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Temperatur

Wichtige Inhalte in diesem Video

Temperatur einfach erklärt

Temperaturskalen und Einheiten

Teilchenbewegung

Wärmeübertragung

Temperaturmessung

Mechanische Methode: Das Flüssigkeitsthermometer

Gefühlte Temperatur

Unterschiedliche Temperaturen begegnen uns im Haushalt im Kühlschrank, auf dem Herd oder auch im Sommer und Winter. Doch was ist Temperatur eigentlich? Das erfährst du hier und in unserem kurzen Video.

Inhaltsübersicht

Temperatur einfach erklärt

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Die Temperatur ist eine Zustandsgröße, die angibt wie heiß oder kalt ein Körper ist. Hohe Temperaturen bezeichnest du als warm, niedrige Temperaturen als kühl.

Das Formelzeichen der Temperatur ist T und ihre SI-Einheit heißt Kelvin (K). Ebenfalls verbreitet ist die Angabe in Grad Celsius (°C). Hier lautet das Formelzeichen $\vartheta$ . Gemessen wird die Temperatur meist mithilfe von Thermometern.

Die Wärmeempfindung des Menschen hängt nicht allein von der Temperatur ab. So kann sich die gefühlte Temperatur, die dein Körper wahrnimmt, teilweise deutlich von der messbaren absoluten Temperatur unterscheiden.

Temperaturskalen und Einheiten

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Die SI-Einheit der Temperatur ist Kelvin und geht auf den Physiker Lord Kelvin of Largs zurück. Ein Schritt auf der Kelvin-Skala ist genauso groß wie eine Einheit auf der Celsius- Skala. Das bedeutet eine Temperaturdifferenz von 5 K ist genauso groß wie eine Temperaturdifferenz von 5°C. Die Einheit ‚Grad Celsius‘ ist nach Anders Celsius benannt und wird besonders im deutschsprachigen Raum bevorzugt verwendet.

Daneben gibt es die Einheit Grad Fahrenheit , die vor allem in den USA Verwendung findet. Umrechnungen wie Fahrenheit in Celsius oder Celsius in Kelvin findest du in unserer Tabelle.

Temperatur in Kelvin (K): T_K
Temperatur in Grad Celsius (°C): $\vatheta$
Temperatur in Grad Fahrenheit (°F): T_F

	Kelvin (K)	Grad Celsius (°C)	Grad Fahrenheit (°F)
T_K	$=T_\si{K}$	$=\vartheta+273,15$	$=\frac{T_{\si{F}}+459,67}{1,8}$
$\vartheta$	$=T_{\si{K}}-273,15$	$=\vartheta$	$=\frac{T_{\si{F}}-32}{1,8}$
T_F	$=T_{\si{K}}\cdot1,8-459,67$	$=\vartheta\cdot1,8+32$	$=T_\si{F}$

Die Einteilung in Grad Celsius orientiert sich an dem Gefrier- und Siedepunkt von Wasser. Ihre Differenz wurde in 100 gleichgroße Schritte aufgeteilt, sodass du den Gefrierpunkt heute bei 0°C und den Siedepunkt bei 100°C findest.

Für die Kelvin-Skala wurde ein anderer Fixpunkt gewählt. Sie startet am absoluten Nullpunkt. Das ist die tiefste mögliche Temperatur. Sie liegt bei -273,15°C beziehungsweise 0K. Die Größe der Skaleneinheiten entspricht derjenigen auf der Celsius-Skala.

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Teilchenbewegung

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Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen . Schauen wir uns die Temperatur eines Stoffes an, dann kannst du Temperatur als Bewegung der Teilchen wahrnehmen.

Die kleinsten Bestandteile jedes Stoffes sind nämlich ständig in Bewegung. Dabei lässt sich eine mittlere Bewegungsenergie $\overline{E}_{kin}$ feststellen. Steigt nun die Temperatur des Stoffs, so beginnen die Teilchen, sich schneller zu bewegen. Die Temperatur gibt also an, wie heftig sich die Teilchen eines Stoffs bewegen ( $T\sim\overline{E}_{kin}$ ).

Das Ausmaß der Bewegung hängt von der Temperatur des Stoffes ab. Bei hoher Temperatur ist die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen hoch, bei sinkender Temperatur nimmt auch die kinetische Energie ab.

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Damit lässt sich der absolute Nullpunkt, an dem sich die Kelvin-Skala orientiert, erklären. Der Nullpunkt stellt die tiefstmögliche Temperatur dar — also die Temperatur, bei der sich die Teilchen überhaupt nicht mehr bewegen.

Wärmeübertragung

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Die Temperaturen zweier Körper gleichen sich an, sobald sie in Wärmekontakt stehen. Dabei wird die Wärme immer von dem Körper mit der höheren Temperatur zum kälteren übertragen.

Die wärmeren — und deswegen schnelleren — Teilchen stoßen die langsameren Teilchen an und versetzen sie so ebenfalls in Bewegung. Das passiert so lange, bis kein Temperaturunterscheid mehr besteht.

Den Vorgang nennst du Wärmeleitung. Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung:

Wärmeleitung
Konvektion
Wärmestrahlung

Konvektion tritt nur im Zusammenhang mit Flüssigkeiten und Gasen auf. Dabei wird Wärme von strömenden Teilchen mitgeführt, die sich unter den kühleren Stoff mischen und so die Energie übertragen.

Darüber hinaus sendet jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt Wärmestrahlung aus. Die Strahlung wird von anderen Körpern aufgenommen und somit Wärme übertragen.

