Joulesche Wärme

Jeder stromdurchflossene Widerstand wird warm: vom Toaster über die Herdplatte bis zur unerwünscht warmen Zuleitung. Diese joulesche Wärme ist die in Wärme umgewandelte elektrische Energie. Das Experiment macht die Umwandlung quantitativ: Eine Heizwendel gibt eine berechenbare elektrische Energie an Wasser ab, und die Temperaturerhöhung des Wassers verrät, wie viel davon als Wärme ankommt.

Dieser Versuch verbindet zwei Kapitel der Physik zu einem Kreis: Die elektrische Energie ($E = U I t$) aus der Elektrizitätslehre und die Wärme ($Q = c m \Delta T$) aus der Wärmelehre messen dieselbe Größe auf zwei Wegen. Stimmen beide Rechnungen überein, ist das ein starker experimenteller Beleg für die Energieerhaltung, und nebenbei das Funktionsprinzip von Wasserkocher, Boiler und Tauchsieder.

James Prescott Joule zeigte in den 1840er Jahren mit Versuchen genau dieses Typs, dass Wärme eine Energieform ist und mechanische wie elektrische Energie in sie umgewandelt werden: eine tragende Säule des Energieerhaltungssatzes. Die SI-Einheit der Energie trägt seinen Namen.

Erwärme $100\ \mathrm{g}$ Wasser fünf Minuten lang mit einer Heizwendel bei $6\ \mathrm{V}$. Berechne die elektrisch zugeführte Energie und die vom Wasser aufgenommene Wärme, und vergleiche beide.

Die Bilanzidee: Dieselbe Energiemenge wird auf zwei unabhängigen Wegen bestimmt. Elektrisch zählen die Messgeräte, was die Quelle liefert; thermisch zählt das Thermometer, was im Wasser ankommt. Wenn Energie erhalten bleibt und (fast) nichts am Wasser vorbeigeht, müssen beide Zahlen (fast) übereinstimmen.

Vorhersage der Erwärmung: Mit $U = 6\ \mathrm{V}$, erwartetem $I = 2\ \mathrm{A}$ und $t = 300\ \mathrm{s}$ werden $E = 3600\ \mathrm{J}$ zugeführt. Kommt alles im Wasser an, steigt dessen Temperatur um

Real wird etwas weniger erwartet: Ein Teil der Wärme heizt Gefäß, Wendel und Raumluft.

Vollständiger Aufbau mit Kalorimeter. Die Wassermasse vorher wiegen (100 g); das Thermometer darf die Wendel nicht berühren, sonst misst es die Wendel- statt der Wassertemperatur.

Schnittzeichnung: Kalorimetergefäß mit Wasser, eingetauchte Heizwendel, Thermometer (mit Abstand zur Wendel), außen die Messschaltung mit Ampere- und Voltmeter.

Ein Tauchsieder bzw. eine Heizwendel hängt in einem wärmegedämmten Becherglas (Kalorimeter) mit $100\ \mathrm{g}$ Wasser. In der Zuleitung liegt das Amperemeter, parallel zur Wendel das Voltmeter; ein Thermometer misst die Wassertemperatur, die Stoppuhr die Heizzeit.

Schritt 1: $100\ \mathrm{g}$ kaltes Wasser einfüllen, Anfangstemperatur ablesen (z. B. $20{,}0\ ^\circ\mathrm{C}$).

Schritt 2: Heizen starten und gleichzeitig die Stoppuhr; $U$ und $I$ ablesen und während der Messung kontrollieren.

Schritt 3: Wasser gelegentlich vorsichtig umrühren (gleichmäßige Temperatur). Nach $300\ \mathrm{s}$ abschalten.

Schritt 4: Nach dem Abschalten kurz weiterrühren und die höchste erreichte Temperatur ablesen.

Schritt 1: Elektrische Seite.

Schritt 2: Thermische Seite. $\Delta T = 28{,}2 - 20{,}0 = 8{,}2\ \mathrm{K}$:

Schritt 3: Bilanz. Im Wasser angekommen sind $3440$ von $3600\ \mathrm{J}$, also rund $96\ \%$. Die fehlenden $4\ \%$ passen zur Erwartung: Gefäß und Wendel wurden mitgeheizt, etwas Wärme entwich. Innerhalb dieser erklärbaren Verluste bestätigt der Versuch die Energieerhaltung: Elektrische Energie wird vollständig, messbar und vorhersagbar zu Wärme.

Von $3600\ \mathrm{J}$ elektrischer Energie kommen $3440\ \mathrm{J}$ (rund $96\ \%$) als Wärme im Wasser an; der Rest heizt nachvollziehbar die Umgebung. Die joulesche Wärme ist die vollständig in Wärme umgewandelte elektrische Energie.

Alle wichtigen Fehler dieses Versuchs wirken in dieselbe Richtung: Sie lassen die thermische Seite zu klein erscheinen.