etwa auf 2100 kJ und ein Kilogramm Wasserdampf braucht 2000 kJ, um sich ein Grad zu erwärmen. Aluminium wird oft im Fensterbau eingesetzt und nimmt pro Grad Erwärmung 900 kJ auf und Eisen mit 450 kJ die Hälfte. Bestünden die Fenster aus Eisen, würden Sie sich doppelt so schnell erwärmen. Beton mit 1000 kJ erwärmt sich schneller als Holz mit 1700 kJ.