Wärmeäquivalent

Das Wärmeäquivalent ist der historische Umrechnungsfaktor zwischen einer mechanischen oder elektrischen Energiemenge und der daraus entstehenden Wärmeenergie, wenn eine vollständige Umwandlung in die Wärmeenergie erfolgt. Das mechanische bzw. elektrische Wärmeäquivalent gibt die Umrechnung zwischen den Einheiten Newtonmeter bzw. Wattsekunde und der inzwischen veralteten Einheit Kalorie an. Aus der Entdeckung des Wärmeäquivalents folgte der Erste Hauptsatz der Thermodynamik als Spezialfall des Energieerhaltungssatzes.

In der modernen Physik hat das Wärmeäquivalent seine Bedeutung verloren, weil seit der Einführung des SI-Einheitensystems alle Energieformen die gleiche Einheit Joule haben.

Geschichte

Joules Versuchsaufbau zum Wärmeäquivalent

Eine alte Einheit für Wärmemengen war die Kalorie. Sie war definiert durch die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur einer Gewichtseinheit reines Wasser um eine Einheit zu erhöhen. Die mechanische und elektrische Energie wurden zunächst nicht im Zusammenhang mit der Thermodynamik betrachtet.

Im Jahr 1798 entdeckte Benjamin Thompson beinahe das mechanische Wärmeäquivalent. Die Größe des Äquivalents lässt sich aus den Versuchen Thompsons berechnen, er selbst erkannte die vollständige Bedeutung der Zusammenhänge allerdings nicht.

Im Jahr 1842 veröffentlichte Julius Robert von Mayer in den Annalen der Chemie und Pharmacie seine Untersuchungen zur Temperaturerhöhung in einer Flüssigkeit beim Verrichten von mechanischer Arbeit. Er befasste sich unter anderem mit dem Zusammenhang zwischen verrichteter Reibungsarbeit und der dabei auftretenden Erwärmung.

„Reiben wir z.B. zwei Metallplatten an einander, so werden wir Bewegung verschwinden, Wärme dagegen auftreten sehen und es fragt sich jetzt nur, ist die Bewegung die Ursache von Wärme.“

– Mayer

Weiterhin bestimmte Mayer das Wärmeäquivalent quantitativ und stellte fest, dass die potentielle Energie eines Körpers in etwa 365 Metern Höhe der Erwärmung einer gleichen Masse Wasser um 1 Kelvin äquivalent ist (richtig wäre 427 m Höhe):

„[…] daſs dem Herabsinken eines Gewichtstheiles von einer Höhe circa 365 m die Erwärmung eines gleichen Gewichttheiles Wasser von 0° auf 1° entspreche.“

– Mayer

Seine physikalischen Begründungen der Äquivalenz waren ungenau.

Mayer spricht in seiner Publikation von einer Umwandlung der Kräfte. Dies liegt daran, dass zu seiner Zeit der Begriff Kraft sowohl die Kraft selbst als auch die Energie bezeichnete. Den Energiebegriff in seiner heutigen Form führte erst der schottischen Physiker William Rankine zehn Jahre später ein.

James Prescott Joule stellte etwa zur gleichen Zeit ähnliche thermodynamische Versuche an und bestimmte das mechanische und elektrische Wärmeäquivalent. Er verwendete als Erster den Begriff Wärmeäquivalent und publizierte im Jahr 1850 in den Annalen der Physik und Chemie seine Ergebnisse.

Physikalische Begründung

Wenn mechanische oder elektrische Arbeit dissipiert wird, dann werden beispielsweise durch Reibung, elektrische oder magnetische Felder die Teilchen eines Stoffes angeregt und ihre mittlere kinetische Energie nimmt zu. Die Wärmeenergie eines Systems entspricht der gesamten kinetischen Energie seiner Teilchen, d.h. Energie einer anderen Form kann vollständig (äquivalent) in Wärmeenergie umgewandelt werden.

Basierend auf einem Artikel in:

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