A – Unterscheiden von Wärme und Temperatur

Der Unterschied zwischen Wärme und Temperatur ist grundlegend für das weitere Verstehen. – Hier zunächst einmal die Erläuterung der beiden Grundgrößen in Kurzform.


Wärme (Q) – kurz / knapp:

Bei Wärme handelt es sich um eine Energieform. Diese Energie kann einem Gegenstand zugeführt werden oder ein Gegenstand kann diese Energie abgeben. Nimmt ein Körper Energie in Form von Wärme auf oder gibt sie ab, ändert sich dadurch sein Zustand. Dies macht sich bemerkbar in einer Änderung seiner Temperatur und / oder seines Aggregatzustandes. Wir sprechen daher auch von Wärme als Prozessgröße.


Temperatur (T) – kurz / knapp:

Bei der Temperatur handelt es sich um ein Maß der mittleren Bewegungsenergie der einzelnen Teilchen eines Gegenstandes. Wird einem Gegenstand Wärme zugeführt, beginnen die Atome / Moleküle in diesem Körper stärker zu schwingen (im Festkörper) und sich zu bewegen (in Flüssigkeiten und Gasen). Die Temperatur beschreibt also den Zustand, in dem sich der Körper nach der Wärmezufuhr oder -abgabe befindet. Wir sprechen daher auch von der Temperatur als Zustandsgröße.


Wir betrachten nun beide Grundgröße im Folgenden genauer.

A.1 Die Temperatur

Temperatur ist eine Größe, die das objektiv erfasst, was wir warm oder kalt nennen. Betrachten wir das im Detail:

Die Temperatur beschreibt den thermischen Zustand eines Körpers / Systems: Die Aggregatzustände, die ein Stoff annehmen kann, unterscheiden sich darin, wie stark die Teilchen des Stoffes aneinandergebunden, bzw. wie frei beweglich sie dadurch sind. In Festkörpern sind diese Bindungen permanent und so stark, dass die Teilchen an ihrem „Platz“ bleiben. Allerdings bedeutet das nicht, dass sie sich nicht bewegen, denn sie können sich in alle Richtungen ein wenig hin und her bewegen (schwingen). In Flüssigkeiten sind die Teilchen weniger stark gebunden und in Gasen bestehen keine permanenten Bindungen mehr. Hier können sich die Teilchen also noch flexibler und auch schneller bewegen. Wie schnell sie sich bewegen, hängt nun von der Energie ab, die in ihnen gespeichert Je mehr Energie sie aufnehmen, desto schneller bewegen sie sich. Da sich nicht alle Teilchen gleich schnell bewegen, sprechen wir von einer mittleren (oder durchschnittlichen) Geschwindigkeit der Teilchen. Und diese mittlere Geschwindigkeit können wir nun also heranziehen, um den thermischen Zustand des Körpers zu beschreiben. Diese Eigenschaft nennen wir Temperatur. Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers. Die mittlere (durchschnittliche) Geschwindigkeit von Gasteilchen in Luft beträgt bei 20oC beispielsweise 500 m/s!

Die Temperatur beschreibt also den thermischen Zustand, in dem sich der Körper befindet. Wir sprechen daher auch von der Temperatur als Zustandsgröße.

Was haben aber die Bewegungen von Teilchen mit unserem Temperaturempfinden zu tun? – Denken wir uns einen Gegenstand, der Wärme aufgenommen hat, so dass sich seine Teilchen nun schon recht stark innerhalb des festen Verbundes bewegen: Beispielsweise ein Buch, das in der Sonne liegt. Wenn wir das Buch nun in die Hand nehmen, stoßen die sich schnell bewegenden Teilchen des Buchumschlags mit den Teilchen unserer (kälteren) Hand zusammen. Sie bringen dabei die Teilchen an der Berührungsstelle unserer Hand ebenfalls stärker in Bewegung als vorher. Sie geben also Energie an unsere Hand ab und die Temperatur unserer Hand steigt. Das Buch fühlt sich für uns warm an, weil Energie vom (wärmeren) Buch auf unsere (kältere) Hand übergeht. Das ist auch eine weitere wichtige physikalische Grundinformation: Wir nehmen nicht direkt die Temperatur eines Gegenstandes wahr, wenn wir ihn anfassen. Wir nehmen über die Haut aber war, wenn dieser Gegenstand Energie in Form von Wärme an uns abgibt – oder umgekehrt, wenn unsere Hand an den Gegenstand Energie abgibt. Auch hierauf kommen wir später noch einmal zurück.

