ist:Die innere Energie
Im Abschnitt über Aggregatzustände sind wir bereits kurz auf die thermische Bewegung eingegangen: Gasmoleküle bewegen sich nach allen Richtungen frei und ungeordnet durch den ihnen zur Verfügung stehenden Raum. Die Moleküle der festen Stoffe schwingen um ihre Gleichgewichtslagen im Kristallverbund. Im Inneren dieser Körpern ist daher durch die ungeordnete Bewegung der Moleküle mechanische Energie vorhanden.
| Die Energie, die sich aus der kinetischen und der potentiellen Energie der ungeordneten Molekülbewegung zusammensetzt, bezeichnen wir als thermische Energie. |
Da die thermische Bewegung völlig regellos ist, liefern die einzelnen Moleküle eines Gases unterschiedliche Beiträge zur thermischen Energie. Hinzu kommt, dass die Atome mehratomiger Gase zusätzlich umeinander rotieren und gegeneinander schwingen können. Auch in dieser Bewegung steckt thermische Energie. In Festkörpern schließlich ist die thermische Energie lediglich Schwingungsenergie, die sich aus potentieller und kinetischer Energie zusammensetzt.
Eine genauere Betrachtung zeigt, dass die absolute Temperatur
T proportional zu dem über alle Moleküle
des Körpers gebildeten Mittelwert der thermischen Energie ist:
Hierin bezeichnet k die sogenannte Boltzmann'sche Konstante
Der Proportionalitätsfaktor f ist
eine ganze Zahl und hängt von der molekularen Struktur ab. Man sieht aus
dieser Beziehung, dass T immer positiv ist. Je höher
die Temperatur des Körpers, desto heftiger also ist die Molekülbewegung
in seinem Inneren und desto höher die in ihm "gespeicherte" thermische
Energie. Am absoluten Nullpunkt der Temperatur (T
= 0) erstarrt sämtliche thermische Bewegung (
= 0).
Neben der thermischen Energie besitzen die Moleküle zusätzlich chemische und nukleare Energie, die natürlich auch zur Gesamtenergie beiträgt. Jedoch sind diese für thermodynamische Prozesse nur selten von Bedeutung.
| Die innere Energie U eines Körpers ist die gesamte in seinem Inneren gespeicherte Energie. Sie ist die Summe aus der thermischen Energie sowie der chemischen und der nuklearen Energie seiner Moleküle. |
Auch der Austausch von Wärme läßt sich im mikroskopischen Bild verstehen: Bringen wir zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in thermischen Kontakt, so stoßen an der Kontaktfläche die höherenergetischen Atome des heißen Körpers mit denen des kälteren, die eine niedrigere kinetische Energie haben. Sie geben dadurch einen Teil ihrer Energie an diese ab. Daher erwärmt sich der kalte Körper und der heiße kühlt ab.