Was ist Temperatur?
Schaust du manchmal die Wetterprognose mit deinen Eltern an? Oft erwähnen sie die gefühlte Temperatur, die deutlich von der gemessenen Temperatur abweichen kann. Die Temperatur kann absolut oder gefühlt sein, aber beide brauchen eine präzise Messung? Weißt du schon, wie du verschiedene Temperaturen messen kannst? Lies weiter und du wirst es herausfinden!
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Grundlagen zum Thema Was ist Temperatur?
Temperatur – einfach erklärt
Was ist eigentlich Temperatur? Das wollen wir in diesem Text klären.
Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße, die angibt, wie warm oder kalt ein Körper ist. Dabei kennzeichnen hohe Temperaturen warme Körper und tiefe Temperaturen kalte Körper.
Mit Temperatur verbinden wir im Alltag meistens eine Eigenschaft, die wir Objekten zuschreiben oder an Objekten wahrnehmen. Zum Beispiel kann sich die Luft draußen warm oder kalt anfühlen. Genauso können sich zwei unterschiedliche Objekte warm oder kalt anfühlen und wir würden dann intuitiv sagen, dass sie eine unterschiedliche Temperatur haben. Das stimmt aber nicht immer und das kannst du auch leicht selbst überprüfen:
Ihr habt sicher einen Kühlschrank zu Hause, der Lebensmittel abkühlen und kühl halten kann. In der Regel ist ein Kühlschrank auf etwa $5~^\circ\text{C}$ eingestellt – er kühlt also alle Objekte, mit denen er befüllt ist, auf genau $5~^\circ\text{C}$ ab. Jetzt kannst du zwei unterschiedliche Dinge über Nacht in den Kühlschrank legen, und zwar ein Stück dicke Pappe und einen Löffel aus Metall. Am nächsten morgen haben beide dieselbe Temperatur, nämlich $5~^\circ\text{C}$, aber wenn du sie in die Hand nimmst, fühlt sich der Löffel viel kälter an.
Temperatur vs. Wärmeenergie
Was wir fühlen, kann also nicht die Temperatur sein. Es ist vielmehr die Wärme oder Wärmeenergie $Q$, die ein Körper auf uns überträgt oder die er uns entzieht. Wie groß diese Wärmemenge $Q$ ist, hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Einerseits natürlich auch von der Temperaturdifferenz zwischen zwei Körpern, aber auch davon, wie gut ein Material Wärme transportieren kann. Dabei wird die Wärmeenergie immer von dem Körper höherer Temperatur $T_1$ zu dem niedrigerer Temperatur $T_2$ übertragen! Und das passiert solange, bis beide Körper dieselbe Temperatur $T_3$ haben. Die liegt dann normalerweise zwischen den beiden Ausgangswerten, also: $T_1>T_3>T_2$.
Wir wissen jetzt also schon, dass zwei Körper unterschiedlicher Temperatur Wärmeenergie austauschen können und so ihre Temperaturen angleichen. Die Temperatur muss also etwas mit der Energie dieser Körper zu tun haben.
Kennst du das?
Vielleicht hast du schon einmal erlebt, wie sich ein Teelöffel, den du in eine heiße Tasse Tee legst, schnell erwärmt. Das passiert, weil die Wärmeenergie des Tees auf den Löffel übertragen wird und dessen Temperatur erhöht.
Diese Art von Wärmeleitung zeigt, wie Wärme von einem wärmeren Körper wie dem Tee zu einem kälteren Körper wie dem Löffel übertragen wird.
Es ist ein anschauliches Beispiel dafür, wie Temperaturunterschiede in deinem Alltag zu Stande kommen.
Temperatur in der Physik
Die Temperatur $T$ als physikalische Größe hängt direkt mit der inneren Energie eines Körpers oder Systems zusammen. Wenn die innere Energie größer wird, steigt damit auch die Temperatur. In unserem Beispiel der Wärmeübertragung heißt das also, dass ein Teil der inneren Energie in Form von Wärme von einem auf den anderen Körper übergeht. Die innere Energie können wir uns in einem einfachen Bild als die Bewegungsenergie der Teilchen vorstellen. Dabei müssen wir allerdings unterscheiden, ob wir eine Flüssigkeit bzw. ein Gas oder einen festen Körper betrachten. Bei Flüssigkeiten und Gasen können sich die Teilchen, aus denen sie bestehen, frei umherbewegen. Je höher die Temperatur, also die innere Energie, ist, desto schneller bewegen sich auch die Teilchen. In festen Körpern sind die Teilchen fest miteinander verbunden. Die Verbindungen können wir uns aber wie elastische Federn vorstellen, sodass die Teilchen hin und her schwingen können. Je höher die Temperatur ist, desto stärker schwingen die Teilchen.
