Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Thermodynamisches Gleichgewicht

Denken wir an ein einfaches konkretes Beispiel. In einem warmen Zimmer im Winter hört die Heizung auf zu funktionieren. Wenn die Fenster auf sind, gibt es Wärmestrahlung, Wärmeströmung und Wärmeleitung. Wärme wird nach draußen transportiert und das Zimmer wird ziemlich schnell kalt. Wenn wir die Fenster zu machen, dann gibt es viel weniger Wärmeströmung. Das Zimmer wird aber doch kälter, obwohl viel langsamer. Wenn wir dazu schwere Vorhänge vor den Fenstern zuziehen, dann gibt es viel weniger Wärmestrahlung nach draußen. Das Zimmer wird immer noch kälter, aber viel langsamer.

In allen drei Fällen wird das Zimmer irgendwann so kalt wie draußen sein. Dann gibt es keine Wärmeübertragung mehr. Alle Objekte innerhalb und außerhalb des Zimmers werden gleich kalt sein. Man spricht in diesem Fall von einem statischen Gleichgewicht. Was ist aber dann, wenn die Heizung wieder an geht?

In diesem Fall wird das Zimmer wieder wärmer. Wenn wir Fenster zu und Vorhänge zugezogen haben, dann wird es ziemlich warm. Die Temperatur wird immer höher, sie wird aber einen Punkt erreichen, wo sie nicht mehr höher wird. An diesem Punkt verliert das Zimmer so viel Wärme durch das Fenster, wie es durch die Heizung bekommt. Wenn die Vorhänge auf sind, dann wird die Temperatur nicht so hoch, da die Wärme durch das Fenster schneller verloren wird. Die Temperatur im Zimmer wird stabil sein, aber niedriger im Vergleich zu Situation mit zugezogenen Vorhängen. Noch geringer wird die Endtemperatur sein, wenn die Fenster auf sind.

In allen diesen drei Fällen gibt es am Ende eine mehr oder weniger feste Temperatur, die höher als die Temperatur draußen sein wird. Man spricht von einem "dynamischen Gleichgewicht". Allerdings wird die Endtemperatur größer sein, wenn das Zimmer langsamer Wärme verliert, also wenn es besser isoliert ist. Der Punkt, an dem das Gleichgewicht eintritt, hängt mit vielen Faktoren zusammen. Eine entscheidende Rolle spielt vor alle, wie schnell das Zimmer Wärme bekommt und verliert. Eines muss aber klar sein: Je wärmer ein Objekt (in diesem Fall das Zimmer) ist, desto schneller verliert es Wärme. Der Küchenherd gibt ja viel mehr Wärme auf, wenn er warm ist.