Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, M-Niveau

Wärme und innere Energie - Physik

Einleitung

Warum werden Deine Hände warm, wenn Du sie aneinanderreibst? Weshalb kühlt Tee von selbst ab? Und warum bleibt die Temperatur von schmelzendem Eis zunächst gleich, obwohl ständig Energie zugeführt wird? Die Wärmelehre erklärt solche Beobachtungen mit den Begriffen Temperatur, Wärme und innere Energie.

In diesem aiMOOC lernst Du, diese Begriffe sicher zu unterscheiden. Du untersuchst außerdem, wie Energie durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung übertragen wird. Mit einfachen Formeln kannst Du berechnen, wie viel Energie zum Erwärmen oder für einen Phasenübergang benötigt wird.

Temperatur: Du beschreibst, wie warm oder kalt ein Körper ist.
Innere Energie: Du deutest Energie im Teilchenmodell.
Wärme: Du erkennst Wärme als Energieübertragung aufgrund eines Temperaturunterschieds.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Du stellst einfache Energiebilanzen auf.

Grundbegriffe

Temperatur

Die Temperatur beschreibt den thermischen Zustand eines Körpers. Im Teilchenmodell hängt sie mit der ungeordneten Bewegung der Teilchen zusammen: Je höher die Temperatur ist, desto größer ist im Mittel deren Bewegungsenergie. Die Temperatur eines einzelnen Teilchens ist dabei nicht gemeint; sie ist eine Eigenschaft sehr vieler Teilchen.

In der Schule wird häufig die Einheit Grad Celsius verwendet. In physikalischen Formeln ist auch die Einheit Kelvin wichtig. Eine Temperaturänderung von $1 K$ ist genauso groß wie eine Temperaturänderung von $1^{\circ} C$ .

Größe	Symbol	Typische Einheit	Bedeutung
Temperatur	$T$	$K$ oder $^{\circ} C$	thermischer Zustand
Wärme	$Q$	$J$	übertragene Energie
Innere Energie	$U$	$J$	Energie im Inneren eines Systems
Arbeit	$W$	$J$	Energieübertragung durch Kräfte

Teilchenmodell und innere Energie

Stoffe bestehen aus Teilchen. In Festkörpern schwingen sie um feste Plätze. In Flüssigkeiten bewegen sie sich gegeneinander, bleiben aber dicht beieinander. In Gasen bewegen sie sich weitgehend frei.

Die innere Energie $U$ ist die Summe der ungeordneten kinetischen und potenziellen Energien der Teilchen eines Systems. Zur inneren Energie gehören nicht die Bewegungsenergie des gesamten Körpers und nicht seine Lageenergie im Schwerefeld.

Ein größerer Körper kann bei gleicher Temperatur mehr innere Energie besitzen als ein kleinerer Körper aus demselben Stoff. Temperatur und innere Energie sind deshalb nicht dasselbe.

Wärme als Energieübertragung

Wärme ist Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds zwischen Systemen übertragen wird. Wärme ist daher keine Stoffmenge, die in einem Körper gespeichert ist. Gespeichert ist innere Energie.

Bringt man einen warmen und einen kalten Körper in Kontakt, wird im Mittel Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen. Der Vorgang endet im thermischen Gleichgewicht. Dann haben beide dieselbe Temperatur und der Nettowärmestrom ist null.

Änderung der inneren Energie

Energieübertragung durch Wärme und Arbeit

Die innere Energie kann auf zwei grundlegenden Wegen verändert werden: durch Wärmeübertragung und durch Arbeit. Beim Reiben Deiner Hände wird mechanische Arbeit in innere Energie umgewandelt. Beim Erwärmen eines Topfes auf einer Herdplatte wird Energie als Wärme übertragen.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik lautet bei der hier verwendeten Vorzeichenregel:

$Δ U = Q + W$

Dabei ist $Q$ positiv, wenn dem System Wärme zugeführt wird. $W$ ist positiv, wenn an dem System Arbeit verrichtet wird. Gibt das System Energie ab, ist der entsprechende Wert negativ.

James Prescott Joule zeigte mit Rührversuchen, dass mechanische Arbeit die Temperatur von Wasser erhöhen kann. Das war ein wichtiger Schritt zur Erkenntnis, dass Wärme und Arbeit zwei Arten der Energieübertragung sind.

