Die Temperatur hängt mit dem Gefühl zusammen, das wir haben, wenn wir bestimmte Gegenstände berühren. Anhand dieser Empfindung können wir sie in kalte Objekte, z. B. einen Eiswürfel, und heiße Objekte, z. B. eine kochende Tasse Kaffee, einteilen. In diesem Kapitel werden wir uns genauer ansehen, was man in der Physik unter Temperatur versteht. Wir erklären:
- Der Begriff der Temperatur
- Was Thermometer sind
- Was sind die gebräuchlichsten Temperaturskalen
- Wie kann man zwischen den verschiedenen Temperaturskalen umrechnen
- Was ist der absolute Nullpunkt
Begriff der Temperatur
Die Temperatur ermöglicht es uns, das Niveau der Wärmeenergie eines Körpers zu kennen. Die Teilchen in einem Körper bewegen sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit, so dass jedes Teilchen eine bestimmte kinetische Energie hat. Der Durchschnittswert dieser kinetischen Energie <Ec> steht in direktem Zusammenhang mit der Temperatur des Körpers. Je höher also die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen ist, desto höher ist die Temperatur, und je niedriger die durchschnittliche kinetische Energie ist, desto niedriger ist die Temperatur.
Die Temperatur ist eine skalare Größe, die die Menge an Wärmeenergie eines Körpers misst. Bei Gasen ist ihr Wert proportional zur durchschnittlichen kinetischen Energie der Moleküle, entsprechend dem Ausdruck:
Wobei:
- Temperatur T: Ihre Maßeinheit im Internationalen System ist das Kelvin ( K )
- Universalkonstante k: Diese Konstante ist für alle Gase gleich. Seine Maßeinheit im Internationalen System ist das Kelvin pro Joule ( K/J )
- Durchschnittswert der kinetischen Energie der Gasmoleküle <Ec>: Dies ist der Durchschnittswert der kinetischen Energie der Gasmoleküle. Ihre Maßeinheit im Internationalen System ist das Joule ( J )
Man beachte, dass die Temperatur im Gegensatz zu anderen Größen wie Geschwindigkeit oder Beschleunigung keine mechanische, sondern eine statistische Größe ist.
Die Verteilung der Geschwindigkeiten der Teilchen eines Gases (und damit die Verteilung der kinetischen Energie der einzelnen Teilchen) wird durch das Maxwellsche Verteilungsgesetz bestimmt. In der folgenden Abbildung können Sie eine qualitative Vorstellung davon bekommen, wie sich eine Temperaturerhöhung auf die Moleküle eines Gases auswirkt.
Für denselben Stoff gilt: Je höher die Temperatur, desto größer die Geschwindigkeit der Teilchen, aus denen er besteht. In ähnlicher Weise kann man in jedem Diagramm sehen, dass je höher die Temperatur ist, desto größer ist der Bereich der Geschwindigkeiten, die aufgrund der Maxwell-Verteilung erreicht werden können. Im ersten Diagramm ist beispielsweise zu erkennen, dass die meisten Teilchen eine niedrige Geschwindigkeit haben (ihre Werte sind in der Nähe des Koordinatenursprungs konzentriert), und mit steigender Temperatur wird die Konzentration der Teilchengeschwindigkeit immer größer.
Andererseits, wenn wir zwei Körper in Kontakt bringen, findet ein Austausch von Wärmeenergie statt: die Temperatur fließt von dem mit der höheren Temperatur zu dem mit der niedrigeren Temperatur. Wenn wir genügend Zeit verstreichen lassen, gleichen sich die beiden Temperaturen an. Wenn wir also einen Körper berühren, der eine niedrigere Temperatur als wir hat, fühlen wir Kälte, und wenn er eine höhere Temperatur hat, fühlen wir Hitze. Der Grund dafür ist genau dieser Austausch von Wärmeenergie zwischen unserem Finger und dem betreffenden Körper.
Wie messen wir die Temperatur?
Temperatur ist eine statistische Größe, wir können sie also nicht direkt messen. Um sie zu messen, verwenden wir verschiedene Größen, die sich mit ihr verändern, wie die Höhe einer Quecksilbersäule, den elektrischen Widerstand oder das Volumen und den Druck eines Gases. Diese Größen werden thermometrische Größen genannt.
Um die Temperatur zu messen, benutzen wir Thermometer. Ein Thermometer ist ein Gerät, mit dem man eine thermometrische Größe mit der Temperatur in Verbindung bringen kann.
Typen von Thermometern
Es gibt verschiedene Arten von Thermometern, je nach der zu messenden physikalischen Größe, die sich mit der Temperatur ändert. Im Folgenden sind einige der wichtigsten aufgeführt. Die Bezeichnung der Thermometer und eine kurze Beschreibung sind kursiv gedruckt.
