Wärmequellen

Damit ein Körper seine Temperatur verändert, muss ihm entweder Wärme zugeführt werden oder er muss Wärme abgeben. Wenn z. B. Wasser erhitzt werden soll, wird der Wassertopf auf den Elektroherd oder auf den Gasherd gestellt oder das Wasser wird mit einem Tauchsieder erwärmt. Dabei geht Wärme auf das Wasser über, seine Temperatur erhöht sich.

Technische Geräte oder natürliche Objekte, die Wärme an ihre Umgebung abgeben, nennt man Wärmequellen.

Voraussetzung dafür, dass ein Körper Wärme abgibt, ist ein Temperaturunterschied mit seiner Umgebung oder mit einem anderen Körper. Körper mit höherer Temperatur geben Wärme an ihre Umgebung bzw. an Körper mit niedrigerer Temperatur ab. Durch den Wärmeaustausch ändert sich die Temperatur beider Körper, wenn der Wärmequelle nicht ständig Energie zugeführt wird.

Energieumwandlungen bei Wärmequellen

Welche Energieumwandlungen sich bei einer Wärmequelle vollziehen, hängt von der jeweiligen Wärmequelle ab.
Wenn von einer Wärmequelle Energie in Form von Wärme abgegeben wird, dann verringert sich nach dem Energieerhaltungssatz die Energie der Wärmequelle. Das ist z. B. der Fall, wenn sich das Wasser eines Sees im Herbst allmählich abkühlt. Wärme wird vom Wasser an die umgebende Luft abgegeben. Die thermische Energie des Wassers verringert sich, seine Temperatur ebenfalls. Dieser Vorgang geht solange vor sich, bis sich die Temperaturen zwischen Wasser und Umgebung ausgeglichen haben.

Soll eine Wärmequelle kontinuierlich Wärme abgeben, wie das z. B. bei einem Heizkörper oder bei einer Heizplatte der Fall ist, so muss die abgegebene Energie ständig ersetzt werden, der Wärmequelle also ständig Energie zugeführt werden (Bild 3).
So wird z. B. der Heizspirale bei einem Elektroherd ständig elektrische Energie zugeführt; sie gibt dann kontinuierlich Wärme ab.
Bei einem Gasherd oder einem Gasboiler wird ständig Erdgas zugeführt und verbrannt. Die entstehende thermische Energie wird in Form von Wärme abgegeben.

Beispiele für Wärmequellen

Bei einem Gasherd, einer Ölheizung bzw. einem Kachelofen werden Gas, Öl bzw. Kohle verbrannt. Gas, Öl bzw. Kohle besitzen chemische Energie. Diese wird beim Verbrennen in thermische Energie umgewandelt, die in Form von Wärme abgegeben wird.

Bei einem Heizlüfter, einem Föhn oder einem Tauchsieder wird elektrische Energie zugeführt. Diese elektrische Energie wird zum größten Teil in thermische Energie umgewandelt, die wiederum in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

Auch Lebewesen, z. B. der Mensch und Tiere, sind Wärmequellen, da sie Wärme an ihre Umgebung abgeben. Bei ihnen wird die Energie in Form von Nahrung (chemische Energie) zugeführt. Im Körper kommt es zu Energie- und Stoffumwandlungen. Ein Teil der Energie wird zur Aufrechterhaltung der Lebensprozesse benötigt. Energie ist auch für die Fortbewegung erforderlich. Ein anderer Teil der Energie wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Beim Menschen sind das im Durchschnitt etwa 130 kJ in jeder Stunde, also etwa 3 000 kJ am Tag. Das ist etwa ein Viertel der Energie, die mit der Nahrung an einem Tag aufgenommen wird.

Die Sonne - unsere wichtigste Wärmequelle

Die wichtigste Wärmequelle für uns ist die Sonne. Licht und Wärme von der Sonne ermöglichen die Entstehung und Entwicklung von Leben auf der Erde. Auch die Entstehung solcher Energieträger wie Kohle und Erdöl ist letztendlich auf die Sonnenenergie zurückzuführen, die die Erde erreicht.

Quelle der Sonnenenergie ist die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium (Kernfusion) im Inneren der Sonne. Dabei wird Energie frei, die von der Sonnenoberfläche aus in den Weltraum abgestrahlt wird. In jeder Sekunde verschmelzen im Sonneninneren 567 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 562,8 Millionen Tonnen Helium. Die Sonne wird damit in jeder Sekunde um 4,2 Millionen Tonnen leichter. Diesem Massendefekt entspricht nach der von ALBERT EINSTEIN (1879-1955) entdeckten Beziehung zwischen Masse und Energie

$\begin{array}{l}E=m\cdot c^2\\ E\text{ Energie}\\ m\text{ Masse}\\ c\text{ Lichtgeschwindigkeit}\end{array}$

eine Energie von:

$\mathrm{3,8}\cdot {10}^{26}\text{ Joule}$

Etwa 38 % dieser Energie strahlt die Sonne als Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) ab. Auf die Erde trifft ein Teil dieser Strahlung. Es ist in jeder Sekunde eine Wärmestrahlung von etwa

$4\cdot {10}^{16}\text{ Joule}$

Der Wirkungsgrad von Wärmequellen

Allgemein gibt der Wirkungsgrad an, welcher Anteil der aufzuwendenden Energie in nutzbringende Energie umgewandelt wird. Für Wärmequellen gilt:

Der Wirkungsgrad einer Wärmequelle gibt an, welcher Anteil der ihr zugeführten Energie in Form von Wärme abgegeben wird.

Der Wirkungsgrad von Wärmequellen kann mit folgender Gleichung berechnet werden:

$\begin{array}{l}\eta =\frac{Q_{\text{ab}}}{E_{\text{zu}}}\\ Q_{\text{ab}}\text{ abgegebene Wärme}\\ E_{\text{zu}}\text{ zugeführte Energie}\end{array}$

Ein Wirkungsgrad von 0,7 oder 70 % bedeutet dann: 70 % der insgesamt der Wärmequelle zugeführten Energie wird in Form von Wärme abgegeben.