Erwärmung ohne Phasenübergang

Wird ein Stoff erwärmt, ohne dass er seinen Aggregatzustand ändert, gilt näherungsweise:

$Q = m \cdot c \cdot Δ T$

$m$ ist die Masse, $c$ die spezifische Wärmekapazität und $Δ T$ die Temperaturänderung. Eine große spezifische Wärmekapazität bedeutet: Für dieselbe Masse und dieselbe Temperaturerhöhung wird viel Energie benötigt.

Beispiel: $0,50 k g$ Wasser werden um $20 K$ erwärmt. Mit $c = 4,18 \frac{k J}{k g \cdot K}$ ergibt sich:

$Q = 0,50 \cdot 4,18 \cdot 20 = 41,8 k J$

Im Alltag ist die tatsächlich benötigte Energie meist größer, weil auch Gefäß und Umgebung Energie aufnehmen.

Phasenübergänge

Beim Schmelzen, Verdampfen, Kondensieren oder Erstarren verändert sich die Anordnung der Teilchen. Während eines Phasenübergangs kann bei konstantem Druck Energie übertragen werden, ohne dass sich die Temperatur ändert. Dann verändert sich vor allem der potenzielle Anteil der inneren Energie.

Für einen Phasenübergang gilt:

$Q = m \cdot L$

$L$ ist die spezifische Schmelz- oder Verdampfungsenergie. Beim Verdampfen wird Energie aufgenommen, beim Kondensieren wird dieselbe Energiemenge wieder abgegeben.

Trockeneis geht direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Dieser Phasenübergang heißt Sublimation.

Wege der Wärmeübertragung

Überblick

Wärmeübertragung geschieht durch Wärmeleitung, Konvektion oder Wärmestrahlung. In vielen Alltagssituationen wirken mehrere Wege gleichzeitig.

Übertragungsart	Kennzeichen	Beispiel
Wärmeleitung	Energieübertragung durch Wechselwirkungen benachbarter Teilchen	Metalllöffel in heißem Tee
Konvektion	Energietransport mit strömender Flüssigkeit oder strömendem Gas	Luftbewegung über einem Heizkörper
Wärmestrahlung	Energieübertragung durch elektromagnetische Strahlung	Erwärmung durch die Sonne

Wärmeleitung

Bei der Wärmeleitung wird Energie innerhalb eines Stoffes oder zwischen sich berührenden Stoffen übertragen. Es findet kein großer Stofftransport statt. Metalle leiten Wärme meist gut. Holz, Luft und viele Kunststoffe leiten schlecht und werden deshalb häufig zur Dämmung verwendet.

Ein Metalllöffel in heißem Wasser wird am Griff warm, weil Energie entlang des Löffels weitergegeben wird. Ein Holzlöffel erwärmt sich am Griff deutlich langsamer.

Konvektion

Konvektion tritt in Flüssigkeiten und Gasen auf. Erwärmte Bereiche dehnen sich häufig aus, ihre Dichte nimmt ab und sie steigen auf. Kühlere Bereiche sinken ab. So können Strömungen entstehen.

Bei einem Föhn oder einer Heizung mit Pumpe wird die Strömung erzwungen. Bei Wasser im Topf kann sie durch Dichteunterschiede von selbst entstehen.

Wärmestrahlung

Jeder Körper sendet abhängig von seiner Temperatur elektromagnetische Strahlung aus. Für Wärmestrahlung ist kein Stoff als Träger nötig. Deshalb kann Energie von der Sonne durch den nahezu leeren Weltraum zur Erde gelangen.

Dunkle, matte Oberflächen absorbieren Wärmestrahlung meist stärker als helle, glänzende Oberflächen. Umgekehrt können dunkle, matte Oberflächen Wärmestrahlung meist auch gut aussenden.

Wärme im Alltag

Wärmedämmung

Eine gute Dämmung verringert den Energieaustausch mit der Umgebung. Dabei werden die drei Wege der Wärmeübertragung möglichst stark eingeschränkt. Luftpolster in Dämmstoffen bremsen Wärmeleitung und Konvektion. Glänzende Flächen können Wärmestrahlung reflektieren.

Bei einer Thermosflasche vermindert ein Zwischenraum mit sehr wenig Gas Wärmeleitung und Konvektion. Verspiegelte Flächen verringern zusätzlich den Energieaustausch durch Strahlung.

