21.05.2015
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Die Temperatur

Jeder von uns hat sich wohl schon einmal die Finger an einer angeschalteten Herdplatte verbrannt oder kennt jemanden, dem es so ergangen ist; diese Platte war heiß. Wird sie ausgeschaltet, so ist sie nach einiger Zeit nur noch lauwarm. Und wenn wir den verbrannten Finger mit Eis kühlen, wird er auf Dauer ziemlich kalt. Kalt, kühl, heiß und so weiter sind Begriffe, mit denen wir beschreiben, als wie warm (oder auch nicht) wir einen Körper empfinden. In der Physik gibt es ein objektives Maß für dieses subjektive Empfinden: die Temperatur.

Wie misst man Temperaturen?

Geräte zum Messen der Temperatur werden als Thermometer bezeichnet. Dieser Name stammt von dem griechischen Wort thermos, zu Deutsch: warm. Viele Thermometer nutzen einen physikalischen Effekt: Beim Erhitzen dehnen sich die meisten Flüssigkeiten und festen Körper aus, beim Abkühlen hingegen ziehen sie sich zusammen. Man füllt nun eine Flüssigkeit (zum Beispiel Alkohol; bis vor einigen Jahren wurde oft auch Quecksilber verwendet, das aber sehr giftig ist) in ein kleines Glasgefäß, das sich nach oben in ein Glasrohr mit einem sehr geringen Durchmesser öffnet. Dieses schmale Rohr wird als Kapillare (zu Deutsch: Haargefäß) bezeichnet.

Wenn du nun dieses Thermometer in eine warme Flüssigkeit tauchst, so erwärmt sich auch die Thermometerflüssigkeit in dem unteren Gefäß und beginnt sich auszudehnen. Sie steigt dann in der Kapillaren hoch, und zwar umso mehr, je höher die Temperatur ist. An der Kapillaren ist eine Skala angebracht, an der du die aktuelle Temperatur direkt ablesen kannst.

Andere, modernere Thermometer arbeiten mit temperaturbedingten Änderungen des elektrischen Widerstandes oder der elektrischen Spannung in Halbleitern. Temperaturen werden meist in Grad Celsius (Kurzzeichen °C) angegeben. Daneben existieren jedoch noch andere Temperaturskalen, beispielsweise die Fahrenheit-Skala in den USA (Einheit: Grad Fahrenheit, Kurzzeichen °F), oder die Kelvin-Skala in der Physik (Einheit: Kelvin, Kurzzeichen K).

Die Celsius-Temperaturskala

Halte einmal ein Thermometer in ein Gefäß, das mit zerstoßenem Eis gefüllt ist. Die Temperatur auf der Skala des Thermometers wird sich nach kurzer Zeit auf 0 °C einstellen. Diese Temperatur, bei der Eis zu Wasser schmilzt beziehungsweise Wasser zu Eis gefriert, bezeichnet man als Eispunkt oder Gefrierpunkt des Wassers. Nun tauche dein Thermometer in einen Topf mit siedendem Wasser. Es wird bald eine Temperatur von 100 °C anzeigen. Dies ist der so genannte Siedepunkt. Mit diesen beiden besonderen Temperaturen, die als Temperatur-Fixpunkte oder Fundamentalpunkte bezeichnet werden, lässt sich eine Temperaturskala definieren und das Thermometer jederzeit eichen. Bei dieser Temperaturskala ist - nach einem Vorschlag des schwedischen Astronomem Anders Celsius aus dem Jahre 1742 - das Temperaturintervall zwischen dem Gefrierpunkt (0 °C) und dem Siedepunkt des Wassers (100 °C) in 100 gleiche Teile unterteilt, von denen jeder einer Temperaturdifferenz von einem Grad entspricht. Temperaturen, die höher sind als die von kochendem Wasser, liegen oberhalb von 100 °C, und niedrigere Temperaturen als die von gefrierendem Wasser werden durch negative Temperaturwerte gekennzeichnet (-1 °C, -2 °C und so weiter). Diese Temperaturskala orientiert sich an den Aggregatzuständen des Wassers (Eis, Wasser und Dampf). Man nennt sie die Celsius-Skala.

Wärme ist Bewegung

Jeder Körper, jedes Gas und jede Flüssigkeit besteht aus einer riesigen Zahl von Atomen oder Molekülen. Wenn sich ein Körper erwärmt, heißt das, dass diese Atome oder Moleküle anfangen, sich mehr zu bewegen, mehr zu schwingen (im festen Körper) oder mehr durcheinander zu rasen (in der Flüssigkeit und im Gas). Je wärmer der Körper ist, desto stärker ist diese Bewegung. Von diesem Standpunkt aus ist die Temperatur eine Größe, welche die mittlere Bewegungsenergie der mikroskopischen Teilchen widerspiegelt. Das ist die vollständige und allgemeinste Definition der Temperatur.

Wie kalt kann es werden?

Bei 0° C ist die Temperaturskala bei weitem noch nicht am Ende; in jeder Tiefkühltruhe können Temperaturen erreicht werden, die kälter als -20 °C sind. Doch kann die Temperatur beliebig tief ins Bodenlose sinken? Antwort: Nein! Es gibt einen absoluten Nullpunkt, der nicht mehr unterschritten werden kann. Wenn nämlich die Wärme eines Stoffes nichts anderes als Bewegung der Atome oder Moleküle dieses Stoffes ist, dann kann man, zumindest in Gedanken, den Stoff so weit abkühlen, dass sich kein Teilchen mehr bewegt. Das ist dann der absolute Nullpunkt der Temperatur. Dieser Nullpunkt liegt bei -273,15 °C. Praktisch ist es übrigens kaum möglich, einen Stoff im Labor genau auf diese Temperatur herunterzukühlen; aber immerhin erreicht man mit aufwändigen Methoden Temperaturen, die nur noch um einen kleinen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt liegen - eine äußerst lebensfeindliche Umgebung!

Es gibt eine Temperaturskala, deren Nullpunkt gleich dem absoluten Nullpunkt ist; diese oben schon erwähnte Kelvin-Skala kennt also keine negativen Temperaturen. Die Einteilung in einzelne Gradschritte ist identisch mit den Schritten der Celsius-Skala, und ihre Einheit ist das Kelvin (Kurzzeichen K). Die Kelvin-Skala ist also der Celsius-Skala sehr ähnlich; nur der Nullpunkt ist um 273,15 Grad nach unten verschoben:

Dabei ist TC die Temperatur nach der Celsius-Skala und TK die Temperatur nach der Kelvin-Skala.