Thermische Energie

Thermische Energie (auch Wärmeenergie, jedoch nicht zu verwechseln mit Wärme) ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Sie ist eine extensive Größe und ist Teil der inneren Energie. Die thermische Energie wird im SI-Einheitensystem in Joule (Einheitenzeichen: J) gemessen. Auch ein Strahlungsfeld hat thermische Energie, wenn seine Energie ungeordnet auf die verschiedenen möglichen Wellenformen verteilt ist.

Eine Zufuhr von Wärme steigert die thermische Energie, eine Wärmeabfuhr verringert sie. Thermische Energie ist also kinetische und potentielle Energie, aber mit dem Merkmal der ungeordneten Verteilung auf die Bewegungen vieler Körper. In Festkörpern entspricht dies den Gitterschwingungen bzw. Phononen, in Flüssigkeiten den Schwingungen, Rotationen und eingeschränkten Bewegungen der Moleküle und in Gasen Schwingungen, Rotationen und freien Bewegungen. Diese Bewegungen existieren auch für Adsorbate auf Oberflächen, wo man von 2D-Gasen und 2D-Flüssigkeiten spricht. Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie können diese Bewegungen auf molekularer Skala auf Oberflächen sichtbargemacht werden, wobei deutlich wird, dass z. B. der Anteil der rotierenden Teilchen mit der Temperatur steigt.

Ist die kinetische Energie aller Moleküle eines Stoffes gleich null (genauer: am quantenphysikalisch möglichen Minimum), so ist seine Temperatur am absoluten Nullpunkt. Die Kelvin-Temperaturskala verwendet dies als Bezugspunkt.

Zusammenhang mit der Temperatur

Umgangssprachlich wird die thermische Energie etwas ungenau als „Wärme“ oder „Wärmeenergie“ bezeichnet oder auch mit der Temperatur verwechselt.

Tatsächlich ist die thermische Energie oft näherungsweise proportional zur Temperatur. Insbesondere ist die thermische Energie des idealen Gases $E_{\mathrm {th} }={\frac {f}{2}}\,N\,k_{\mathrm {B} }\,T$ mit der Boltzmann-Konstante $k_{\mathrm {B} }$, der Teilchenzahl $N$ und der Anzahl der Freiheitsgrade $f$. Die spezifische Wärmekapazität eines idealen Gases ist also konstant.

Im allgemeinen Fall ist sie aber eine Funktion der Temperatur $c=c(T)$, sodass die thermische Energie nicht in einfacher proportionaler Weise von der Temperatur abhängt $\Rightarrow E_{\mathrm {th} }\propto \!\!\!\!\!\!/\;\;T$.

Bei einem Phasenübergang kann sich sogar die thermische Energie eines Körpers ändern, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt. Ein Beispiel, das die Zusammenhänge zwischen Wärme und Temperatur verdeutlicht, ist ein Schmelzvorgang. Hat Eis eine Temperatur von 0 °C, muss, um es zu schmelzen, seine thermische Energie erhöht werden. Dazu muss Wärme zugeführt werden. Die Temperatur steigt während des Schmelzvorganges jedoch nicht an, da die gesamte zugeführte Wärme für den Phasenübergang vom Feststoff zur Flüssigkeit benötigt wird (Schmelzwärme).

Die manchmal so bezeichnete „Druckenergie“ ist nichts anderes als thermische Energie. Gasmoleküle, die in einem Gefäß eingeschlossen sind, stoßen wegen ihrer thermischen Bewegung gegen die Wände. Dadurch wird bei jedem Stoß Impuls übertragen, der als Druck gemessen werden kann.

Neutronenphysik

Eine andere Wortbedeutung hat thermische Energie im Zusammenhang mit freien Neutronen oder anderen Teilchen. In diesen Fällen ist diejenige kinetische Energie des Einzelteilchens gemeint, die der Temperatur des umgebenden Stoffes entspricht (siehe auch: Thermisch).