A.1.2 Thermometer zeigen die Temperatur (den thermischen Zustand) an:

Wir haben schon festgehalten, dass die Temperatur den thermischen Zustand eines Gegenstandes (Körpers) bezeichnet. Diesen Zustand zeigen Thermometer an. Beispielsweise macht sich ein Flüssigkeitsthermometer die thermische Ausdehnung zu Nutze, die damit verbunden ist: Je nach thermischem Zustand, also je nachdem, wieviel Wärme in einem Gegenstand enthalten ist, bewegen sich die Teilchen, aus denen er besteht, unterschiedlich stark. Je stärker sie sich bewegen, desto mehr Raum beanspruchen sie auch in der Regel und der Körper dehnt sich aus (siehe Abschnitt zu Wasser und Dichte). Dehnt sich also die Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsthermometer aus, lässt sich das in einem Steigröhrchen anzeigen.

A.1.3 Verschiedene Skalen für die Temperatur:

In den meisten Ländern ist heute die Celsius-Skala zum Messen von Temperaturen verbreitet. Vor allem in den USA wird hingegen die Fahrenheit-Skala verwendet, im wissenschaftlichen Bereich ist außerdem die Kelvin-Skala von Bedeutung, die aber eng mit der Celsius-Skala zusammenhängt. Eine Skala dient dem Quantifizieren eines Merkmals oder einfacher gesagt, dem Messen einer Eigenschaft.


Exkurs Messen:

Beim „Messen“ vergleichen wir also ein zu bestimmendes Merkmal mit einer zuvor festgelegten Skala. Beispielsweise messen wir die Länge von einem Stift, indem wir sie mit der festgelegten Skala auf einem Lineal vergleichen. Wir legen das Ende des Stiftes an den 0-Punkt des Lineals (Ankerpunkt) und vergleichen Skala und Spitze des Stiftes. Die Länge des Stiftes entspricht dann beispielsweise 124 kleinen Einheiten auf dem Lineal und wir sagen: Der Stift ist 124 mm oder 12,4 cm lang. Ebenso könnte als Einheiten „Inch“ gewählt werden oder „Pauls Daumen“ oder des 100sten Teil von „Aydas Unterarm“. Einheiten sind nicht per natürlicher Vorgabe vorhanden, sondern müssen festgelegt werden. Dafür wird eine Referenzgröße (beispielsweise Aydas Unterarm) benötigt und eine Anzahl von Einheiten, in die die Referenzgröße unterteilt wird (beispielsweise 100). Ältere Einheitssysteme vor allem für Längen basieren meist auf körpereigenen Referenzgrößen (beispielsweise Fuß oder Elle des Herrschers). Ab Ende des 19. Jahrhunderts wuchsen die Bemühungen, ein international einheitliches System von Einheiten zu schaffen, dass sich mehr an Referenzgrößen der Natur orientiert.

      • Der Meter ist ursprünglich definiert als der 10-millionste Teil der Entfernung vom Nordpol über Paris zum Äquator.
      • Das Gramm ist ursprünglich definiert als der 1000ste Teil der Masse eines Liters Wasser.
      • Die Sekunde ist ursprünglich definiert als der 24 x 60 x 60-ste Teil der Länge eines Tages. (Diese Definition stammt schon aus dem 16. Jahrhundert.)

Heutige Definitionen: Mit wachsenden Möglichkeiten und Notwendigkeiten der Wissenschaft, immer genauer zu messen, stellten sich diese ursprünglichen Definitionen als zu unsicherheitsbehaftet heraus. (Beispielsweise ist das Volumen von Wasser abhängig von seiner Reinheit und Temperatur und dem Umgebungsdruck.) Aus diesem Grund wurden in einer internationalen Konvention neue Definitionen der Einheiten festgelegt.


