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Spezifische-Wärmekapazitätseinheiten und Umrechnungen

Rechnen Sie zwischen Joule pro Kilogramm-Kelvin und Kalorie pro Gramm-Kelvin um und erfahren Sie mehr über die Erwärmungskapazität von Materialien.

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Kurz erklärt: spezifische-wärmekapazitätseinheiten und umrechnungen

Spezifische Wärmekapazität ist die physikalische Größe, die die Energiemenge angibt, die nötig ist, um die Temperatur einer Masseeinheit eines Stoffes um 1 Grad zu erhöhen. Sie spielt eine wichtige Rolle, von der ausgleichenden Wirkung von Wasser auf das Klima bis zu Materialerwärmungsberechnungen.

Im Internationalen Einheitensystem ist die abgeleitete Einheit der spezifischen Wärmekapazität Joule pro Kilogramm-Kelvin (J/(kg·K)); in Ernährung und Chemie ist Kalorie pro Gramm-Kelvin (cal/(g·K)), in der US-amerikanischen Technik BTU pro Pfund-Fahrenheit (Btu/(lb·°F)) gebräuchlich.

Physikalische Größe
Spezifische Wärmekapazität
Dimensionssymbol
[L²T⁻²Θ⁻¹]
Abgeleitete SI-Einheit
Joule pro Kilogramm-Kelvin
SI-Einheitensymbol
J/(kg·K)
Spezifische Wärmekapazität von Wasser
4184 J/(kg·K) (1 cal/(g·K))

Was ist spezifische Wärmekapazität?

Spezifische Wärmekapazität (c) gibt an, welche Energiemenge nötig ist, um 1 Kilogramm eines Stoffes um 1 Kelvin (beziehungsweise 1 °C) zu erwärmen. Die Formel lautet q = m × c × ΔT, wobei q die Wärmemenge, m die Masse, c die spezifische Wärmekapazität und ΔT die Temperaturänderung ist.

Spezifische Wärmekapazität ist eine stoffspezifische Eigenschaft -- bei gleicher zugeführter Energiemenge erwärmen sich Stoffe mit niedriger spezifischer Wärmekapazität (wie Metalle) schnell, während sich Stoffe mit hoher spezifischer Wärmekapazität (wie Wasser) deutlich langsamer erwärmen.

Die außergewöhnlich hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser

Die spezifische Wärmekapazität von Wasser (4184 J/(kg·K), also per Definition genau 1 cal/(g·K)) ist deutlich höher als bei den meisten gebräuchlichen Stoffen -- Eisen hat beispielsweise eine spezifische Wärmekapazität von etwa 450 J/(kg·K), das heißt, Wasser kann etwa 9-mal mehr Wärme speichern als Eisen.

Diese Eigenschaft ist die direkte Quelle der historischen Definition der Kalorie: 1 Kalorie war ursprünglich definiert als die Energiemenge, die nötig ist, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 °C zu erhöhen.

Wie beeinflusst die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser das Klima?

Ozeane und große Seen können dank ihrer hohen spezifischen Wärmekapazität große Wärmemengen speichern und langsam wieder abgeben; das ist der Hauptgrund, warum Küstenregionen ein milderes Klima haben als das Landesinnere (kühlere Sommer, mildere Winter).

Diese 'thermische Trägheit' erklärt auch, warum vom Meer entfernte Binnenregionen ein 'raueres' Klima haben (heißere Sommer, kältere Winter) -- die spezifische Wärmekapazität von Boden und Gestein ist deutlich niedriger als die von Wasser.

Unterschied zwischen spezifischer Wärmekapazität und Wärmekapazität

Spezifische Wärmekapazität ist eine pro Masseeinheit definierte Stoffeigenschaft, während Wärmekapazität die gesamte Wärmespeicherfähigkeit eines bestimmten Objekts (eines Körpers mit bestimmter Masse) angibt und mit der Formel Wärmekapazität = Masse × spezifische Wärmekapazität berechnet wird.

Ein kleines Glas Wasser und ein großer Wassertank besitzen beispielsweise dieselbe spezifische Wärmekapazität (da es sich um denselben Stoff handelt), doch da der Tank eine viel größere Masse hat, besitzt er eine deutlich höhere Gesamtwärmekapazität.

Die Rolle der spezifischen Wärmekapazität bei der Materialwahl

Bei Wärmespeichersystemen (etwa solaren Warmwasserbereitern oder thermischen Energiespeichertanks) werden Materialien mit hoher spezifischer Wärmekapazität bevorzugt, da sie bei gleichem Volumen mehr Energie speichern können.

Umgekehrt werden bei Anwendungen, die schnelles Erwärmen oder Abkühlen erfordern (manche Kochgeschirre, Wärmetauscher), Materialien mit niedriger spezifischer Wärmekapazität (Metalle wie Kupfer oder Aluminium) bevorzugt.

Wie wird spezifische Wärmekapazität gemessen?

Spezifische Wärmekapazität wird mit Geräten namens Kalorimeter bestimmt, die den Wärmeaustausch eines Stoffes präzise messen; eine Menge eines Stoffes bekannter Masse wird erwärmt oder abgekühlt, und aus der zugeführten beziehungsweise abgegebenen Energie und der gemessenen Temperaturänderung wird die spezifische Wärmekapazität berechnet.

Die in der Lebensmittel- und Materialforschung gebräuchliche dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) ist eine moderne Technik, mit der sich die spezifische Wärmekapazität über einen weiten Temperaturbereich präzise messen lässt.

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EinheitSymbolLeitfaden
Joule pro Kilogramm-KelvinJ/kg·KÖffnen
Kalorie pro Gramm-Kelvincal/g·KÖffnen
Kilojoule pro Kilogramm-KelvinkJ/kg·KÖffnen
BTU pro Pfund-FahrenheitBtu/lb·°FÖffnen

Quellen

  1. BIPM: The International System of Units (SI Brochure)
  2. NIST: Guide for the Use of the International System of Units

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