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Veröffentlicht: 8. März 2024
Mitwirkende: Tom Krantz, Alexandra Jonker

Was ist thermische Energie?

Thermische Energie bezieht sich auf die Energie in einem System, die durch die zufällige, also nicht vorhersagbare, Bewegung von Molekülen und Atomen erzeugt wird. Mit zunehmender Bewegung wird auch mehr Energie erzeugt. Diese Energie wird in Form von Wärme übertragen. 

Der Übergang von Wärmeenergie von einem System zu einem anderen ist die Grundlage für ein Teilgebiet der Physik, das als Thermodynamik bekannt ist. Dank der Entdeckungen auf dem Gebiet der Thermodynamik haben Wissenschaftler in allen Bereichen der Physik bahnbrechende Fortschritte gemacht. Heute tragen diese Erkenntnisse dazu bei, eine neue Ära von alternativen Energiequellen einzuläuten.

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Die Geschichte der thermischen Energie

Der Ursprung des Begriffs „thermische Energie“ (auch Wärmeenergie genannt) geht auf die Antike (ca. 500 v. Chr.) zurück. Ihre Entdeckung wird jedoch oft James Prescott Joule zugeschrieben, einem englischen Physiker, Mathematiker und Brauer aus dem 19. Jahrhundert.

Joule experimentierte mit mechanischer Energieumwandlung und stellte fest, dass eine Substanz immer wärmer wurde, je stärker er ihre Geschwindigkeit beeinflusste. Durch die Beobachtung von Temperaturveränderungen infolge von Reibung und chemischen Reaktionen entdeckte Joule, dass sich Energie in verschiedenen Formen manifestieren kann, z. B. als Wärme, und dass ein direkter Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Arbeit (Energie, die durch Anwendung von Kraft auf ein Objekt übertragen wird) besteht.

Joule und seine Erkenntnisse wurden während seiner gesamten Karriere mit Skepsis betrachtet. Und trotzdem messen wir heute die von einem System erzeugte Arbeit in Joule, einer Einheit für Energie im internationalen Einheitensystem (SI-Einheit). Die Entdeckungen von Joule ebneten den Weg für den Energieerhaltungssatz, der besagt, dass die Gesamtenergie eines isolierten Systems konstant bleibt. Diese Entdeckung führte zur Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik.

Was ist Thermodynamik?

Unter den vier physikalischen Wissenschaften ist Thermodynamik ein Bereich der Physik, der sich auf Wärme, Arbeit und Temperatur konzentriert und ihre Beziehung zu Energie, Entropie und physikalischen Eigenschaften wie Materie und Strahlung untersucht. Die zwischen diesen Elementen beobachteten Verhaltensweisen unterliegen vier Gesetzen:

Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Ursprünglich wurde der nullte Hauptsatz nicht als eigenständiges Gesetz der Thermodynamik betrachtet, da er in den anderen drei Gesetzen enthalten ist. Er konzentriert sich auf das thermische Gleichgewicht, d. h. wenn zwei nahe beieinander liegende Objekte die gleiche Temperatur erreichen und keine Wärmeenergie mehr austauschen (denken Sie an heißes Wasser und eine kalte Tasse, die beide Raumtemperatur erreichen). Das Gesetz besagt, dass sich zwei Systeme, die sich jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten befinden, auch untereinander im thermischen Gleichgewicht befinden. In vielerlei Hinsicht wirkt das nullte Gesetz wie eine transitive Eigenschaft.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, der als Formel dargestellt wird, ist ein Ausdruck des Energieerhaltungssatzes. Er besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört, sondern nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden kann. Daher ist die Wärme in einem System gleich der Wärme, die von einer Quelle stammt.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

In seiner einfachsten Form besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass Wärme spontan von wärmeren Bereichen zu kälteren Bereichen strömt. Aber er verbietet den umgekehrten Fall: Wärme kann nicht spontan aus kalten Bereichen in wärmere Bereiche strömen. Diese Unterscheidung ist von zentraler Bedeutung, denn sie begründet das Konzept der Entropie (den Grad der Unordnung oder Unsicherheit in einem System) als physikalische Eigenschaft. Die Entropie nimmt zu, bis sie ihren Höhepunkt im thermischen Gleichgewicht erreicht. 