Wenn die Temperatur steigt, wird die Bewegung der Teilchen also stärker – das gilt sowohl in Gasen und Flüssigkeiten als auch in Festkörpern, wie die folgende Abbildung zeigt.
Fehleralarm
Es gibt oft Verwechslungen zwischen Wärme(energie) und Temperatur. Während die Temperatur ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen ist und ausdrückt, wie warm ein bestimmter Körper ist, bezeichnet die Wärme(energie) die gesamte thermische Energie des Systems.
Temperatur – die absolute Temperatur
Da die Temperatur ein Maß für die innere Energie eines Körpers ist, steht sie auch im unmittelbaren Zusammenhang zur durchschnittlichen kinetischen Energie der Teilchen. Daraus folgt, wie William Thomson, seit 1892 Baron Kelvin of Largs in the County of Ayr, 1848 feststellte, dass es eine tiefstmögliche Temperatur geben müsse – nämlich die, bei der die Teilchen still stünden. Den Wert dieses absoluten Nullpunkts ermittelte er, indem er sich das Gasgesetz von
Es gilt: $T \sim \bar{\text{E}}_\text{kin}$
Die absolute Temperatur ist direkt proportional zur mittleren kinetischen Energie $\bar{\text{E}}_\text{kin}$ der Teilchen.
Die Einheit dieser absoluten Temperatur heißt zu Ehren Thomsons nach seinem späteren Adelsnamen Kelvin.
$[T]=1~\text{K}$
Temperatur – Einheiten
Als übliche Einheit der Temperatur kennst du vermutlich das Grad Celsius mit dem Einheitenzeichen $^\circ\text{C}$, das nach Anders Celsius benannt ist, einem schwedischen Physiker, Mathematiker und Astronom. Bei dieser Skala ist der Nullpunkt die Temperatur, bei der Wasser unter Normaldruck, also bei $1~\text{bar}$, zu Eis wird. Deswegen gibt es auch positive und negative Temperaturen.
Die Skaleneinteilung, also die Größe von genau $1~^\circ\text{C}$ Unterschied, ist mithilfe des Siedepunkts von Wasser definiert. Das ist die Temperatur, ab der Wasser zu sieden beginnt. Sie beträgt per Definition $100~^\circ\text{C}$. Damit entspricht $1~^\circ\text{C}$ genau einem Hundertstel des Abstands zwischen Gefrier- und Siedepunkt von Wasser. Dies wird auch Fundamentalabstand genannt.
Zur Unterscheidung zwischen Temperaturen in $^\circ\text{C}$ und solchen in der absoluten Skala verwendet man für die Celsiustemperatur auch gern den griechischen Buchstaben klein Theta: $\vartheta$.
In den USA und einigen anderen Ländern wird die Temperatur in Grad Fahrenheit $\left(^\circ\text{F} \right)$ angegeben, das nach dem deutschen Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit benannt ist. Er teilte den Abstand zwischen der Temperatur einer sogenannten Kältemischung ($\vartheta=-17{,}8~^\circ \text{C}$) und der durchschnittlichen Körpertemperatur eines Menschen in hundert Teile und verwendete die Temperatur der Kältemischung als Nullpunkt. Heute werden Fahrenheit- und Celsiusskala meist darüber verglichen, dass gilt:
$0~^\circ\text{C} ~\, \widehat{=} ~\, 32~^\circ\text{F} \quad$ und $\quad 100~^\circ \text{C} ~\, \widehat{=} ~\, 212~^\circ\text{F}$
Vor allem in der Forschung wird auch die Einheit Kelvin mit dem Einheitenzeichen $\text{K}$ genutzt. In dieser Einheit ist die absolute Temperatur gegeben und es gibt nur positive Temperaturen. Der Nullpunkt dieser Skala wird auch als absoluter Nullpunkt bezeichnet. Er ist definiert als die Temperatur, bei der sich die Teilchen überhaupt nicht mehr bewegen. Kälter als diese Temperatur kann nichts werden, deswegen hat man sie als $0~\text{K}$ definiert.
