Beschreibung der Wärme im Teilchenmodell

 
Sowohl bei Kohlekraftwerken als auch bei Kernkraftwerken wird durch eine erste Energieumwandlung Wärme erzeugt. Damit lässt sich die Temperatur des Wassers erhöhen und Wasserdampf erzeugen. Diese Vorgänge können mit dem Teilchenmodell genauer beschrieben werden.

Alle festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe sind aus kleinsten Teilchen aufgebaut. Es können Moleküle, Atome oder lonen sein. Wasser besteht z. B. aus Wassermolekülen, Eisen aus Eisenatomen und Kochsalz aus Natrium- und Chloridionen.

Oberhalb des absoluten Nullpunktes (-273,15 °C) befinden sich die Teilchen in dauernder ungeordneter Bewegung. Je heftiger sich die Teilchen bewegen, d. h., je größer ihre mittlere Geschwindigkeit ist, desto höher ist die Temperatur des Stoffes.

Bei festen Stoffen führen die Teilchen Schwingungen um ihre Position im Kristallgitter aus. Kommen die Teilchen zur Ruhe, ist die tiefstmögliche Temperatur erreicht. Das ist der absolute Nullpunkt von -273,15 °C.

Die Geschwindigkeit der Teilchen kann auf zweierlei Weise erhöht werden:

  • Durch mechanische Arbeit (Reibung) steigt die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen. Die mechanische Energie ist dann in Bewegungsenergie der Teilchen umgewandelt worden. Die Energie, die in Form der Teilchenbewegung vorliegt, wird innere Energie genannt.
  • Ein Körper höherer Temperatur hat Kontakt mit einem Körper niedrigerer Temperatur. Es stoßen dann die schnelleren Teilchen des heißen Körpers die langsameren Teilchen des kälteren Körpers an. Dadurch werden die schnelleren Teilchen langsamer und die langsamen Teilchen schneller. Die innere Energie des einen Körpers wird dabei erniedrigt und die des anderen Körpers erhöht.

Durch Stöße zwischen den Teilchen zweier Körper mit unterschiedlicher Temperatur wird Energie vom heißeren auf den kälteren Körper übertragen. Diese überfließende Energie wird Wärme oder Wärmeenergie genannt. Das Wort Wärme drückt also eine Form der Energieübertragung aus.

Bei einem Kohlekraftwerk sind die heißen Verbrennungsgase in Kontakt mit den kälteren Rohrleitungen des Kessels und diese wiederum in Kontakt mit dem Wasser. Energieübertragung erfolgt von den schnelleren Gasteilchen zu den langsameren Eisen- bzw. Wasserteilchen. Besitzen die Wasserteilchen eine genügend große Geschwindigkeit, können sie die Flüssigkeit verlassen, d. h., Wasser verdampft.

Bei einem Kernkraftwerk werden Kerne des Uran-235 gespalten. Die Spaltprodukte fliegen mit großer Geschwindigkeit auseinander und versetzen die umgebenden UO2-Moleküle in heftigere Schwingungen. Die Temperatur steigt daraufhin bis auf etwa 800 °C an. Die Bewegungsenergie der UO2-Moleküle wird dann durch Stöße auf die Atome der Brennstabhülle und letztlich auf das Wasser übertragen.