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik

Obwohl dies als unmöglich gilt, besagt der dritte Hauptsatz der Thermodynamik, dass sich die Entropie des Systems einem Minimalwert nähert, wenn sich die Temperatur eines Systems dem absoluten Nullpunkt nähert. Das Konzept des absoluten Nullpunkts, bei dem alle Aktivitäten innerhalb eines Systems zum Stillstand kommen, gilt als unerreichbar, da Moleküle niemals völlig bewegungslos werden können. Man nimmt jedoch an, dass der Nullpunkt bzw. die niedrigste mögliche Temperatur bei -273,15 Grad Celsius (oder -459,67 Grad Fahrenheit) auf der Kelvin-Temperaturskala liegt.

Welche verschiedenen Energiearten gibt es?

Energie kann als kinetische oder potenzielle Energie kategorisiert werden. Die kinetische Energie wird durch die Bewegung eines Objekts gemessen und berücksichtigt Masse und Geschwindigkeit. Potenzielle Energie ist die Fähigkeit eines Objekts, sich zu bewegen. Diese Fähigkeit hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von seiner Position (schwebt das Objekt in der Luft oder liegt es auf dem Boden?), seinen Eigenschaften (aus welchem Material besteht das Objekt?) und seiner Beziehung zu anderen Objekten (könnte ein anderes Objekt eine Bewegung auslösen?). 

Stellen Sie sich einen Ball vor, der an einer Schnur hängt. Wenn der Ball herunterhängt, speichert er potenzielle Energie. Er ist nicht in Bewegung, könnte es aber sein, da die Schwerkraft als potenzielle Kraft auf ihn wirkt. Würde man die Schnur durchschneiden und der Ball herunterfallen, hätte er kinetische Energie, da es sich nun um ein bewegtes Objekt handelt. Hier sind einige bekannte Beispiele für potenzielle und kinetische Energie:

Potenzielle Energie
Chemisch

Energie, die in den Verbindungen von Atomen und Molekülen gespeichert ist.

Nuklear

Energie, die in einem Atom gespeichert ist und den Kern zusammenhält. 

Gravitation

Die in einem Objekt gespeicherte Energie, die von seiner Position in einem Gravitationsfeld abhängig ist.

Kinetische Energie
Elektrisch

Energie, die durch geladene Teilchen, sogenannte Elektronen, abgegeben wird.

Strahlend

Energie, die durch elektromagnetische Strahlung abgegeben wird.  

Thermisch

Energie, die durch Wärme oder die Bewegung von Atomen abgegeben wird.

Thermische Energie ist die gesamte kinetische Energie in einem System, die entweder als Schwingungs-, Rotations- oder Translationsenergie beobachtet wird. Es gibt jedoch auch eine „verborgene“ (oder besser gesagt mikroskopische) Energie, die in Form von interner Energie existiert, die alle Teilchen in einem System berücksichtigt und sowohl kinetische als auch potenzielle Energie einbezieht. 

Wie funktioniert die Übertragung von thermischer Energie? 

Thermische Energie kann auf drei Arten übertragen werden: durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Stellen Sie sich als Beispiel einen Topf mit kochendem Wasser auf einem Herd vor, um zu verstehen, wie das funktioniert.

  • Wärmeleitung ist die Energieströmung durch feste Materialien. Während die Flamme den Topf erwärmt, bewegt sich Energie durch das Objekt und erhöht die Oberflächentemperatur.  
  • Konvektion ist die Energieströmung durch flüssige Bewegungen. Wenn der Topf heißer wird, passt sich das Wasser an den Temperaturunterschied an. Heißes Wasser steigt nach oben, während kaltes Wasser nach unten gezogen wird, wodurch eine kreisförmige Strömung entsteht, die als Massenbewegung der Flüssigkeit bekannt ist.
  • Strahlung ist der Energiefluss durch Wellen. Die kinetische Energie der Flamme wird durch elektromagnetische Wellen übertragen und in Wärme umgewandelt, sobald sie einen Gegenstand berührt, in diesem Fall den Topf.

Die in diesem Beispiel verteilte Wärme durchläuft drei verschiedene Zustände: fest, flüssig und gasförmig. Thermische Energie kann Objekte in jeden Zustand versetzen und je nach zugeführter Wärmemenge sogar einen Phasenwechsel einleiten. Dies hängt von der latenten und der fühlbaren Wärme ab.  