Temperaturmessung

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Temperaturen können mit und ohne Kontakt gemessen werden. Bei der kontaktlosen Messung machst du dir die Wärmestrahlung zunutze, die jeder Körper abstrahlt.

Messungen mit Kontakt werden meist mithilfe von Thermometern oder Temperatursensoren durchgeführt. Dabei unterscheidest du drei Arten der Temperaturmessung:

mechanisch
elektrisch
indirekt

Mit welchen Verfahren du zum Beispiel die Außentemperatur messen kannst und welche Messgeräte zur Bestimmung der Raumtemperatur genutzt werden können, erfährst du hier.

Mechanische Methode: Das Flüssigkeitsthermometer

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Das alltäglichste und bekannteste Thermometer ist das Flüssigkeitsthermometer. Es besteht aus einem kleinen Gefäß, einem dünnen Röhrchen und einer daran anliegenden Skala. Das Gefäß ist mit einer Flüssigkeit gefüllt. Üblich sind hierbei Quecksilber oder gefärbter Alkohol.

Das Thermometer zeigt die Temperatur an, indem die Flüssigkeit das Röhrchen hinaufsteigt. Anhand des Füllstands kannst du dann die Temperatur ablesen. Das Prinzip beruht darauf, dass sich Flüssigkeiten mit steigender Temperatur ausdehnen. Die Dichte einer Flüssigkeit verändert sich also gleichmäßig mit der Temperatur.

Dehnt sich die Flüssigkeit aus, so nimmt sie mehr Platz ein und muss aus dem Gefäß in das Röhrchen ausweichen. Hier kann die Temperatur schließlich in der Regel auf das Grad genau abgelesen werden. Die im Alltag üblichen Flüssigkeitsthermometer haben meist einen Messbereich rund um -20°C bis 50°C.

Elektrische Methode: Messung mithilfe von Halbleitern

Elektronische Thermometer messen die Temperatur mithilfe des elektrischen Widerstands eines Halbleiters. Sie bestehen aus:

einem Stromkreis mit konstanter Spannung
einem Strommessgerät, an dem du die Stromstärke abliest und
einem Widerstand aus einem Halbleitermaterial.

Mit einer solchen Konstruktion kann die Temperatur bestimmt werden, weil sie die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern beeinflusst. Je wärmer das Bauteil wird, desto besser leitet es den Strom. Damit steigt bei zunehmender Temperatur die gemessene Stromstärke. Sie ist das Maß für die Temperatur.

Übrigens: Die gängigen Fieberthermometer, mit denen du deine Körpertemperatur messen kannst, funktionieren auf diese Weise. Wenn du gesund bist, sollte es einen Wert zwischen 36,5°C und 37,4°C anzeigen. Das ist nämlich die Durchschnittstemperatur des Menschen.

Indirekte Methode: Die Thermofarben

Das Temperaturmessen klappt allerdings auch ohne klassisches Thermometer. Bei der indirekten Messmethode machst du dir zunutze, dass bestimmte Stoffe ihre Eigenschaften je nach Temperatur ändern. Ein Beispiel für solche Stoffe sind Thermofarben.

Thermofarben verändern ihre Farbe temperaturabhängig. Um sie als Thermometer nutzen zu können, werden sie meist auf etwa postkartengroße Flächen aufgetragen und mit einer Beschriftung versehen. Die Temperatur liest du daran ab, welche der Farben sich wie verändert.

Gefühlte Temperatur

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Neben der absoluten, messbaren Temperatur gibt es noch die gefühlte Temperatur. Unsere Wahrnehmung von Wärme und Kälte ist nämlich nicht objektiv und hängt von mehr Faktoren als bloß der Umgebungstemperatur ab.

Schon gewusst? Wenn du eine Hand in eisig kaltes und die andere in warmes Wasser hältst und anschließend beide in ein Gefäß mit lauwarmem Wasser tunkst, nehmen die beiden Hände die Temperatur unterschiedlich wahr. Die ursprünglich kalte Hand empfindet das lauwarme Wasser als deutlich wärmer, als es die bereits warme Hand tut. Daran erkennst du, wie individuell Temperatur wahrgenommen wird.

Neben der eigentlichen Temperatur haben unter anderem auch

die Sonneneinstrahlung,
die Luftfeuchtigkeit,
die Bekleidung,
die Windgeschwindigkeit und
die körperliche Betätigung

einen Einfluss auf unsere Wahrnehmung von Wärme. Da die Faktoren stark vom Ort und der Person abhängen, ist es schwer, eine konkrete Angabe über die gefühlte Temperatur zu machen. Trotzdem wird sie häufig in Wetterberichten angegeben. Klar ist, dass sie teilweise stark von der messbaren Temperatur abweicht.

Temperatur und Thermodynamik

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Das Teilgebiet der Physik, das sich intensiv mit der Temperatur auseinandersetzt, heißt Thermodynamik. Daher stammt die Definition der Temperatur über die Entropie S. Das Differential der Entropie ist das Verhältnis aus der übertragenen Wärme $\delta{Q}$ und der absoluten Temperatur T.

$\si{d}S=\frac{\delta{Q}}{T}$

Im Zentrum der Thermodynamik stehen ihre Hauptsätze. Den 0. Hauptsatz der Thermodynamik hast du bereits kennengelernt. Er besagt, dass zwei Systeme immer ein thermisches Gleichgewicht anstreben und steckt somit hinter der Wärmeübertragung.

Das hat dich neugierig gemacht und du möchtest wissen, wie die weiteren Hauptsätze der Thermodynamik lauten? Dann beginne direkt mit dem ersten und sieh dir unser Video dazu an!

Zum Video: 1. Hauptsatz der Thermodynamik

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