Wärmequellen, thermische Leistung, Verbrennungswärme

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 2). 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 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 $\mathrm{3,8}\cdot {10}^{26}\text{Joule}\text{.}$
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 $4\cdot {10}^{16}\text{Joule}\text{.}$

Wirkungsgrad von Wärmequellen

Die Effizienz von Wärmequellen kann durch ihren Wirkungsgrad charakterisiert werden. Der Wirkungsgrad einer Wärmequelle gibt an, welcher Anteil der ihr zugeführten Energie in Form von Wärme abgegeben wird. Er kann berechnet werden mit der Gleichung:
$\begin{array}{l}\eta =\frac{Q_{\text{ab}}}{E_{\text{zu}}}\\ Q_{\text{ab}}\text{abgegebene Wärme}\\ E_{\text{zu}}\text{zugeführte Energie}\end{array}$

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

Thermische Leistung von Wärmequellen

Die thermische Leistung gibt an, wie viel Wärme in jeder Sekunde von einer Wärmequelle abgegeben wird. Sie kann berechnet werden mit der Gleichung:
$\begin{array}{l}P=\frac{Q}{t}\\ Q\text{abgegebene Wärme}\\ t\text{Zeit der Wärmeabgabe}\end{array}$
Wie andere Leistungen wird auch die thermische Leistung in der Einheit Watt (1 W) gemessen, benannt nach dem schottischen Techniker JAMES WATT (1736-1819). Zumeist werden aber Vielfache dieser Einheit, wie Kilowatt (kW), Megawatt (MW) oder Gigawatt (GW), verwendet. In Bild 4 sind die thermischen Leistungen einiger Wärmequellen angegeben.

Verbrennungswärme

Zum Betrieb vieler Wärmequellen werden Brennstoffe wie Kohle, Holz, Erdgas oder Heizöl verbrannt. Auch beim Verbrennen von Benzin oder von Dieselkraftstoff in Motoren wird Wärme frei. Diese beim Verbrennen von Stoffen frei werdende Wärme wird als Verbrennungswärme bezeichnet.
Die Verbrennungswärme gibt an, wie viel Wärme abgegeben wird, wenn eine bestimmte Menge Brennstoff (Holz, Kohle, Benzin, ...) verbrannt wird.

Bei festen Brennstoffen, z. B. Kohle, gibt man die Masse in der Regel in Kilogramm an. Bei flüssigen Brennstoffen, z. B. bei Benzin oder Heizöl, ist die Volumeneinheit Liter die gebräuchliche Einheit. Die Menge eines Gases wird meist in Kubikmeter angegeben, wobei man diesen Wert auf den Normzustand (Druck von 101,325 kPa, Temperatur von 0 °C) bezieht.
Die Berechnung der Verbrennungswärme kann dann mit folgenden Gleichungen erfolgen:

$\begin{array}{l}Q=H\cdot m\text{oder}Q=H\text{'}\cdot V_n\\ H\text{Heizwert in MJ/kg}\\ m\text{Masse des Brennstoffs in Kilogramm}\\ H\text{'}{\text{Heizwert in MJ/l oder MJ/m}}^{\text{3}}\\ V_n\text{Volumen im Normzustand}\end{array}$

Der Heizwert von Brennstoffen

Der Heizwert von Brennstoffen ist sehr unterschiedlich. Er gibt an, wie viel Wärme frei wird, wenn ein Kilogramm oder 1 Liter oder 1 Kubikmeter eines Stoffes vollständig verbrannt werden.
Der Heizwert hängt nicht nur von dem jeweiligen Stoff ab, sondern auch von dessen Zusammensetzung und vom Wassergehalt. Da viele Brennstoffe Wasser enthalten, gibt man den Heizwert für den Stoff mit Wassergehalt an, so wie er in der Technik tatsächlich genutzt wird. Ein Teil der bei der Verbrennung frei werdenden Wärme ist dann dafür erforderlich, den Anteil an Wasser zu verdampfen. Dieser üblicherweise angegebene Heizwert wird auch als unterer Heizwert bezeichnet. Der Heizwert für einen Brennstoff ohne Wasseranteil heißt oberer Heizwert.
Das Holz einer Eiche hat einen anderen Heizwert als das Holz einer Buche. Trockenes Holz gibt beim Verbrennen mehr Wärme ab als feuchtes Holz. Der Heizwert von Benzin hängt von dessen Qualität ab. Deshalb ist es üblich, für eine Reihe von Brennstoffen keinen bestimmten Heizwert, sondern ein Intervall anzugeben. In Bild 2 sind die Heizwerte einiger Stoffe zusammengestellt.

Verbrennungswärme aus energetischer und ökologischer Sicht

In den Brennstoffen ist chemische Energie gespeichert. Beim Verbrennen erfolgt eine Umwandlung in thermische Energie, die in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
Ziel bei technischen Anordnungen ist es, einen möglichst großen Teil dieser Wärme zu nutzen, z. B. zum Beheizen einer Wohnung, zum Kochen oder zum Erwärmen von Wasser und der Erzeugung von Wasserdampf in Kraftwerken. Ein erheblicher Teil der frei werdenden Wärme wird aber nutzlos an die Umgebung abgegeben, bei Pkw-Motoren 70% bis 80%. Darüber hinaus wird beim Verbrennen von Stoffen Kohlenstoffdioxid und andere Gase freigesetzt, die das Klima beeinflussen. Ziel muss es sein, die Umweltbelastung beim Verbrennen von Stoffen so klein wie möglich zu halten. Darüber hinaus gehören fast alle Brennstoffe zu den nicht erneuerbaren Energieträgern. Deshalb ist es unbedingt notwendig, rationell und verantwortungsbewusst mit Brennstoffen umzugehen.