Was ist Wärmeenergie, welche Rolle spielt sie bei der Heizung?

Wärmeenergie
Die Definition von Wärmeenergie beschreibt das innere Wärmepotenzial eines Stoffes. Technisch präziser handelt es sich dabei um thermische Energie. In jedem existierenden Stoff bewegen sich atomare und molekulare Teilchen. Als Wärmeenergie in der Physik wird die daraus entstehende Wärmeentwicklung bezeichnet. Als erklärendes Bild hilft der Zusammenhang zwischen der Wärmeenergie und der Beschaffenheit beziehungsweise dem Aggregatzustand eines Stoffes.
In flüssigem Wasser hängt die Geschwindigkeit der sich bewegenden Atome und Moleküle von zugeführter Wärme ab. Je mehr zugeführt wird, desto schneller werden die Bewegungen. Irgendwann ist der Punkt erreicht, an dem die Bewegungen Teile des Stoffes dazu veranlassen, „abzuspringen“. In diesem Moment ist der Siedepunkt erreicht. Hier springen die Atome und Moleküle an und verändern sich in einen gasförmigen Zustand.

Das Bewegungsverhalten bestimmt die Wärmekapazität

Die physikalischen Funktionsweisen zu spezifischer innerer Energie von Stoffen und deren Veränderungen bilden die Grundlage, eine Heizungsanlage zu konstruieren. Vereinfacht gesagt werden die Eigenschaften von Stoffen gezielt ausgenutzt, um Wärme „einzufangen“, „einzuspeisen“ und zu transportieren.

Klassisches Beispiel ist das herkömmliche Heizungswasser. Der Kessel wärmt dies auf, damit es an anderer Stelle die Wärme wieder abgibt. Die vorhandene innere Energie ist zweitrangig. Im Mittelpunkt steht die Fähigkeit des Wassers, erhaltene Wärme in eigene Wärmeenergie umzuwandeln und zu transportieren. Diese Fähigkeit wird als Wärmekapazität bezeichnet. Sie wird in der Maßeinheit Joule gemessen. Die Kapazität des Wassers beträgt 4.190 Joule. Verkürzt ausgedrückt benennt die Kapazität die Beziehung zwischen zugeführter Wärme und entstehender Temperatur.

Die Berechnung von Kapazität und nutzbarer Temperatur

Je günstiger der Stoff auf Wärmezuführung reagiert, desto geeigneter ist er, um in einer Heizungsanlage genutzt zu werden. Allerdings besitzen viele Stoffe andere Eigenschaften, durch die Gebrauchsfähigkeit eingeschränkt wird. Typische Beispiele sind Brenn- und Explosionsgefahr. Die Wasserkapazität gehört zu den größten aller vorkommenden Stoffe, ohne gefährliche „Nebenwirkung“.

Um die Wärmeenergie zu berechnen und daraus folgend die Wärmemenge zu berechnen, sind folgende Werte erforderlich:

M = Bezugsmenge des Stoffs = 1 Kilogramm
C = Wärmekapazität in Joule = spezifischer Wert aus Liste
K = Zugeführte Wärme in Kelvin
Wärmeenergie Q = Ergebnis der Wärmemenge in Joule oder Kilowatt

Die Formel für die Wärmeenergie lautet: q = M x C x K

Beim Berechnen der Wärmemenge für Flüssigkeiten wird ein Liter der Bezugsflüssigkeit (entspricht einem Kilogramm) mit dem spezifischen Kapazitätswert von 4.190 Joule multipliziert und dieser wiederum mit dem Wert der zugeführten äußeren Wärme in Kelvin multipliziert. Dabei entspricht ein Kelvin einem Grad Celsius Temperaturdifferenz. Nicht verwechselt werden darf die Temperatur als Zuführungsmenge mit der tatsächlichen Wassertemperatur.

Sonderfall gasförmige Stoffe

Anders als in flüssigem Zustand kann die Formel für Wärmeenergie nur mit erweiterten Parametern auf gasförmige Stoffe angewendet werden. Wasserstoff hat beispielsweise mit 14.280 Joule eine beeindruckend und theoretisch effektive sehr hohe Wärmekapazität. Sie zu berechnen ist neben der Schwierigkeit des Nutzens selber nur mit den Parametern Ausgangstemperatur und Druckverhältnisse möglich.

Effektivität entsteht aus Kapazität

Im Prinzip bestimmt die thermische Energie, ob und wie erzeugte Wärme einer Heizung „weiterverarbeitet“ werden kann oder wird. Theoretisch ist der Fall vorstellbar, das die erzeugte Wärme wirkungslos verpufft, wenn der Überträger keine oder zu geringe Wärmekapazität besitzt. In Heizungsrohren fließendes Gold mit der Kapazität von 310 Joule würde gerade einmal flüssig gehalten werden können. Ein „Ausliefern“ der Wärme an angeschlossene Heizkörper könnte Gold nicht bewerkstelligen. Um in einer Heizungsanlage maximale Wärmeausbeute und Transportfähigkeit zu erzielen, werden gemischte Flüssigkeiten eingesetzt, die eine hohe Wärmekapazität besitzen. Sie erlauben, auch aus geringen Temperaturdifferenzen der Umweltwärme ausreichende Wärmeheizkraft zu gewinnen. Diesem Prinzip folgen Solaranlagen und Wärmepumpen.