Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Thermodynamisches Gleichgewicht

Wenn das Kochherd sehr warm ist, dann spüren wir seine Wärme auch aus der Ferne. Wenn es aber kalt ist, dann spüren wir keine Wärme. Körper strahlen also desto mehr Wärmeenergie aus, je wärmer sie selbst sind. Diese Tatsache spielt beim sogenannten „thermodynamischen Gleichgewicht“ eine entscheidende Rolle.

Wenn Körper mehr Wärme aufnehmen als ausstrahlen, dann werden sie wärmer. Wenn sie mehr Wärme abgeben, dann werden sie kälter. Das thermodynamische Gleichgewicht entsteht, wenn ein Körper so viel Wärmeenergie ausstrahlt wie er aufnimmt. Dann wird die Temperatur des Körpers konstant bleiben.

Nehmen wir als Beispiel ein Zimmer im Winter, das geheizt wird. Wenn wir die Fenster weit offen lassen, dann wird es nicht viel wärmer. Das Zimmer verliert Wärme sowohl durch Wärmeströmung, als auch durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Wenn wir die Fenster nur gekippt halten, dann wird der Verlust durch Wärmeströmung viel weniger. Dann wird das Zimmer etwas wärmer. Noch weniger Verlust findet statt, wenn wir die Fenster ganz zu machen. Dann wird das Zimmer noch wärmer. Wenn das Zimmer aber wärmer wird, verliert es mehr Wärmeenergie durch Wärmestrahlung, wie beim Beispiel mit dem Kochherd. Wenn die Fenster zu sind, verliert zwar das Zimmer weniger Energie durch Wärmeströmung, mehr aber durch Wärmestrahlung, genau weil es wärmer wird. Bleibt erreicht das Zimmer ein neues thermodynamisches Gleichgewicht, allerdings bei einer höheren Temperatur. Die Temperatur in diesem Zustand ist zwar höher, sie bleibt aber stabil. Das Zimmer wird nicht mehr wärmer, außer wenn wir dicke Vorhänge vor den Fenstern zuziehen. Dann wird die Temperatur noch mehr steigen, denn der Verlust durch Wärmestrahlung wird am Anfang mit den undurchsichtigen Vorhängen zu niedriger sein. Die Temperatur wird aber wieder nicht ewig steigen. Ein neues thermodynamisches Gleichgewicht wird bei einer noch höheren Temperatur erreicht. Ein thermodynamisches Gleichgewicht entsteht also, wenn ein Körper so viel Wärmeenergie aufnimmt wie er ausstrahlt. In diesem Fall bleibt die Temperatur des Körpers stabil.