Wenn wir den Begriff „thermisches Gleichgewicht“ hören, mag er oft kompliziert erscheinen, aber es handelt sich tatsächlich um ein Konzept, das sich auf etwas bezieht, das wir täglich erleben, auch wenn wir es nicht bemerken.
Das thermische Gleichgewicht ist ein Zustand, in dem zwei oder mehr Körper (oder Systeme) die gleiche Temperatur erreichen und daher keine Wärmeenergie mehr zwischen ihnen austauschen. Um dies klar zu verstehen, schauen wir uns einige wichtige Details des Konzepts an.
Was ist Wärme?
Bevor wir uns mit dem Wärmehaushalt befassen, ist es wichtig zu verstehen, was Wärme ist.
Wärme ist eine Energieform, die aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen Körpern übertragen wird. Dieser Energiefluss erfolgt immer vom heißeren Körper zum kälteren Körper und der Prozess setzt sich fort, bis beide Körper die gleiche Temperatur erreichen.
Den Moment, in dem sie aufhören, Wärme auszutauschen, nennen wir thermisches Gleichgewicht .
Der Wärmeaustauschprozess
Stellen wir uns vor, Sie trinken eine heiße Tasse Kaffee in einem Raum mit Zimmertemperatur. Zunächst ist die Temperatur des Kaffees viel höher als die der Luft um ihn herum. Je heißer der Kaffee ist, desto mehr verliert er Wärme an die ihn umgebende Luft. Währenddessen absorbiert die Luft um ihn herum diese Energie.
Dieser Wärmeaustausch wird fortgesetzt, bis die Temperatur des Kaffees und der Luft gleich sind. In diesem Moment befinden sich beide im thermischen Gleichgewicht, was bedeutet, dass zwischen ihnen keine Wärmeübertragung mehr stattfindet.
Dies ist ein einfaches Beispiel dafür, wie das thermische Gleichgewicht funktioniert, aber das Interessante ist, dass dieses Phänomen in vielen Aspekten unseres täglichen Lebens auftritt, obwohl wir es nicht immer wahrnehmen.
Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
Das thermische Gleichgewicht lässt sich besser verstehen, wenn wir den nullten Hauptsatz der Thermodynamik einführen.
Dieses Gesetz ist ganz einfach und besagt Folgendes: „Wenn zwei Körper mit einem dritten Körper im thermischen Gleichgewicht stehen, dann stehen sie auch untereinander im thermischen Gleichgewicht.“ Obwohl es offensichtlich erscheint, ist dieses Gesetz von grundlegender Bedeutung für die Definition der Temperatur als messbare physikalische Eigenschaft.
Stellen Sie sich drei Körper vor: A, B und C. Wenn sich Körper A im thermischen Gleichgewicht mit Körper B und Körper B im thermischen Gleichgewicht mit Körper C befindet, besagt das Gesetz, dass sich auch A und C im thermischen Gleichgewicht befinden müssen. Dadurch entsteht eine sehr nützliche transiente Beziehung, die unter anderem die Kalibrierung von Thermometern ermöglicht.
Wie wird ein thermisches Gleichgewicht erreicht?
Das thermische Gleichgewicht kann durch verschiedene Wärmeübertragungsmechanismen erreicht werden: Leitung, Konvektion und Strahlung .
Fahren
Unter Leitung versteht man den Prozess, bei dem Wärme durch ein festes Material übertragen wird.
Dies geschieht, wenn Moleküle in einem heißeren Teil des Objekts schneller vibrieren und ihre Energie an benachbarte, kühlere Moleküle übertragen. Ein gutes Beispiel hierfür ist das Berühren eines Metalllöffels, der in eine Tasse heiße Suppe getaucht ist. Die Wärme der Suppe wird durch Wärmeleitung auf den Löffel übertragen. Wenn Sie ihn lange genug halten, wird der Löffel so heiß, dass Sie den Temperaturanstieg spüren können.
Konvektion
Konvektion ist der Prozess, bei dem Wärme in Flüssigkeiten (Flüssigkeiten und Gasen) durch die Bewegung von Flüssigkeitspartikeln übertragen wird.
Ein klassisches Beispiel ist ein Topf mit Wasser auf einem Herd. Wenn sich das Wasser am Boden des Topfes erwärmt, wird es weniger dicht und steigt an die Oberfläche, während kühleres Wasser, das dichter ist, absinkt. Dieser Zyklus erzeugt einen Konvektionsstrom, der dazu beiträgt, die Wärme gleichmäßig in der Flüssigkeit zu verteilen.
