Wärmekapazität

Wärmekapazität bezeichnet die Fähigkeit eines Systems, Wärme zu speichern. Sie gibt an, wie viel Wärme Q nötig ist, um die Temperatur eines Systems um eine Temperaturänderung ΔT zu erhöhen. Formal wird die Wärmekapazität oft als C bezeichnet, und je nach betrachteter Größe oder Bedingung unterschieden. Die spezifische Wärmekapazität c (Einheit J/(kg K)) bzw. die molare Wärmekapazität C_m (J/(mol K)) geben an, wie viel Wärme pro Masse bzw. pro Mol benötigt wird. Die Gesamtkapazität eines Körpers wird mit C = Q/ΔT angegeben.

Bei Prozessen mit festen Umgebungsbedingungen unterscheiden sich die Werte je nach Druck oder Volumen: Cp ist die Wärmekapazität bei konstantem Druck, Cv bei konstantem Volumen. In vielen praktischen Anwendungen gilt Q = C ΔT; bei spezifischer Wärmekapazität Q = m c ΔT; bei molarer Q = n C_m ΔT. Für ideale Gase gilt Cp,m − Cv,m = R, wobei Cv,m = f/2 R (f: Freiheitsgrade) und Cp,m = Cv,m + R. Häufige Beispiele: Monatomare Gase Cv,m ≈ 3/2 R, Cp,m ≈ 5/2 R; bei vielen festen Stoffen ist c relativ konstant über moderate Temperaturen; Wasser besitzt eine besonders hohe spezifische Wärmekapazität (ca. 4,18 kJ/(kg K)).

Die Wärmekapazität ist temperaturabhängig; bei niedrigen Temperaturen dominiert die Quantennatur der Molekülschwingungen (Debye-Gesetz). Phasenwechsel (fest–flüssig, flüssig–gas) erfordern latente Wärme, wodurch die effektive Wärmekapazität stark ansteigen kann.

Messung und Anwendung: Kalorimetrie, Differentialscanning calorimetry; eine zentrale Größe in der Materialkunde, Thermodynamik, Wärmemanagement und Energietechnik.