- Dilatationsthermometer
- Gase
- Volumenänderung: Gasthermometer bei konstantem Druck. Das Volumen des Gases variiert mit der Temperatur. Sie sind sehr genau und werden im Allgemeinen zur Kalibrierung anderer Thermometer verwendet
- Druckänderung: Konstantes Volumengasthermometer. Der Druck des Gases variiert mit der Temperatur. Sie sind sehr genau und werden im Allgemeinen zur Kalibrierung anderer Thermometer verwendet
- Flüssigkeiten
- Quecksilber-Säule: Quecksilberthermometer. Die Höhe der Quecksilbersäule variiert mit der Temperatur. Sein Inverkehrbringen und seine Verwendung sind in einigen Ländern wie Spanien verboten
- Farbige Alkoholsäule: Alkoholthermometer. Die Höhe der gefärbten Alkoholsäule variiert mit der Temperatur. Es war das erste, das geschaffen wurde
- Feststoffe
- Längenänderung: Bimetallthermometer. Besteht aus zwei Platten aus verschiedenen Metallen, die fest miteinander verbunden sind. Die Baugruppe biegt sich in einem Bogen, der proportional zur Temperaturänderung ist. Das liegt daran, dass jede Platte einen anderen Ausdehnungskoeffizienten hat und Temperaturänderungen unterschiedliche Längenänderungen verursachen
- Gase
- Basierend auf elektrischen Eigenschaften
- Widerstand
- Halbleiter: Thermistor. Halbleiter sind Materialien, die sich je nach Temperatur als Leiter oder Isolator verhalten. Das macht sie zu Geräten für die Temperaturmessung
- Platin: Platinthermometer. Der elektrische Widerstand von Platin ändert sich linear mit der Temperatur
- Thermoelektrischer Effekt
- Thermoelement: Dies ist ein Paar von Verbindungen (Schweißnähten) zweier leitender Drähte aus unterschiedlichen Metallen. Eine der Verbindungsstellen wird auf einer konstanten Referenztemperatur gehalten. Die erzeugte elektromotorische Kraft hängt von der Temperaturdifferenz zwischen den Schweißnähten ab
- Widerstand
- Basiert auf Wärmestrahlung
- Infrarotstrahlung
- Infrarotthermometer: Heiße Körper geben Wärme in Form von elektromagnetischer Strahlung ab, die von diesem Thermometertyp erfasst wird
- Infrarotstrahlung
- Sichtbares Licht
- Optische Pyrometer: Diese werden normalerweise zur Messung von Temperaturen über 700 °C verwendet. Sie beruhen auf der Veränderung der Farbe, mit der heiße Gegenstände glühen. Von dunkelrot bis gelb, bei etwa 1300º C fast bis weiß
Temperaturskalen
Die Temperatur wird indirekt durch thermometrische Größen gemessen. Wie wir sehen werden, werden wir die Werte dieser Größen in bestimmten festen Zuständen zur Kalibrierung von Thermometern verwenden und so eine Skala erstellen. Beispiele für diese festen Zustände sind das Gefrieren oder das Sieden von Wasser.
Es gibt drei Hauptskalen für die Messung der Temperatur:
- Celsius
- Farenheit
- Kelvin
Lassen Sie uns den Prozess für jede einzelne Skala betrachten.
Centigrade- oder Celsius-Skala
- Der normale Gefrierpunkt von Wasser wird auf dem Thermometer mit dem Wert 0 angegeben
- Der normale Siedepunkt von Wasser wird auf dem Thermometer mit dem Wert 100 angegeben
- Dieser Bereich ist in 100 gleiche Teile unterteilt. Jedes dieser Grade wird als Grad Celsius ( ºC ) bezeichnet
Fahrenheitsskala
- Der normale Gefrierpunkt von Wasser hat auf dem Thermometer einen Wert von 32
- Der normale Siedepunkt von Wasser hat auf dem Thermometer einen Wert von 212
- Dieser Bereich ist in 180 gleiche Teile unterteilt. Jedes dieser Grade wird als Grad Fahrenheit (ºF) bezeichnet
Kelvin, absolute oder Kelvin-Skala
Dies ist die Skala, die im Internationalen Einheitensystem verwendet wird. Um die absolute Skala zu definieren, werden wir zunächst die Temperatur des absoluten Nullpunkts und den Tripelpunkt von Wasser definieren.
Die Temperatur des absoluten Nullpunkts
ist der niedrigste Temperaturzustand, den ein Körper haben kann. In diesem Zustand wäre die Bewegung der Atome und Moleküle, aus denen der Körper besteht, gleich Null. Es handelt sich um eine theoretische Temperatur, die in der Praxis nicht erreicht werden kann.
Wassertripelpunkt
Der Wassertripelpunkt ist dasjenige Temperatur-Druck-Paar, bei dem Wasser in festem, flüssigem und gasförmigem Zustand koexistiert. Konkret wäre die Temperatur 0,01 ºC und der Druck 611,73 Pa.
Prozess
- Der niedrigsten Temperatur, die es geben kann, dem absoluten Nullpunkt, wird auf dem Thermometer der Wert 0 zugeordnet
- Der Wert 273.16 ist dem Tripelpunkt von Wasser zugeordnet
- Die Größe der Gradzahl Kelvin ist an die Gradzahl Celsius angepasst
Das Kelvin ist die Temperatureinheit, die im Internationalen Einheitensystem verwendet wird.
Da wir dem absoluten Nullpunkt 0 K zuordnen, gibt es auf der Kelvin-Skala keine negativen Temperaturen.
Da die Größe der Gradzahlen auf der Kelvin- und der Celsius-Skala gleich ist, fällt ein Temperaturanstieg in Grad Kelvin mit einem Anstieg in Grad Celsius zusammen.
Umrechnung von Skalen
Wenn man bedenkt, dass tC, tF und T die Temperatur ist, die in Grad Celsius, Fahrenheit bzw. Kelvin ausgedrückt wird, werden wir die folgenden Ausdrücke verwenden, um zwischen Skalen umzurechnen.