Thermische Energie: Nutzen, Beispiele und Formel

thermische energie mit solarkollektoren
Alle auf der Welt vorkommenden Stoffe bestehen aus Atomen oder Molekülen. Diese kleinsten Bauteile jeder Substanz bewegen sich, auch durch unterschiedliche elektrische Ladungen, mehr oder weniger. Thermische Energie ist die Kraft, die aus der Bewegung entsteht. Wenn Stoffe erwärmt werden, steigert sich die Mobilität der Atome und Moleküle, bei Abkühlung verringert sie sich. Die in den Stoffen enthaltene „Urenergie“ ist besonders gut bei Veränderungen des Aggregatzustands zu
beobachten. Wenn Wasser gefriert, wird jede Bewegung langsamer. Bei Steigerung der Bewegungsrate geht ein fester Stoff in gasförmige Form über. Die „innere“ Bewegung der kleinsten Bauteile hält nicht mehr zusammen und „flüchtet“ in alle Richtungen. Bei der Beschleunigung der Bestandteile entsteht Druck, was thermische Energie einfach erklärt und sichtbar werden lässt.

Abgrenzung von Wärme und Beispiele

In der Definition ist thermische Energie, oft auch als Wärmeenergie bezeichnet, nicht mit Wärme zu verwechseln. Zugeführte Wärme steigert die Energie durch erhöhte Bewegung, ist aber keine energetische Substanz. Die interne Bewegungsenergie liegt immer vor und kann durch Temperatur lediglich verstärkt oder abgeschwächt werden. Jeder Stoff oder jede Substanz bringt ein Grundmaß an thermischer Energie mit. Durch technische Konstruktionen wird diese Energie nutzbar gemacht und aus dem Träger „herausgeholt“.

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Beispiele für thermische Energie:

  • Verbrennung von Kraftstoff in einem Fahrzeugmotor
  • Erwärmung von in einem geschlossenen Modul befindlichen Solarzellen
  • Kochendes und Druck entwickelndes Wasser in einem Kochtopf
  • Druckerzeugung in geschlossenen Behältnissen und mechanisches Nutzen

Maßeinheit und Bedingungen

Auf dem Weg, die „innere“ Energie aus Stoffen abzuschöpfen, muss der Bedarf an Energiezufuhr immer niedriger sein als die vorhandene thermische Energie. Physikalisch setzt sich das Energieaufkommen aus Bewegungs- und Bindungskräften zusammen. Die Bewegungskräfte werden auch als kinetische Energie bezeichnet.
Nach dem Entdecker, einem englischen Physiker, wird thermische Energie in Joule gemessen. Er definiert die beiden entscheidenden Voraussetzungen mit der Temperatur und der Dichte des Stoffs beziehungsweise Körpers. Vereinfacht gesagt sind Bewegungsschnelligkeit und Anzahl der Bestandteile für die vorhandene thermische Energie ausschlaggebend. Die Maßeinheit Joule wird in der Berechnungsformel mit ?Q benannt.

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Berechnungsweg und Rechenformel

Wenn Wärmeenergie oder thermische Energie zu berechnen ist, setzt sich die grundlegende Formel aus vier Variablen zusammen:

  • ?Q = Die Energiemenge in Joule
  • m = Die Masse des Körpers/Stoffs in Kilogramm
  • c = Die im Körper/Stoff vorhandene Wärmekapazität in Joule/kg multipliziert mit Kelvin
  • ?T = Die Temperatur in Kelvin

Bei der Berechnung werden die spezifischen Wärmekapazitäten von Stoffen und die den Temperaturwerten in Celsius zugeordneten Kelvinwerte aus Tabellen entnommen. Die Rechenformel für das Berechnen thermischer Energie lautet ?Q = m x c x ?T. Beim Berechnen muss die Bezugs- oder Referenzmenge des Körpers oder Stoffs beachtet werden.

Ausnutzung und Wirkungsgrade

Die große technische Herausforderung besteht darin, an die inneren Energien der Körper und Stoffe „heranzukommen“. Thermische Energiespeicher „fangen“ die Energien ein und halten sie an einem Ort fest. In der Heiztechnik ist dieses Konservieren von Energie bei unterschiedlichem Umfang an zur Verfügung stehender Wärmezuführung hilfreich und wichtig. Thermische Solaranlagen nutzen diese Option. Auf dem Weg der technischen Umwandlung der in den Stoffen befindlichen inneren Energien geht noch ein hoher Anteil verloren.

Anschaulich illustriert wird die hohe Verlustrate durch einen Verbrennungsmotor. Von dem Gesamtaufkommen an Energie landen höchstens vierzig Prozent als Bewegungsenergie im Motor, höchstens dreißig Prozent als Strom in Generatoren und unter ein Prozent erhellen eine Glühlampe. Die technische Entwicklung zur Nutzung thermischer Energien zielt vor allem darauf ab, den Wirkungsgrad beispielsweise durch Kraft-Wärme-Kopplung signifikant zu erhöhen.