PH1 – Temperatur

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Inhaltsverzeichnis:

Die Temperatur ist ein objektives Maß dafür, wie warm oder kalt ein Gegenstand ist. Sie ist eine physikalische Größe, welche den Zustand eines Körpers zu einer bestimmten Zeit anzeigt. Damit ist die Temperatur eine Zustandsgröße, die vor allem innerhalb der Thermodynamik eine wichtige Rolle spielt.

In dieser Lerneinheit betrachten wir die physikalische Größe Temperatur.

Für ein optimales Verständnis helfen dir unterschiedliche Beispiele zu dem Thema. Dieser Lerntext ist ein Auszug aus unserem Onlinekurs PH1 – Grundlagen der Physik.

 

Temperatur – Grundlagen

Es handelt sich bei der Temperatur um eine physikalische Größe, welche den Zustand eines Körpers zu einer bestimmten Zeit anzeigt. Es handelt sich somit um eine Zustandsgröße, die vor allem in der Thermodynamik eine wichtige Rolle spielt.

Temperatur, Messgerät, Grad Celsius

 

Die Temperatur ist ein objektives Maß dafür, wie warm oder kalt ein Körper ist. Der Mensch ist nicht in der Lage eine objektive Einschätzung über die Temperatur von Körpern abzugeben. Wenn du eine heiße Tasse Tee berührst, dann kannst du zwar eine Aussage darüber treffen, ob diese Tasse Tee heiß, warm oder kalt ist, du kannst aber nicht genau sagen, wie hoch die Temperatur ist. Außerdem hat jeder Mensch eine subjektive Empfindung über die Temperatur von Körpern. So hat jeder eine andere Empfindung darüber wie heiß, warm oder kalt er Körper oder Flüssigkeiten empfindet.

36° und es wird noch heißer…

Du wirst das selbst bei dir kennen. Du willst in die Badewanne, in welcher sich Wasser mit einer Temperatur von 33° befindet. Wenn du gerade von einem Winterspaziergang zurück kommst und dein Körper noch ganz kalt ist, dann wird dir das Badewasser sehr heiß vorkommen. Warst du hingegen gerade auf deinem Balkon sonnenbaden, dann wird dir das Wasser vielleicht eher lauwarm erscheinen. Obwohl das Wasser die gleiche Temperatur aufweist, hast du unterschiedliche Empfindungen über diese. Wenn du also in beiden Situationen die Temperatur schätzen solltest, würdest du höchstwahrscheinlich zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen.

 

Die physikalische Größe der Temperatur

Die Temperatur T wird in Grad Celsius (°C) angegeben, aber innerhalb von Berechnungen in der Physik in der SI-Einheit Kelvin (K) berücksichtigt. Die beiden Einheiten sind nach dem schwedischen Astronom, Mathematiker und Physiker Anders Celsius (1701 – 1744) und dem britischen Physiker William Thomson (1824 – 1907), der nach der Erhebung in den Adelsstand Lord Kelvin hieß, benannt.

Für die Umrechnungen von Grad Celsius in Kelvin und umgekehrt gelten die folgenden Beziehungen:

 

Umrechnung von Celsius in Kelvin:

0^\circ C = 273,15 K

 

Willst du also Grad Celsius in Kelvin umrechnen, so musst du lediglich 273,15 zur Temperatur in °C hinzuaddieren. Willst du hingegen Kelvin in Grad Clesius umrechnen, so subtrahierst du 273,15.

Beispiel!