Um die Temperaturangaben gut unterscheiden zu können, verwenden wir für die absolute Temperatur das Formelzeichen $T$, für die Temperatur in $^\circ \text{C}$ das Formelzeichen $\vartheta_\text{C}$ und für Temperaturen in $^\circ \text{F}$ das Formelzeichen $\vartheta_\text{F}$. Anhand der folgenden Tabelle kannst du die drei Systeme vergleichen::
| Temperaturskala | Celsiusskala | Fahrenheitskala | absolute Temperatur |
|---|---|---|---|
| Namensgeber | Anders Celsius | Daniel Fahrenheit | William Thomson, Lord Kelvin of Largs |
| Formelzeichen | $\vartheta_\text{C}$ | $\vartheta_\text{F}$ | $T$ |
| Einheit | $^\circ \text{C}$ | $^\circ \text{F}$ | $\text{K}$ |
| Schmelztemperatur von Wasser | $0~^\circ \text{C}$ | $32~^\circ \text{F}$ | $273{,}15 ~\text{K}$ |
| Siedetemperatur von Wasser | $100~^\circ \text{C}$ | $212~^\circ \text{F}$ | $373{,}15~\text{K}$ |
Temperatur – Einheiten umrechnen
Aus der Definition der einzelnen Temperaturskalen ergeben sich die jeweiligen Formeln für die Umrechnung in die jeweils andere Skala.
Die Skala der absoluten Temperatur, die auch Kelvin-Skala genannt wird, ist gegenüber der Celsiusskala lediglich um den Wert $273{,}15$ verschoben, hat aber dieselben Fundamentalabstand. Ein Kelvin, $\pu{1 K}$, bezeichnet also dieselbe Temperaturdifferenz wie ein Grad Celsius, $\pu{1 ^\circ C}$. Wissenschaftlich ist Kelvin sogar die Einheit der Temperaturdifferenz.
Du kannst eine Temperatur in Kelvin folgendermaßen in eine Temperatur in Grad Celsius umrechnen:
Wenn du die absolute Temperatur hast, erhältst du die Celsiustemperatur, indem du $273{,}15$ abziehst:
$\vartheta_\text{C}=(T - 273{,}15 ~ \text{K}) \cdot \dfrac{^\circ \text{C}}{\text{~K}}$
Umgekehrt gilt:
Wenn du die Celsiustemperatur hast, erhältst du die absolute Temperatur, indem du $273{,}15$ addierst:
$T=\vartheta_\text{C} \cdot \dfrac{\text{~K}}{^\circ \text{C}} + 273,15 ~ \text{K}$
Um Grad Celsius in Grad Fahrenheit umrechnen zu können, musst du berücksichtigen, dass die Fundamentalabstände nicht gleich groß sind; eine bloße Verschiebung reicht hier also nicht. Es gilt:
Wenn du die Celsiustemperatur hast, erhältst du die Fahrenheittemperatur, indem du mit $\frac{9}{5}$ multiplizierst und dann $32$ Grad dazu addierst:
$\vartheta_\text{F}=\dfrac{9}{5} \cdot \vartheta_\text{C}\cdot \dfrac{^\circ\text{F}}{^\circ\text{C}}+32~^\circ\text{F}$
Und umgekehrt gilt:
Wenn du die Fahrenheittemperatur hast, erhältst du die Celsiustemperatur, indem du $32$ Grad subtrahierst und dann mit $\frac{5}{9}$ multiplizierst:
$\vartheta_\text{C}=\dfrac{5}{9} \cdot \left(\vartheta_\text{F} - 32~^\circ\text{F} \right) \cdot \dfrac{^\circ\text{C}}{^\circ\text{F}}$
Wenn du nun Grad Fahrenheit in Kelvin (oder umgekehrt) umrechnen möchtest, musst du beide Umrechnungen kombinieren.
