Wärmekapazität: Definition & hilfreiche Beispiele | Kesselheld

Wärmekapazität: Definition & hilfreiche Beispiele

Die spezifische Wärmekapazität von Stoffen ist für Prozesse wichtig, bei denen Wärmenergie gespeichert oder abgegeben wird. Wir erklären im Folgenden, wie diese physikalische Größe definiert ist und für welche Anwendungen sie wichtig ist.

Die physikalische Definition

spezifische waermekapazitaet
Die spezifische Wärmekapazität c ist eine physikalische Größe, die sich auf Stoffeigenschaften bezieht. Sie beschreibt die Fähigkeit von Materialien, thermische Energie in sich zu speichern. Wichtig ist, dass sich c stets auf einen bestimmten Zustand des Stoffes bezieht. Insbesondere die Temperatur des Stoffes entscheidet über sein Verhalten. In gängigen Tabellen zur Wärmekapazität wird meistens von einer Vergleichstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius ausgegangen.
In Worten ausgedrückt lässt sich c wie folgt definieren:

„Es handelt sich um die Wärmemenge, welche einer gewissen Menge des Stoffes entzogen oder zugeführt wird, geteilt durch die resultierende Temperaturerniedrigung oder Temperaturerhöhung.“

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Um die Wärmekapazität zu berechnen, kommt folgende Formel zum Einsatz:

c = Q / (m * T)

Q ist die Menge an Wärme, welche dem Stoff zugeführt beziehungsweise entzogen wird. m ist die Masse des Stoffs. T ist die Differenz zwischen der Endtemperatur und der Anfangstemperatur.

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Laut Internationalem Einheitensystem ergibt sich für c folgende Einheit:

J / (kg * K)

Beispiele für ausgewählte Stoffe

1. c-Werte von Wasser und Eis

Die Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,182 kJ / (kg K). Dieser Wert impliziert den im Folgenden dargestellten Zusammenhang: Führt man einem Kilogramm Wasser eine Energiemenge von 4,182 kJ zu, erhöht sich die Temperatur um 1 K. Diese Angabe ist für eine Wassertemperatur von 20 Grad Celsius gültig. Eis, welches eine Temperatur von 0 Grad Celsius aufweist, besitzt eine Wärmekapazität von 2,060 kJ / (kg * K). Es sind 2,060 kJ erforderlich, um die Temperatur von einem Kilogramm Eis um 1 K anzuheben.

2. Wärmekapazität von Luft im Vergleich zu Feststoffen

Die Wärmekapazität von Luft wird auf 1,005 kJ (kg * K) beziffert. Wärmekapazitäten werden für feste, flüssige und gasförmige Stoffe definiert. Ein Beispiel für einen Feststoffes ist Kupfer, der c-Wert beträgt 0,382 kJ / (kg * K). Aluminium wird in den Tabellen mit 0,896 kJ / (kg * K) aufgeführt.

Die Umrechnung:

In einigen Tabellen wird die Einheit J / (kg * K) anstelle von kJ / (kg * K) verwendet.

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Die Umrechnung erfolgt mittels:

1.000 J / (kg * K) = 1 kJ / (kg * K)

Die Bedeutung für den sommerlichen Wärmeschutz

Verfügt der Baustoff über einen hohen c-Wert, kann er große Mengen Wärme speichern. In diesem Fall bleibt der Innenbereich auch im Sommer kühl. Die Wärme dringt nicht direkt in die Räume sondern verbleibt im Baustoff. Mit zeitlicher Verzögerung gelangt die Wärme in die Innenräume. Im Idealfall sorgt diese Phasenverschiebung dafür, dass erst am kühleren Abend die Räume leicht erwärmt werden. Aus diesem Grunde ist es von Vorteil, als Wärmedämmstoffe Materialien mit hohen spezifischen Wärmekapazitäten auszuwählen.

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Geeignet sind unter anderem Hanf oder Flachs, die c-Werte von 1,6 bis 1,8 kJ / (kg * K) aufweisen. Die häufig genutzte Mineralfaser bietet lediglich einen Wert von 0,8 kJ (kg * K).

Die Wärmekapazität von Wasser

Aufgrund des c-Wertes von 4,182 kJ / (kg * K) gilt Wasser als ein sehr guter Wärmespeicher. Wasser wird daher zur Kühlung eingesetzt. Doch nicht nur die Wärmekapazitäten sind für die Auswahl von Kühlmitteln oder Wärmespeichern entscheidend.

Wasser besitzt einen guten Wärmeleitwert, was ebenfalls als Vorteil gewertet wird. Große Mengen an Energie können leicht aufgenommen und abgegeben werden. Die Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Stoffen sind groß, wie ein Vergleich mit den Eigenschaften von Stahl zeigt: Der c-Wert beträgt lediglich 0,46 kJ / (kg * K).