Temperatur und Wärme


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Was ist Temperatur?

In der Thermodynamik (auch Wärmelehre genannt) spielt die Temperatur eine wichtige Rolle. Aus dem Alltag wissen wir ob ein Körper sich kalt anfühlt oder warm ist, indem man ihn mit der Hand berührt. Mit unserer Hand sind wir aber nicht in der Lage die Temperatur eines Körpers exakt anzugeben, dazu benötigen wir Messgeräte wie ein Thermometer. In der Wissenschaft setzt man zur Messung der Temperatur verschiedene Messgeräte ein, um diese Messgeräte zu entwickeln muss man aber zunächst verstehen was Temperatur ist.



Die Temperatur ist ein Maß für die Bewegung der Teilchen in einem System. Die Bewegung von Teilchen korrespondiert immer zu deren kinetischen Energie. Die Temperatur ist also ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen in einem System. Je höher die Temperatur ist desto höher ist die mittlere kinetische Energie der Teilchen, die Teilchen bewegen sich also schneller. So gut wie alle physikalischen und chemischen Eigenschaften von Stoffen hängen von der Temperatur ab. Beispiele hierfür sind die Dichte und der elektische Widerstand von Stoffen, je nach Temperatur ist die Dichte eines Stoffes anders. Solche Abhängigkeiten von der Temperatur kann man nutzen um die Temperatur eines Stoffes zu messen.

Temperaturmessung

Bei fast allen Materialien hängt die Dichte von der Temperatur ab, erhöht man die Temperatur dann Dehnt sich das Material meistens aus. Diesen Effekt kann man zur Temperaturmessung nutzen, zum ablesen einer konkreten Temperatur benötigt jedes Thermometer eine Temperatur-Skala.

Flüssigkeits-Thermometer:

  • Flüssigkeits-Thermometer bestehen aus einem kleinen Rohr (Kapillar) in der eine Flüssigkeit vorhanden ist, dessen Dichte stark von der Temperatur abhängt. Die Temperatur wird anhand der Länge der Flüssigkeitssäule abgelesen, je höher die Temperatur ist, desto mehr dehnt sich die Flüssigkeit aus und damit wächst die Länge der Flüssigkeitssäule.



Bimetall-Thermometer:

  • Bimetall-Thermometer besitzen ein Bimetall-Streifen in Form einer Spirale. Wird das Metall erwärmt dann weitet sich die Spirale, bei Abkühlung verengt sie sich wieder. Die Bewegung der Spirale wird durch ein Zeiger auf einer Temperaturskala sichtbargemacht.





Temperatur-Skala

Im laufe der Zeit wurden verschiedene Temperatur-Skalen entwickelt. Für eine Temperatur-Skala benötigt man zwei fest vorgegebene Temperaturwerte als Fixpunkte, der Temperaturbereich zwischen den Fixpunkten teilt man in gleich große Abschnitte. Die bekanntesten Temperatur-Skalen sind Celsius-Skala, Kelvin-Skala und die Fahrenheit-Skala. Anhand dieser drei Skalen wird im folgenden erklärt wie eine Temperatur-Skala entwickelt wird.

Celsius-Skala

    Die Celsius-Skala beruht auf der Schmelztemperatur von Eis und der Siedetemperatur von Wasser. Der erste Fixpunkt ist die Schmelztemperatur von Eis und wird als \(0°C\) festgelegt. Der Zweite Fixpunkt ist die Siedetemperatur von Wasser und wird auf \(100°C\) festgelegt. Temperaturen kleiner als \(0°C\) werden durch ein Minuszeichen \((-)\) gekennzeichnet. Die Celsius-Skala ist die am meisten genutzte Temperatur-Skala.

Kelvin-Skala

    Die Kelvin-Skala wird oft in der Wissenschaft verwendet, sie besitzt nur ein Fixpunkt und zwar dem absoluten Nullpunkt. Der absolute Nullpunkt ist die tiefste physikalische Temperatur, und wird auf \(0K\) festgelegt. Der absolute Nullpunkt korrespondiert zu einem System dessen Teilchen absolut stillstehen und sich in keinster weise bewegen[1]. Dieser absolute Nullpunkt liegt bei etwa \(-273°C\) um genau zu sein gilt \(0K=-273,15°C\).

    Umrechnung zwischen Celcius und Kelvin:

    Umrechnung zwischen \(°C\) und \(K\):

    Temp. in \(K=\) Temp. in \(°C+273\)

    Temp. in \(C=\) Temp. in \(K-273\)


Fahrenheit-Skala

    Die Fahrenheit-Skala wird nur noch in wenigen Ländern verwendet, zb. in den USA. Der erste Fixpunkt dieser Skala liegt bei \(32°F=0°C\) und der zweite Fixpunkt liegt bei \(212°F=100°C\). Die Umrechnung zwischen Celsius und Fahrenheit erfolgt folgendermaßen:

    Umrechnung zwischen Fahrenheit und Celsius:

    Umrechnung zwischen \(°F\) und \(°C\):

    Temp. in \(°F=\) (Temp. in \(°C\cdot 1,8\))\(+32\)

    Temp. in \(°C=\) (Temp. in \(°F-32\))\(/1,8\)