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Spezifische Wärmekapazität c

Wie gut ein Stoff Wärme aufnehmen kann: c = 4,2 kJ/(kg·K) beim Wasser, der Vergleich mit sechs Stoffen und die Sonderrolle des Wassers in Natur und Technik.

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Einstieg — Warum der Topfgriff heiß ist, das Wasser aber noch nicht kocht

Gleiche Herdplatte, gleiche Zeit — und trotzdem werden Metall und Wasser völlig verschieden schnell warm.

Aus Unterkapitel 3.2.2 weißt du: Die übertragene Wärme hängt auch vom Stoff ab.

  • Neu:Dieser Stoffeinfluss bekommt jetzt eine Zahl.
  • Klima:Sie erklärt, warum Meere das Klima ihrer Küsten mildern.
  • Technik:Sie erklärt, warum Töpfe aus Stahl und nicht aus Aluminium gebaut werden.
  • Speicher:Und warum Wasser der beste Wärmespeicher ist, den wir haben.
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Erklärung — Die spezifische Wärmekapazität c

Eine Stoffeigenschaft, die angibt, wie gut ein Stoff Wärme aufnehmen kann.

Spezifische Wärmekapazität
c = Energie für 1 kg und 1 K Erwärmung
c

Spezifische Wärmekapazität — eine Stoffeigenschaft.

Einheit

kJkg · K — Kilojoule pro Kilogramm und pro Kelvin.

Bedeutung

Großes c heißt: Der Stoff nimmt viel Energie auf, ohne stark wärmer zu werden.

Ein Beispiel: das Wasser

Der Wert für Wasser
cW = 4,2 kJkg · K

4,2 kJ erwärmen 1 kg Wasser um 1 K, also um 1 °C.

Was dieser Wert im Alltag bedeutet:

  • Pro Kilogramm:4,2 kJ sind nötig, um 1 kg Wasser um 1 K (= 1 °C) zu erwärmen.
  • Pro Liter:1 kg Wasser ist genau 1 Liter — jedes Grad mehr kostet also 4,2 kJ.
  • Einheit lesen:Kilojoule pro Kilogramm und pro Kelvin — wie eine Gebrauchsanweisung.

Die Werte im Vergleich

Verglichen wird die Wärme, die 1 kg eines Stoffes bei 1 K aufnimmt oder abgibt.

Spezifische Wärmekapazitäten (Wärme für 1 kg und 1 K)
Stoffc in kJ/(kg·K)im Vergleich zu Wasser
Wasser4,1881
Helium3,22rund 3⁄4
Eichenholz2,39gut die Hälfte
Aluminium0,90rund 1⁄5
Stahl0,47rund 1⁄9
Kupfer0,39rund 1⁄11

Zwei Dinge fallen an der Tabelle sofort auf:

  • Spitzenwert:Wasser hat mit Abstand den höchsten Wert aller Alltagsstoffe.
  • Faktor elf:1 kg Wasser braucht rund elfmal so viel Energie wie 1 kg Kupfer.
  • Rückgabe:Beim Abkühlen gibt Wasser genauso viel Energie wieder ab.
  • Deshalb ist Wasser ein hervorragender Energiespeicher.
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Interaktiv — Sechs Stoffe im Vergleich

Zwei Fragen, dieselbe Tabelle. Ansicht 1: Wie viel Energie braucht jeder Stoff für dieselbe Erwärmung? Ansicht 2: Wie warm wird jeder Stoff, wenn alle dieselbe Energie bekommen?

Wärmekapazitäten vergleichen

In Ansicht 2 wird der Unterschied besonders anschaulich: Gibt man allen sechs Körpern dieselbe Energie, wird Kupfer über zehnmal so warm wie Wasser. Deshalb ist der Topfgriff längst heiß, während das Wasser darin noch lauwarm ist.

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Hinweise — Warum das im Alltag so wichtig ist

Die hohe Wärmekapazität des Wassers hat Folgen — in der Natur wie in der Technik.

  • Küstenklima:Meere erwärmen und kühlen langsam, daher sind die Jahreszeiten an der Küste milder.
  • Tag und Nacht:Über dem Meer fällt die Temperatur nachts kaum, über Sandwüsten dagegen dramatisch.
  • Heizung:Wasser transportiert und speichert die Energie, weil es pro Kilogramm besonders viel aufnimmt.
  • Kühlung:Autos und Kraftwerke kühlt man mit Wasser — es wird selbst kaum heiß.
  • Eigener Körper:Der Mensch besteht zu zwei Dritteln aus Wasser, das hält seine Temperatur stabil.

Zwei Materialentscheidungen erklärt.

  • Holzwand:Speichert viel und leitet schlecht — sie fühlt sich warm an und puffert Temperaturschwankungen ab.
  • Stahltöpfe:Speichern weniger als Aluminium, also landet mehr Energie im Wasser; Stahl ist zudem stabiler und induktionsgeeignet.
  • Pizzastein:Speichert viel Energie und gibt sie beim Backen langsam an den Teig ab.

Verwechslungsgefahr.

Hinweis

Wärmekapazität ist nicht Wärmeleitfähigkeit: Kupfer leitet hervorragend, speichert aber nur wenig.

Hinweis

Spezifisch heißt: pro Kilogramm — zwei Kilogramm brauchen doppelt so viel Energie wie eines.

Hinweis

Das c der Wärmekapazität ist nicht das c aus E = Δm · c² — dort meint c die Lichtgeschwindigkeit.

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