Du sollst eine Berechnung in der Physik durchführen. Innerhalb der Gleichung wird die Temperatur T benötigt. In der Aufgabenstellung ist eine Temperatur von 20°C gegeben. Innerhalb der Berechnung benötigst du aber die Temperatur in Kelvin. Du addierst nun 273,15 zu den 20°C und erhältst die Temperatur in Kelvin:

20° C = 293,15 K

 

In einer neuen Aufgabenstellung berechnest du die Temperatur und es resultieren 300 K. Willst du die Temperatur in Grad Celsius angeben, dann subtrahierst du einfach 273,15 von den 300:

300 K = 26,85 °C

 

Temperatur messen

Temperatur, Kelvin, Grad Celsius
Temperatur – Skalen, Celsius, Kelvin, Fahrenheit

 

Da der Mensch selbst nicht in der Lage ist die Temperatur eines Körpers zu bestimmen, setzt man in der Physik und in der Technik bestimmte Messgeräte ein, welche die Temperatur eines Körpers ermitteln. Der einfachste Weg die Temperatur eines Körpers zu messen, ist das so genannte Thermometer.

Ein Thermometer besteht aus einem kleinen Glasrohr, in dem sich eine Flüssigkeit – oftmals Quecksilber – befindet und einer dort angebrachten Skala mit Zahlenwerten.  Steigt die Temperatur, so dehnt sich die Flüssigkeit in dem Glasrohr aus. Wir sehen dann, dass die Flüssigkeitssäule nach oben steigt und damit auch die Temperatur. Sinkt die Temperatur wieder, so zieht sich die Flüssigkeit wieder zusammen. Auf der Skala können wir nun ablesen, welche Temperatur gerade vorliegt.

 

Beispiel!

Betrachten wir ein am Haus angebrachtes Thermometer, so misst dieses die Temperatur der Luft. Dabei ist die gegebene Temperatur der Zustand der Luft zum Zeitpunkt des Ablesens.

 

Temperatur – Skalen, Celsius, Kelvin, Fahrenheit

Die bei uns im Alltag am häufigsten verwendete Skala ist die bekannte Celsius-Skala. In den angelsächsischen Ländern wird dagegen häufig die Fahrenheit-Skala benutzt. Innerhalb der Physik wird vor allem die Kelvin-Skala verwendet, die ihren Nullpunkt bei der tiefsten theoretisch denkbaren Temperatur, dem absoluten Nullpunkt, hat.

 

Merk’s dir!

Die Umrechnung von Fahrenheit in Celsius und Kelvin wird wie folgt vorgenommen:

1^\circ C \cdot \dfrac{9}{5} + 32 = 33,8^\circ F

(1 K - 273,15) \cdot  \dfrac{9}{5} + 32 = -457,9^\circ F

 

Der absolute Nullpunkt

Alle Stoffe bestehen aus Teilchen, die sich mehr oder weniger heftig bewegen können. Die Bewegungen der Teilchen eines Stoffs hängen dabei von der Art, vom Aggregatzustand und vor allem von der Temperatur des Stoffs ab.

Bei sehr hohen Temperaturen bewegen sich die Teilchen sehr heftig, je geringer die Temperaturen werden, desto weniger heftig bewegen sich die Teilchen. Weist ein Körper eine sehr niedrige Temperatur auf, so bewegen sich die Teilchen kaum noch. Die tiefstmögliche Temperatur ist diejenige, bei der sich die Teilchen nicht mehr bewegen. Dieser Punkt wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet und weist eine Temperatur von -237,15 °C bzw. 0 K auf.

Nullpunkt, Siedepunkt, Gefrierpunkt, Temperatur
Temperatur – Skalen, Celsius, Kelvin, Fahrenheit

 

In der obigen Grafik sind drei Temperaturskalen zu sehen. Diese unterscheiden sich in der Festlegung ihrer Nullpunkte. Der Nullpunkt bei der Celsius-Skala wurde so gewählt, dass er diejenige Temperatur angibt, bei welcher Wasser grundsätzlich zu Eis gefriert. Die Kelvin-Skala hat ihren Nullpunkt bei der tiefsten theoretisch denkbaren Temperatur. 1714 legte der Physiker Gabriel Daniel Fahrenheit als Nullpunkt der Fahrenheit-Skala die tiefste Temperatur fest, die er im Labor erzeugen konnte. Mit einer Kältemischung aus Eis, Wasser und Salmiak erreichte er -17,78 °C.



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