Die Teilchen (Atome und Moleküle), aus denen ein Körper aufgebaut ist, sind ständig in Bewegung: Bei einem festen Körper schwingen sie um ihre Plätze innerhalb der Gitterstruktur, bei einer Flüssigkeit führen sie unregelmäßige Bewegungen aus, wobei sie sich gegeneinander verschieben können. In einem Gas schließlich bewegen sie sich völlig ungeordnet. Die Ordnungsstruktur der Bewegungen nimmt vom festen zum gasförmigen Zustand immer weiter ab.

Im Folgenden erklären wir wichtige Begriffe genauer:

Die Temperatur ist ein makroskopisches Maß für die Intensität der Teilchenbewegung: Sie ist umso größer, je heftiger sich die Teilchen bewegen, das heißt je größer deren (mittlere) Bewegungs- oder kinetische Energie ist.

Sie hängt nicht vom Aggregatzustand ab, das heißt Wasserteilchen haben bei 0°C dieselbe (mittlere) Bewegungsenergie wie die Teilchen von Eis bei 0°C. Die Temperatur ist auch unabhängig von der Masse.

Im Gegensatz zur Temperatur ist die thermische Energie eines Körpers nicht nur von der Intensität der Teilchenbewegung, sondern auch von der Masse des Körpers und seinem Aggregatzustand abhängig. Sie ergibt sich als Summe der Bewegungsenergie und der potentiellen Energie aller Teilchen des Körpers.

Die potentielle Energie der Teilchen wird durch die zwischen ihnen wirkenden Kräfte bestimmt: Im festen Zustand sind diese zwischenatomaren bzw. zwischenmolekularen Kräfte wegen der hohen Ordnungsstruktur sehr groß. Bei einer Flüssigkeit mit ihrer nur noch schwachen Ordungsstruktur dagegen sind die Kräfte zwischen den Teilchen wesentlich kleiner. Bei einem Gas schließlich wirken zwischen den Teilchen, außer bei Zusammenstößen untereinander, überhaupt keine Kräfte mehr.

Die potentielle Energie zwischen den Teilchen ist umso größer, je kleiner diese zwischenmolekularen Kräfte sind. Das bedeutet, dass die (mittlere) potentielle Energie der Teilchen eines Körpers im festen Zustand am kleinsten und im gasförmigen am größten ist (genau entgegengesetzt zu den zwischenmolekularen Kräften).

Wegen der größeren (mittleren) potentiellen Energie der Teilchen im flüssigen im Vergleich zum festen Zustand ist die thermische Energie von Wasser bei 0°C trotz gleich großer mittlerer Bewegungsenergie der Teilchen größer als die von Eis bei derselben Temperatur.

Darunter versteht man die Summe aller Energieformen, die die Teilchen eines Körpers aufweisen können: Zur Bewegungs- und potentiellen Energie der Teilchen kommt zusätzlich noch die Energie, die die Teilchen aufgrund ihrer Energie im Teilchenverband besitzen (Bindungsenergie der Teilchen). Sie tritt als chemische Energie bei chemischen Reaktionen in Erscheinung. Auch die Energie, die in den Atomkernen verborgen ist (Kernenergie), muss man zur inneren Energie eines Körpers zählen.

Bei rein thermischen und mechanischen Vorgängen bleiben die chemische und die Kernenergie unverändert, so dass man für derartige Prozesse die thermische Energie qualitativ mit der inneren Energie gleichsetzen kann.

In der Physik muss diese Größe klar von ihrer schwammigen umgangssprachlichen Bedeutung abgegrenzt werden:

Physikalisch versteht man unter Wärme die Energie, die von einem Körper auf einen anderen übertragen wird, wenn zwischen beiden eine Temperaturdifferenz besteht. Bringt man einen 50 g schweren Körper mit einer Temperatur von 20°C mit einem Körper aus gleichem Material, aber einer Masse von 1.000 g und 10°C in enge Berührung, so geht Wärme vom Körper mit der höheren Temperatur auf den mit der niedrigeren über, obwohl dieser aufgrund seiner größeren Masse eine weit höhere thermische Energie besitzt.

Wärme geht immer vom Körper mit der höheren auf den mit der tieferen Temperatur über.

Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes ist eine für diesen Stoff charakteristische Konstante. Ihr Zahlenwert gibt an, wie groß die Energie ist, die in Form von Wärme oder Arbeit einem Körper mit der Masse 1 kg aus dem betreffenden Material zugeführt werden muss, um seine Temperatur um 1°C zu erhöhen.

Derselbe Energiebetrag wird umgekehrt bei einer Abkühlung um 1°C an die Umgebung in Form von Wärme wieder abgegeben.

Die im Vergleich zu anderen Stoffen sehr große spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,18 kJ/(kg · °C), das heißt: Um 1l Wasser um 1°C zu erwärmen, wird eine Energiezufuhr in Form von Wärme oder Arbeit von 4,18 kJ benötigt. Mit einem äquivalenten Energiebetrag könnte man einen 100 kg schweren Körper 4,18 m anheben! Dieser Vergleich demonstriert, wie groß aufgrund der enormen Teilchenzahl in 1l Wasser die uns verborgene Summe aus der kinetischen und potentiellen Energie der Wasserteilchen ist.

Derselbe Energiebetrag von 4,18 kJ wird bei der Abkühlung von 1l Wasser um 1°C an die Umgebung abgegeben.

Um einen Körper der Masse m, der aus einem Material mit der spezifischen Wärmekapazität c besteht, von der Temperatur ϑ₁ auf eine höhere Temperatur ϑ₂ zu erwärmen, muss seine thermische Energie um den Betrag ΔE_Therm = c · m · (ϑ₂ – ϑ₁) erhöht werden. Dies erreicht man z. B., indem man ihm die entsprechende Wärme W_Q zuführt, d. h. für die zur Erwärmung erforderliche Wärme gilt:

W_Q = c · m · (ϑ₂ – ϑ₁)