Für die Festlegung einer Temperaturskala wird ebenfalls eine Referenzgröße benötigt. Die wird in diesem Fall aufgespannt von zwei Referenzpunkten. Zwischen den beiden Punkten wird in 100 Einheitsschritte unterteilt.

Celsius und Linné schlugen als Referenzpunkte den Gefrier- und den Siedepunkt (beim Normaldruck) von Wasser vor. Den Gefrierpunkt legte Linné auf ihrer Skala als 0 fest, wodurch der Siedepunkt durch die Unterteilung in 100 Einheitsschritte den Wert 100 erhielt. Die Einheit wurde zu Ehren von Celsius mit oC (Grad Celsius) benannt. So entstand die heute von uns verwendete Celsius-Skala.

Zu einer anderen Unterteilung gelangte Fahrenheit, da er als oberen Referenzpunkt die menschliche Körpertemperatur verwendete und als unteren Referenzpunkt die kälteste Mischung heranzog, die er herstellen konnte. Auf diese Weise wollte er mit der Fahrenheit-Skala negative Temperaturen vermeiden. Die Forschungen zur Thermodynamik brachten im 19. Jahrhundert allerdings die Erkenntnis mit sich, dass es noch deutlich tiefere Temperaturen geben müsste. William Thompson (später Lord Kelvin) schlug daher eine Skala vor, deren 0 auf die tiefst mögliche Temperatur (absoluter Temperaturnullpunkt) festgelegt würde. Die Skalierung der Celsius-Skala behielt diese neue Kelvin-Skala bei. Die drei Skalen sind in den folgenden Abbildungen zum Vergleich dargestellt.

A.1.4 Der absolute Temperaturnullpunkt:

Was verbirgt sich nun hinter dem Begriff des „absoluten Temperaturnullpunktes“? Wir haben bisher festgehalten, dass die Teilchen eines Körpers sich umso mehr bewegen, je mehr Energie zugeführt wird. Das Umgekehrte ist dann ebenso denkbar: Wenn ein Körper immer mehr Energie abgibt, bewegen sich seine Teilchen immer weniger. In dieser Richtung gibt es dann aber irgendwann ein Ende: Wenn alles zum Stillstand kommt. Weniger bewegen als gar nicht, geht nicht. Wenn die Temperatur also ein Maß für die mittlere Bewegung(senergie) der Teilchen ist, dann gibt es einen absoluten Nullpunkt der Temperatur und keine Temperatur, die darunter liegt. Hier betragen Bewegungsgeschwindigkeit und -energie ebenfalls null. Die Kelvinskala setzt hier ihren Nullpunkt (0K) an, auf der Celsius-Skala beträgt die Temperatur -273,13oC.

Eine kleine einschränkende Randbemerkung der Vollständigkeit halber: Der absolute Temperaturnullpunkt ist allerdings aus weiteren physikalischen Erwägungen heraus praktisch nicht erreichbar à 3. Hauptsatz der Thermodynamik.

Temperaturdifferenzen geben wir korrekterweise immer in K (Kelvin) an, da wir mit oC sonst immer eine konkrete Temperatur und keine Differenz assoziieren. Beispielsweise: Zwischen 100 oC und 80 oC liegen 20 K und nicht 20 oC (Assoziation Raumtemperatur).

A.1.5 Wir können Folgendes festhalten:

Die Temperatur

      • ist eine Zustandsgröße, sie ist darum nicht additiv (siehe Beispiel unten)
      • ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie von Teilchen eines Körpers
      • lässt sich mit Thermometern bestimmen, z.B. aufgrund der thermischen Ausdehnung von Körpern

Beispiel für Temperatur als eine nicht-additive Zustandsgröße:

Lena mischt ein Becher Wasser von 50oC mit einem zweiten der gleichen Temperatur. Wie warm ist das gemischte Wasser nun?