Mischen und Abkühlen

Werden zwei Wassermengen unterschiedlicher Temperatur gemischt, gibt die wärmere Menge Energie ab und die kältere nimmt Energie auf. In einem gut isolierten System gilt näherungsweise:

$Q_{a b} + Q_{a u f} = 0$

In der Wirklichkeit nehmen Gefäß und Umgebung oft ebenfalls Energie auf. Deshalb weichen Messwerte von idealen Rechnungen ab.

Häufige Verwechslungen

Temperatur und Wärme: Temperatur beschreibt einen Zustand, Wärme beschreibt eine Energieübertragung.
Wärme und innere Energie: Wärme wird übertragen, innere Energie gehört zum Zustand eines Systems.
Warmhalten: Eine Decke erzeugt keine Energie, sondern verlangsamt die Abgabe innerer Energie.
Kälte: Im physikalischen Sinn wird nicht Kälte übertragen; Energie wird vom wärmeren zum kälteren Bereich übertragen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt die innere Energie eines Körpers? (Die Summe mikroskopischer kinetischer und potenzieller Energien seiner Teilchen) (!Die Bewegungsenergie des gesamten Körpers) (!Nur die Temperatur des Körpers) (!Nur seine Lageenergie im Schwerefeld)

Was beschreibt die Temperatur im Teilchenmodell? (Die mittlere Bewegungsenergie der ungeordneten Teilchenbewegung) (!Die Gesamtmasse aller Teilchen) (!Die Anzahl der Teilchen) (!Die Lageenergie des gesamten Körpers)

Welche Einheit haben Wärme und innere Energie? (Joule) (!Kelvin) (!Grad Celsius) (!Watt)

In welche Richtung läuft eine spontane Wärmeübertragung? (Vom wärmeren zum kälteren Körper) (!Vom kälteren zum wärmeren Körper) (!Immer nach oben) (!Immer zum größeren Körper)

Was kennzeichnet Wärmeleitung? (Energieübertragung ohne großen Stofftransport) (!Energietransport nur im Vakuum) (!Energietransport nur durch Licht) (!Energietransport nur durch Pumpen)

Wo kann Konvektion auftreten? (In Flüssigkeiten und Gasen) (!Nur in festen Metallen) (!Nur im Vakuum) (!Nur in Lichtstrahlen)

Welche Form der Wärmeübertragung funktioniert auch im Vakuum? (Wärmestrahlung) (!Konvektion) (!Wärmeleitung) (!Stoffströmung)

Welche Formel gilt für die Erwärmung ohne Phasenübergang? (Q gleich m mal c mal Delta T) (!Q gleich m geteilt durch c) (!Q gleich T geteilt durch m) (!Q gleich c minus Delta T)

Was bedeutet W in der Formel Delta U gleich Q plus W? (Die am System verrichtete Arbeit) (!Die Temperatur des Systems) (!Die Masse des Systems) (!Die Wärmekapazität des Systems)

Was kann während eines Phasenübergangs trotz Energiezufuhr gleich bleiben? (Die Temperatur) (!Die innere Energie) (!Die Teilchenanordnung) (!Der Aggregatzustand)

Memory

Temperatur	thermischer Zustand
Innere Energie	mikroskopische Energiesumme
Wärme	Energieübertragung
Wärmeleitung	Teilchenwechselwirkung
Konvektion	Stoffströmung
Wärmestrahlung	elektromagnetische Übertragung
Kalorimeter	Wärmemessgerät

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Wärmeleitung	Metalllöffel im heißen Tee
Konvektion	aufsteigende warme Luft
Wärmestrahlung	Energie von der Sonne
Innere Energie	mikroskopische Energie eines Systems
Wärme	Übertragung wegen eines Temperaturunterschieds

Kreuzworträtsel

Thermometer	Welches Gerät misst die Temperatur?
Konvektion	Wie heißt Wärmeübertragung durch strömende Flüssigkeiten oder Gase?
Strahlung	Welche Wärmeübertragung funktioniert im Vakuum?
Kalorimeter	Wie heißt ein Gerät zur Untersuchung von Wärmemengen?
Teilchen	Woraus bestehen Stoffe im einfachen Modell?
Isolator	Wie heißt ein Stoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit?

