Arbeit und Wärme sind Prozessgrößen, die in der Thermodynamik den Prozess der Energiezufuhr oder -abfuhr eines Körpers beschreiben!
Energiezufuhr durch Arbeit und Wärme
Einem Stoff kann Energie in unterschiedlichen Formen zugeführt werden; zum Beispiel in Form von Wärmeenergie. Man stelle sich hierzu ein Gas vor, welches in einem Zylinder eingeschlossen ist und von außen durch eine Brennerflamme erwärmt wird. Dem Gas wird hierdurch Energie von Form von Wärme zugeführt (die Temperatur des Gases steigt).
Aber nicht nur auf einem solchen thermischem Wege, sondern auch auf mechanischem Wege kann einem Stoff Energie zugeführt werden. Dies ist insbesondere bei kompressiblen Stoffen wie Gasen der Fall, wenn diese unter Kraft- und damit unter Arbeitsaufwand komprimiert werden („Arbeit = Kraft x Weg“). Man stelle sich hierzu den oberen gasgefüllten Zylinder vor, der nun mit einem beweglichen Kolben verschlossen wird. Durch Einschieben des Kolbens kann das Gas komprimiert werden. Die dabei verrichtete Arbeit wird letztlich ebenfalls dem Gas zugeführt (der Druck des Gases steigt).
Energieabfuhr durch Arbeit und Wärme
Umgekehrt kann ein Stoff aber auch Energie in den unterschiedlichen Formen wieder abgeben. So wird das durch die Brennerflamme erwärmte Gas im oberen Beispiel auch wieder Wärmeenergie auf einen anderen Gegenstand übertragen können. Hierzu wird das Gas über die Zylinderwand in thermischen Kontakt mit einem Gegenstand gebracht (z.B. mit der Umgebungsluft außerhalb des Zylinders). Auf diese Weise erwärmt das heiße Gas die Umgebungsluft und überträgt somit Energie in Form von Wärme (die Temperatur des Gases).
Aber auch die Verrichtung von mechanischer Arbeit durch einen Stoff ist möglich. So steht das komprimierte Gas im oberen Beispiel durch den Verdichtungsvorgang unter relativ hohem Druck. Wird der Kolben senkrecht gestellt und ein Massestück darauf platziert, so hebt das Gas beim Ausschieben des Kolbens das Gewichtsstück an. Das Gas verrichtet auf diese Weise mechanische Arbeit.
Umwandlung von Wärme in Arbeit (Wärmekraftmaschinen)
Die zuvor zugeführte Energie in Form von (thermischer) Wärme oder (mechanischer) Arbeit kann ein Stoff also auch wieder abgeben. Dabei muss die zugeführte Energieform allerdings nicht notwendigerweise auch der abgeführten Energieform entsprechen, wie dies in den oben aufgeführten Beispielen der Fall war.
So bedingt die mit einer Wärmezufuhr verbundene Temperaturerhöhung des im Zylinder eingeschlossenen Gases eine entsprechende Druckerhöhung. Das unter hohem Druck stehende Gas kann dann den beweglichen Kolben unter Verrichtung von Arbeit wieder ausfahren. Wärmeenergie wird sozusagen in mechanische Arbeit umgewandelt.
Die nach einem solchen Prinzip arbeitenden Maschinen, die Wärmeenergie (teilweise) in mechanische Energie umwandeln, werden dann auch Wärmekraftmaschinen genannt. Verbrennungsmotoren in Autos oder Turbinen in Flugzeugen stellen typische Wärmekraftmaschinen dar.
Umwandlung von Arbeit in Wärme (Wärmepumpen)
Umgekehrt können Stoffe (insbesondere Gase) aber auch mechanische Arbeit wieder in Wärmeenergie umwandeln. Wird bspw. ein Gas komprimiert, so wird man durch die zugeführte Energie eine Zunahme der Bewegungsenergie der Teilchen und damit eine Temperaturerhöhung feststellen. Im Alltag zeigt sich dieses Phänomen bspw. beim Betätigen einer Luftpumpe. Neben der Druckerhöhung, erwärmt sich die enthaltene Luft durch den permanenten Kompressionsvorgang sehr stark.
Die Erwärmung hat prinzipiell nichts mit der Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand zu tun, sondern ist hauptsächlich auf die Energiezufuhr während des Kompressionsvorgangs zurückzuführen. Eine anschauliche Erklärung für die Zunahme des Drucks und der Temperatur ist im Artikel Warum erhöhen sich Druck und Temperatur bei der Kompression eines Gases? gegeben.
Kommt das erwärmte Gas nun in Kontakt mit dem Gehäuse, wird dieses dadurch erwärmt. Dies kann man mit der Hand deutlich fühlen. Energie in Form von Wärme wird also vom Gas auf das Gehäuse und auf die Umgebung übertragen. Die nach diesem Prinzip arbeitenden Maschinen, die mechanische Arbeit in Wärmeenergie umwandeln, nennt man auch Wärmepumpen. Wärmepumpen finden sich bspw. in Heizungssystemen wieder, aber auch in Kühlschränken (dort werden sie dann allerdings als Kältemaschinen bezeichnet).
Prozessgrößen
Die Größen Wärme und Arbeit beschreiben immer einen Prozess der Energiezufuhr oder Energieabfuhr eines Stoffes und werden deshalb auch als Prozessgrößen bezeichnet! Einem Stoff kann natürlich auch elektrische Energie zugeführt werden. Man denke bspw. an das Aufladen eines Akkus, wo die elektrische Energie chemische Prozesse in Gang setzt. Ein solcher elektrischer Energieumsatz wird in der Thermodynamik allerdings ebenfalls zur Arbeit gezählt.
Wärme und Arbeit sind Prozessgrößen, die einen Prozess der Energiezufuhr oder Energieabfuhr eines Stoffes beschreiben! Arbeit und Wärme können also niemals in einer Substanz enthalten sein, da diese Größen nur die Übertragung der Energie beschreiben, nicht die in der Substanz enthaltene Energie.
Auf der einen Seite kann einem Stoff also Energie in Form von Wärme und/oder Arbeit zugeführt und auf der anderen Seite wieder Energie in den unterschiedlichen Formen entzogen werden. Dabei drängt sich die Frage auf, wo und in welcher Form die Energie zwischen der Zu- und der Abfuhr der Energien verbleibt, wenn dem thermodynamischem Verständnis nach offensichtlich keine Wärme oder Arbeit in einem Stoff enthalten sein kann? Antwort auf diese Frage liefert der Artikel Innere Energie!