Auch wenn 100oC eine uns vertraute Temperatur ist, in diesem Fall wäre diese Antwort natürlich nicht korrekt. Und sie würde dem Energieerhaltungssatz widersprechen, denn sonst könnten wir allein durch Umschütten Wasser zum Kochen bringen. Die Temperatur, der thermische Zustand der Flüssigkeit(en), ändert sich natürlich durch das Zusammenführen nicht, die Temperatur des zusammengeschütteten Wasser beträgt ebenfalls 50oC. Die Temperatur ist also unabhängig von der Größe des Körpers (nicht-additiv). Genauso lässt sich das Wasser wieder auf beide Becher aufteilen. Werden die Wärmeverluste an die Umgebung außen vorgelassen, ergeben sich auch hier wieder zwei Becher Wasser mit einer Temperatur von 50oC.

Sind die Ausgangstemperaturen unterschiedlich, stellt sich bei vollständiger Vermischung eine Mischtemperatur ein. Beispielsweise ergibt sich bei gleichen Mengen Wasser von 20oC und 80oC eine Mischtemperatur von 50oC. Wird die doppelte Menge des 80oC warmen Wassers genommen, ergibt sich eine Mischtemperatur von 60oC.


A.2 Wärme

Wärme ist eine Energieform, die ein Körper aufnehmen oder abgeben kann. Wenn ein Körper Wärme aufnimmt oder abgibt, ändert sich dadurch sein Zustand (Temperatur und / oder Aggregatzustand, siehe Kapitel Latente Wärme und Wärmekapazität beim Themengebiet Wasser & Klima).

A.2.1 Energieformen und Energieumwandlung

Energie kann verschiedene Formen annehmen. Wir unterscheiden in der Physik vier verschiedene grundlegende Formen von Energie, die sich noch in weitere Unterkategorien unterteilen lassen:

      • mechanische Energie
      • elektrische Energie
      • innere Energie
      • Strahlungsenergie

In der folgenden Abbildung sind jeweils Beispiele zu den Energieformen genannt.


Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Beispielsweise wird elektrische Energie in einem Fön in Bewegungsenergie (Ventilator) und thermische Energie (Heizelement) umgewandelt. Eine LED wandelt sehr effizient elektrische Energie in Licht als Strahlungsenergie um. Ein herunterfallender Ball wandelt potentielle Energie (am Punkt, an dem er losgelassen wird) in Bewegungsenergie um, bis er am Boden aufprallt und bei der Verformung die Bewegungsenergie in Spannenergie umwandelt. Eine Batterie wandelt chemische Energie in elektrische Energie um.

Für den Themenbereich der Wärme sind zwei Kategorien relevant, die wir in Abschnitt C noch näher betrachten werden: Die thermische Energie als Unterkategorie der inneren Energie und die Strahlungsenergie in Form von Wärmestrahlung. Mit der thermischen Energie ist die Bewegungsenergie der Teilchen im inneren eines Körpers gemeint, die wir in Abschnitt A.1 diskutiert haben. Jeder Körper gibt außerdem Wärmestrahlung ab, die ebenfalls charakteristisch für seinen thermischen Zustand / seine Temperatur ist. Auf dieser Grundlage funktionieren Infrarot-Thermometer, die diese Strahlung messen und in die Temperatur des aussendenden Körpers „umrechnen“. Auch auf unsere Erde kommt die lebenswichtige Wärme in Form von Strahlung: von der Sonne.


A.2.2 Energieenthaltung und Energieentwertung

Ein wichtiger Grundsatz ist hierbei, dass Energie innerhalb eines Systems stets erhalten bleibt (1. Hauptsatz der Thermodynamik). Das bedeutet, Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Eine LED wandelt beispielsweise elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von 30-40% in Lichtenergie um. Der Rest geht allerdings nicht verloren, sondern wird in Wärme umgewandelt. (Das klingt extrem ineffizient, ist aber noch deutlich effektiver als andere Lichtquellen. Der Wirkungsgrad einer Halogenlampe liegt bei 10%, der einer herkömmlichen Glühlampe bei gerade mal 5%.)

Wir reden im Alltag häufig über „Energieverluste“ oder „Wärmeverluste“. Beides ist aber physikalisch nicht korrekt (siehe auch im Kapitel Wasser & Klima), denn die Energie ist ja nicht „verloren“, sondern weiterhin vorhanden. Sie wurde allerdings nicht in die gewünschte Energieform der Lichtstrahlung, sondern in Wärme umgewandelt.