LearningApps

Lückentext

Die

beschreibt den thermischen Zustand eines Körpers.

Die Summe der mikroskopischen Energien der Teilchen heißt

.

Energieübertragung aufgrund eines Temperaturunterschieds nennt man

.

Im thermischen Gleichgewicht gibt es keinen

.

Bei der hier verwendeten Vorzeichenregel gilt

Δ U = Q +

.

Die Formel für eine Erwärmung ohne Phasenübergang lautet

Q = m \cdot c \cdot

.

Energieübertragung in einem Stoff ohne großen Stofftransport heißt

.

Energietransport durch strömende Flüssigkeiten oder Gase heißt

.

Elektromagnetische Übertragung thermischer Energie heißt

.

Beim Schmelzen kann die Temperatur trotz Energiezufuhr zunächst

bleiben.

Offene Aufgaben

Leicht

Wärme im Alltag: Fotografiere drei Alltagssituationen, in denen Wärme übertragen wird, und ordne jeweils den wichtigsten Übertragungsweg zu.
Begriffsnetz: Gestalte ein Begriffsnetz mit Temperatur, Wärme, innerer Energie und Arbeit.
Teilchenmodell: Zeichne einen kalten und einen warmen Festkörper im Teilchenmodell und erkläre den Unterschied.
Thermometer: Miss an einem Tag zu drei Zeitpunkten die Raumtemperatur und stelle die Werte in einem Diagramm dar.

Standard

Wärmeleitungsexperiment: Vergleiche unter Aufsicht Metall, Holz und Kunststoff als Wärmeleiter und dokumentiere Aufbau, Beobachtung und Ergebnis.
Abkühlkurve: Miss die Temperatur von warmem Wasser in regelmäßigen Abständen und zeichne eine Temperatur-Zeit-Kurve.
Dämmstoffe: Baue zwei kleine Modellbehälter mit unterschiedlicher Dämmung und vergleiche ihre Abkühlung.
Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video, das Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung an Alltagsbeispielen erklärt.

Schwer

Energiebilanz: Plane einen Mischversuch mit warmem und kaltem Wasser und überprüfe, wie gut die berechnete Mischtemperatur mit dem Messwert übereinstimmt.
Spezifische Wärmekapazität: Bestimme mit Messdaten näherungsweise die spezifische Wärmekapazität eines unbekannten Körpers und diskutiere Fehlerquellen.
Gebäudedämmung: Untersuche an einem Modellhaus, wie Material, Wanddicke und Luftschichten den Energieverlust beeinflussen.
Wärmetechnik: Führe ein Interview mit einer Fachperson aus Heizungstechnik, Gebäudetechnik oder Energieberatung und werte die Aussagen physikalisch aus.

Lernkontrolle

Energiebilanz eines Fahrradreifens: Erkläre, warum eine Luftpumpe beim schnellen Pumpen warm werden kann, und nutze den ersten Hauptsatz.
Thermosflasche: Begründe, wie Aufbau und Material die drei Wege der Wärmeübertragung verringern.
Schmelzendes Eis: Erkläre im Teilchenmodell, warum die Temperatur beim Schmelzen trotz Energiezufuhr gleich bleiben kann.
Topf auf dem Herd: Ordne Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung den beobachtbaren Vorgängen zu und begründe Deine Zuordnung.
Abkühlkurve: Werte eine unbekannte Temperatur-Zeit-Kurve aus und entscheide, in welchem Bereich ein Phasenübergang stattgefunden haben könnte.
Messabweichung: Erkläre, warum bei einem Mischversuch die berechnete und gemessene Endtemperatur voneinander abweichen können.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Begriffe nicht nur kennst, sondern auf neue Situationen anwenden kannst.

Fachbegriffe: Temperatur, Wärme, innere Energie und Arbeit korrekt unterscheiden.
Teilchenmodell: Temperaturänderungen und Phasenübergänge auf Teilchenebene erklären.
Formeln: $Δ U = Q + W$ , $Q = m \cdot c \cdot Δ T$ und $Q = m \cdot L$ passend anwenden.
Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung erkennen und begründen.
Experiment: Messwerte übersichtlich dokumentieren, auswerten und Fehlerquellen benennen.
Transfer: Physikalische Zusammenhänge auf Wärmedämmung, Haushalt oder Technik übertragen.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Wärme und innere Energie - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.