Spezifische Wärmekapazität

Die spezifische Wärmekapazität beschreibt, wie viel Energie benötigt wird, um ein Kilogramm eines Stoffs um ein Grad Celsius zu erwärmen. Erfahre, wie man sie berechnet und entdecke Beispiele mit Eis, Luft und Wasser. Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!

Inhaltsverzeichnis zum Thema Spezifische Wärmekapazität

Spezifische Wärmekapazität im Überblick

  • Die spezifische Wärmekapazität ist ein Begriff aus der Wärmelehre.
  • Die spezifische Wärmekapazität beschreibt die Energie, die notwendig ist, um ein Kilogramm eines Stoffs um genau ein Grad Celsius zu erwärmen, oder auch die Energie, die bei einer Abkühlung um ein Grad Celsius frei wird.

  • Ein Stoff mit einer höheren spezifischen Wärmekapazität nimmt mehr Wärmeenergie bei einer Erwärmung auf als ein Stoff mit einer geringeren spezifischen Wärmekapazität.
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Quelle sofatutor.com

Spezifische Wärmekapazität – Definition

Bei der spezifischen Wärmekapazität handelt es sich um eine Größe zur Beschreibung der Fähigkeit eines Stoffs, thermische Energie in Form von Wärme zu speichern. Die spezifische Wärmekapazität ist immer stoffbezogen. Sie beschreibt die Energie (Wärmemenge) Q, die notwendig ist, um ein Kilogramm eines Stoffs um genau ein Grad Celsius zu erwärmen. Genauso kann die abgegebene Energiemenge (Wärmemenge) Q bei der Abkühlung des Stoffs angegeben werden. Die spezifische Wärmekapazität hat das Formelzeichen c und wird in der Einheit Joule pro Kilogramm und Kelvin \left(\frac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}}\right) angegeben. Die spezifische Wärmekapazität wird auch als spezifische Wärme bezeichnet.

Spezifische Wärmekapazität berechnen

Zur Berechnung der spezifischen Wärmekapazität nutzen wir die Formel:

c = \dfrac{Q}{m \cdot \Delta T}

Dabei ist:

Q: zugeführte/entzogene Wärmemenge in \text{J}
m: Masse des Stoffs in \text{kg}
\Delta T: Temperaturänderung in \text{K}

Dabei lässt sich die Temperaturänderung berechnen mit:
\Delta T = T_2 - T_1

Spezifische Wärmekapazität von Eis, Luft und Wasser

Die folgende Tabelle zeigt die spezifische Wärmekapazität von Eis, Luft und Wasser.

Stoff Spezifische Wärmekapazität in \frac{J}{kg \cdot K}
Eis (0\,^\circ \text{C}) 2\,060
Eis (-10\,^\circ \text{C}) 2\,220
Luft (20\,^\circ \text{C}), trocken 1\,005
Luft (20\,^\circ \text{C}), 100\,\% Luftfeuchte 1\,030
Wasser (20\,^\circ \text{C}) 4\,190

Am Beispiel von Eis ist erkennbar, dass die Temperatur des Stoffs einen Einfluss auf die spezifische Wärmekapazität hat. Wir können also festhalten:

Die spezifische Wärmekapazität ist temperaturabhängig

Auch ist zu erkennen, dass Wasser eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität hat. Das bedeutet, Wasser nimmt viel Wärmeenergie auf oder gibt viel Wärmeenergie ab. Das wird an großen Gewässern deutlich. Sie brauchen im Frühling lange, um sich zu erwärmen, da sie viel Wärmeenergie aufnehmen. Im Herbst hingegen kühlen sie sich auch deutlich langsamer ab als die Umgebung, da sie viel gespeicherte Wärmeenergie besitzen, die nur langsam an die Umgebung abgegeben wird. 

Wasser hat nach Wasserstoff und Helium die höchste spezifische Wärmekapazität.  

Luft, die feuchter ist, also mehr Wasser enthält, hat aus diesem Grund auch eine höhere spezifische Wärmekapazität als trockenere Luft. Auch das ist an den Zahlen in der Tabelle erkennbar.

Spezifische Wärmekapazität – Berechnung am Beispiel von Wasser

Aufgabe: Eine Menge von 5 Litern Wasser soll von 20 Grad Celsius auf 70 Grad Celsius erwärmt werden. Wie viel Energie ist dafür nötig?

Gegeben:
m = 5\,\text{kg}
c = 4\,190\,\frac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}}
\Delta T = 50\,\text{K}

Temperaturunterschiede werden immer in Kelvin angegeben. Ein Temperaturunterschied von 50\,\text{K} entspricht dabei den 50\,^\circ \text{C}, die zwischen der Ausgangstemperatur und der Zieltemperatur liegen.

Gesucht:
Q

Lösung:

c = \dfrac{Q}{m \cdot \Delta T}

Formel nach der gesuchten Größe Q umstellen

Q = m \cdot c \cdot \Delta T

Gegebene Größen einsetzen und Gleichung lösen

Q = 5\,\text{kg} \cdot 4\,190\,\frac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}} \cdot 50\,\text{K}
Q = 1\,047\,500\,\text{J} = 1\,047,5\,\text{kJ}

Antwortsatz:
Um diese Menge Wasser von 20 Grad Celsius auf 70 Grad Celsius zu erwärmen, sind 1\,047,5\,\text{kJ} nötig.

Häufig gestellte Fragen zur Spezifischen Wärmekapazität

Die spezifische Wärmekapazität ist eine temperaturabhängige Stoffkonstante.

Sie beschreibt die Energie (Wärmemenge) Q, die notwendig ist, um ein Kilogramm eines Stoffs um genau ein Grad Celsius zu erwärmen, beziehungsweise die Energie (Wärmemenge) Q, die frei wird, wenn ein Kilogramm eines Stoffs um ein Grad Celsius abgekühlt wird.

Die spezifische Wärmekapazität wird in der Einheit Joule pro Kilogramm und Kelvin \left(\frac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}}\right) angegeben.

Eine hohe spezifische Wärmekapazität bedeutet, dass ein Stoff auf seine Masse bezogen sehr viel Wärmeenergie aufnehmen kann.

Ja, die spezifische Wärmekapazität hängt von der Temperatur eines Stoffs ab.

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