Latente Wärme bezieht sich auf die Menge an Wärme oder Energie, die benötigt wird, um einen Phasenwechsel auszulösen (die Umwandlung von kochendem Wasser in Dampf). Spürbare Wärme bezieht sich auf die Energie, die benötigt wird, um die Temperatur einer Substanz zu erhöhen (die Flamme, die den Topf heißer macht). Jeder Gegenstand hat seine eigene spezifische Wärmekapazität. Das ist die Wärmemenge, die nötig ist, um die Temperatur um ein Grad Celsius zu erhöhen. Wasser hat eine hohe spezifische Wärmekapazität, d. h. es wird viel Energie benötigt, um die Temperatur zu erhöhen. Luft hingegen hat eine geringe spezifische Wärmekapazität, da Gase typischerweise eine geringere spezifische Wärmekapazität aufweisen. 

Unterscheidung zwischen thermischer Energie, Wärme und Temperatur

Thermische Energie wird oft synonym mit Wärme verwendet, obwohl es geringfügige Unterschiede gibt. Thermische Energie bezieht sich auf die Bewegung von Molekülen und Atomen innerhalb eines Systems. Wärme hingegen ist die Übertragung oder Strömung thermischer Energie von einem System zu einem anderen. Sowohl thermische Energie als auch Wärme werden in der Einheit Joule gemessen. 

Die Temperatur bezieht sich auf die durchschnittliche kinetische Energie, die in einem System erzeugt wird, und sie wird in Celsius, Fahrenheit, Kelvin oder Rankine gemessen. Es ist wichtig zu wissen, dass die Temperatur den Grad der „Hitze“ oder „Kälte“ eines Objekts zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasst, aber nicht seine Energie. Die Temperatur gibt beispielsweise keinen Aufschluss über die Wärmemenge, die ein System verlässt. 

Eine andere Sichtweise auf die Beziehung zwischen den drei Energiearten ist, dass thermische Energie die Gesamtenergiemenge in einem System ist, Wärme die Energieströmung von diesem System zu einem anderen und die Temperatur die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle.   

Thermische Energie als erneuerbare Energiequelle

In einer Zeit, in der die Bedenken im Zusammenhang mit dem Klimawandel zunehmen, wächst der Druck auf Unternehmen, ihre Geschäftstätigkeit auf einen Netto-Null-Betrieb umzustellen. Thermische Energie bietet Unternehmen die Möglichkeit, erneuerbare Energiequellen zu nutzen und sich von fossilen Brennstoffen zu lösen.

Einige Beispiele: 
Sonnenenergie

Solarenergie wird erzeugt, indem Sonnenstrahlen aufgefangen und gebündelt werden. Mithilfe von Reflektoren und Empfängern wird die Sonnenenergie verstärkt und auf ein Rohr gerichtet, das eine Wärmeübertragungsflüssigkeit enthält. Dieser Prozess setzt eine Wasserturbine in Gang, die Strom erzeugt.

Geothermische Energie

Geothermische Energie befindet sich in der Erdkruste und ist damit eine ergiebige Ressource. Sie wird gewonnen, indem man tief in Reservoirs bohrt, in denen möglicherweise heißes Wasser fließt. Das Wasser wird genutzt, um Turbinen anzutreiben, die Strom erzeugen.

Thermische Energie aus dem Ozean

Ein Meereswärmekraftwerk (Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC) nutzt das Temperaturgefälle im Ozean (an der Oberfläche wärmer, in der Tiefe kälter), um verwertbare Energie zu erzeugen, in der Regel in Form von Strom. OTEC ist angesichts des reichlich vorhandenen Ozeanwassers und seines hohen Kapazitätsfaktors eine praktikable Alternative.

Die Nutzung thermischer Energie als erneuerbare Energiequelle kann eine effektive Möglichkeit für Unternehmen sein, ihre Strategie zum Energiemanagement zu diversifizieren. Darüber hinaus kann es Unternehmen dabei helfen, weiteren Schaden vom Planeten abzuwenden, indem sie den Verbrauch reduzieren und die Energieeinsparung verbessern.

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