Wärme ist allgemein eine Energieform, mit der aus technischer Sicht „nicht viel anzufangen ist“, die also weniger wertig ist. Hochwertig ist beispielsweise Energie in Form von elektrischer Energie. Hiermit lassen sich eine Menge unterschiedlicher Geräte betreiben. Auch Bewegungsenergie beispielsweise von Wind oder Wasser kann technisch sinnvoll genutzt werden. Nun handelt es sich ja bei Wärme streng genommen ebenfalls um eine Bewegungsenergie. Der Unterschied besteht allerdings darin, dass die Bewegungsenergie beispielsweise eines Flusses gleichsam gerichtet ist. Eine Turbine kann in den Fluss gehalten und diese gerichtete Bewegung genutzt werden, um ein Wasserkraftwerk zu betreiben. Die thermische Bewegung der Teilchen innerhalb eines Körpers ist dagegen zwar sehr schnell (s.o.), aber dafür überhaupt nicht gerichtet, sondern vollkommen ungeordnet. Hiermit lässt sich kein Rad antreiben. Die Energie, die eine Glühlampe in Wärme umwandelt, wird daher auch oft als „entwertet“ bezeichnet. Energie geht also nicht verloren und wird nicht verbraucht, aber kann entwertet werden. Das bedeutet, sie wird in eine Form umgewandelt, die weniger gut zu nutzen ist.


Wichtige Grundaussagen zu Energie:

      • Energie kann in unterschiedlichen Formen vorkommen
      • Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden.
      • Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden, sie geht nicht verloren.
      • Energie kann „entwertet“ werden, wenn sie in Wärme umgewandelt wird. Dies bedeutet, dass die Energieform weniger hochwertig / flexibel verwendbar ist als andere Energieformen.

Drei Hauptsätze der Thermodynamik:

      1. Energie geht nicht verloren, sondern wird in andere Formen umgewandelt.
      2. Energie fließt immer vom wärmeren zum kälteren Gegenstand.
      3. Der absolute Temperaturnullpunkt ist nicht erreichbar.

A.2.3 Wärme als Prozessgröße

Wird Wärme aufgenommen oder abgegeben, ändert sich der Zustand eines Körpers. Daher wird Wärme als eine Prozessgröße bezeichnet, weil sie diesen Veränderungsprozess antreibt. Wärme geht dabei von sich aus immer von einem Körper mit höherer Temperatur auf einen Körper mit niedrigerer Temperatur über (2. Hauptsatz der Thermodynamik). Das Umgekehrte beobachten wir in der Natur nicht. Etwas Kälteres kühlt sich nicht noch mehr ab, damit etwas Wärmeres noch wärmer wird, aber etwas Warmes gibt Wärme ab, erwärmt damit das Kältere und kühlt sich dabei auch selbst entsprechend ab.

A.3 Unterschied zwischen Temperatur und Energie

Die Wärme bezieht sich auf den Weg, also auf den Prozess, zum Beispiel zum Temperaturausgleich und –angleich. Die Temperatur bezieht sich dagegen auf das Ziel / den Endzustand.


­Schauen wir uns dazu ein Beispiel an. Tom füllt in zwei Gefäße jeweils gleich viel Wasser und Glyzerin. Zu Beginn betragen die Temperaturen der beiden Flüssigkeiten 20 oC. Der Ausgangszustand der Temperatur ist also der gleiche. Nach fünf Minuten hat das Glyzerin eine Temperatur von 80 oC erreicht und das Wasser 65 oC. Nach weiteren drei Minuten Wärmezufuhr beträgt auch die Temperatur des Wassers 80 oC. Beschreiben Sie den Unterschied anhand von Temperatur und Wärme.

Nach 5 Minuten ist die gleiche Menge an Wärme beiden Flüssigkeiten zugeführt worden. Dies schlägt sich aber in einem unterschiedlichen Anstieg der Temperatur nieder. Für den gleichen Temperaturanstieg muss Wasser eine größere Menge an Wärme (weitere 3 Minuten heizen) zugeführt werden. Wir betrachten das im folgenden Kapitel genauer.