Strahlung
Schließlich haben wir noch Strahlung, also die Übertragung von Wärme durch elektromagnetische Wellen. Im Gegensatz zu Leitung und Konvektion ist für die Wärmeübertragung bei Strahlung kein physikalisches Medium erforderlich.
Ein gutes Beispiel für Strahlung ist, wie wir die Hitze der Sonne auf unserer Haut spüren, selbst wenn wir Millionen Kilometer entfernt sind. Wärmeenergie wird durch elektromagnetische Strahlung durch das Vakuum des Weltraums übertragen.
Ein weiteres Beispiel sind Solarkollektoren, die die Sonneneinstrahlung zur Warmwasserbereitung nutzen.
Faktoren, die das thermische Gleichgewicht beeinflussen
Es gibt mehrere Faktoren, die beeinflussen können, wie schnell das thermische Gleichgewicht zwischen zwei Körpern erreicht wird.
- Anfänglicher Temperaturunterschied : Je größer der Temperaturunterschied zwischen zwei Körpern, desto schneller erfolgt der Wärmeaustausch. Wenn Sie beispielsweise kochendes Wasser bei Raumtemperatur in ein Glas gießen, erfolgt der anfängliche Abkühlungsprozess schnell, verlangsamt sich jedoch, wenn sich Wasser und Umgebung der gleichen Temperatur nähern.
- Thermische Eigenschaften von Materialien : Einige Materialien sind bessere Wärmeleiter als andere. Metall ist beispielsweise ein guter Wärmeleiter, Luft oder Holz dagegen nicht so gut. Daher erwärmt oder kühlt sich ein Metallgegenstand schneller auf als ein Holzgegenstand, wenn er mit einer Wärmequelle in Kontakt kommt.
- Größe und Form von Körpern : Die Größe und Form von Körpern beeinflusst auch die Geschwindigkeit, mit der das thermische Gleichgewicht erreicht wird. Kleinere Objekte erreichen tendenziell schneller ein thermisches Gleichgewicht als größere Objekte, da sie weniger Masse zum Erhitzen oder Kühlen haben. Darüber hinaus weisen Objekte mit größeren Oberflächen aufgrund der größeren Kontaktfläche eine höhere Wärmeaustauschrate auf.
- Isolierung : Eine gute Wärmedämmung kann den Wärmeaustauschprozess verlangsamen und somit das Erreichen des thermischen Gleichgewichts verzögern. Deshalb verwenden wir in unseren Häusern Isolatoren oder Thermoskannen, um den Kaffee heiß zu halten. Diese Materialien verhindern den Wärmeaustausch nicht vollständig, verlangsamen ihn aber deutlich.
Praktische Beispiele zum thermischen Gleichgewicht
Im täglichen Leben finden wir viele Beispiele für das thermische Gleichgewicht.
Von dem Moment an, in dem Sie unter die heiße Dusche treten und spüren, wie sich Ihr Körper an die Wassertemperatur anpasst, bis hin zu dem Moment, in dem Sie ein kaltes Getränk auf dem Tisch stehen lassen und es sich mit der Zeit auf Raumtemperatur erwärmt. Dies sind alles thermische Gleichgewichtsprozesse in Aktion.
Ein interessanteres Beispiel ist die Verwendung von Thermometern . Thermometer funktionieren nach dem Prinzip des thermischen Gleichgewichts.
Wenn Sie ein Thermometer mit etwas in Kontakt bringen, beispielsweise mit Ihrer Haut, erwärmt oder kühlt sich die Flüssigkeit im Thermometer (häufig Quecksilber oder farbiger Alkohol) auf die gleiche Temperatur wie Ihre Haut. Sobald das thermische Gleichgewicht erreicht ist, ändert sich das Thermometer nicht mehr und wir können die korrekte Temperatur ablesen.
Thermisches Gleichgewicht und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik
Das thermische Gleichgewicht hängt auch eng mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zusammen, der besagt, dass die Entropie eines geschlossenen Systems immer dazu neigt, zuzunehmen. Mit anderen Worten: Systeme tendieren von Natur aus zu einem Gleichgewichtszustand, in dem die Energie gleichmäßig verteilt ist und es keine Temperaturunterschiede gibt, die den Wärmefluss antreiben.
Dies hat sehr wichtige Auswirkungen auf die Energieeffizienz.
Bei einer Wärmekraftmaschine beispielsweise besteht das Ziel darin, den Temperaturunterschied zwischen zwei Körpern auszunutzen, um Arbeit zu verrichten. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kommt es aufgrund der Tendenz des Systems, ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, jedoch immer zu Energieverlusten.