Wenn du die Fahrenheittemperatur hast, erhältst du die absolute Temperatur, indem du erst $32$ Grad abziehst, dann mit $\frac{5}{9}$ multiplizierst und schließlich $273{,}15$ addierst:
$T=\dfrac{5}{9} \cdot \left(\vartheta_\text{F}-32~^\circ \text{F}\right) \cdot \dfrac{\text{~K}}{^\circ \text{F}} + 273{,}15~ \text{K}$
In ähnlicher Weise funktioniert das auch umgekehrt:
Wenn du die absolute Temperatur hast, subtrahierst du zuerst $273{,}15$, multiplizierst dann mit $\frac{9}{5}$ und addierst schließlich $32$ Grad, um die entsprechende Temperatur in Grad Fahrenheit zu erhalten:
$\vartheta_\text{F}=\dfrac{9}{5} \cdot \left(T-273{,}15~\text{K}\right) \dfrac{^\circ\text{F}}{\text{~K}}+32~^\circ\text{F}$
In der folgenden Tabelle haben wir noch einmal alle Formeln für die verschiedenen Umrechnungswege zusammengefasst:
| $T$ | $\vartheta_\text{C}$ | $\vartheta_\text{F}$ | |
|---|---|---|---|
| $T$ | - | ${=\vartheta_\text{C} \cdot \frac{\text{~K}}{^\circ \text{C}} + 273{,}15\,\text{K}}$ | ${=\frac{5}{9}\left(\vartheta_\text{F}-32\,^\circ \text{F}\right) \frac{\text{~K}}{^\circ \text{F}} + 273{,}15\,\text{K}}$ |
| $\vartheta_\text{C}$ | $=(T - 273{,}15\,\text{K}) \frac{^\circ \text{C}}{\text{~K}}$ | - | $=\frac{5}{9} \left(\vartheta_\text{F} - 32\,^\circ\text{F} \right) \frac{^\circ\text{C}}{^\circ\text{F}}$ |
| $\vartheta_\text{F}$ | ${=\frac{9}{5} \left(T-273{,}15\,\text{K}\right) \frac{^\circ\text{F}}{\text{~K}}+32\,^\circ\text{F}}$ | ${=\frac{9}{5} \cdot \vartheta_\text{C}\cdot \frac{^\circ\text{F}}{^\circ\text{C}}+32\,^\circ\text{F}}$ | - |
Temperatureinheiten umrechnen – Beispiel
Wir schauen uns zur Übung kurz ein Beispiel an, mit dem wir die Formeln ausprobieren:
Gegeben sei die absolute Temperatur $T=300~\text{K}$.
Zur Umrechnung in Grad Celsius verwenden wir die Formel von oben:
$\vartheta_\text{C}=(T - 273,15 ~ \text{K}) \cdot \dfrac{^\circ \text{C}}{\text{~K}}$
$\vartheta_\text{C}=(300 ~ \text{K} - 273{,}15 ~ \text{K}) \cdot \dfrac{^\circ \text{C}}{\text{~K}}=26{,}85~^\circ \text{C}$
Nun rechnen wir die absolute Temperatur noch in Grad Fahrenheit um:
$\vartheta_\text{F} = \dfrac{9}{5} \cdot \left(T-273{,}15~\text{K}\right) \dfrac{^\circ\text{F}}{\text{~K}}+32~^\circ\text{F}$
$\vartheta_\text{F} = \dfrac{9}{5} \cdot \left(300~\text{K}-273{,}15~\text{K}\right) \dfrac{^\circ\text{F}}{\text{~K}}+32~^\circ\text{F}$
$\vartheta_\text{F} = \dfrac{9}{5} \cdot 26{,}85 ~^\circ\text{F} + 32~^\circ\text{F}$
$\vartheta_\text{F} = 48{,}33~^\circ\text{F}+32~^\circ\text{F} = 80{,}33~^\circ\text{F}$
Und jetzt rechnen wir zur Sicherheit die Grad Fahrenheit noch in Grad Celsius um:
$\vartheta_\text{C}=\dfrac{5}{9} \cdot \left(\vartheta_\text{F} - 32~^\circ\text{F} \right) \cdot \dfrac{^\circ\text{C}}{^\circ\text{F}}$
$\vartheta_\text{C} = \dfrac{5}{9} \cdot \left(80{,}33~^\circ\text{F} - 32~^\circ\text{F} \right) \cdot \dfrac{^\circ\text{C}}{^\circ\text{F}} = \dfrac{5}{9}\cdot 48{,}33~^\circ\text{C} = 26{,}85~^\circ\text{C}$
Alles klar, das passt!
Temperatur – gefühlte Temperatur
Manchmal zeigt das Thermometer eine bestimmte Temperatur an, doch es kann sich deutlich wärmer oder deutlich kälter anfühlen. Das liegt an der gefühlten Temperatur. Diese wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst und ist eine subjektive Wahrnehmung. Im Folgenden schauen wir uns die Definition und Bedeutung des subjektiven Temperaturempfindens gemeinsam an und klären die Frage, warum das Temperaturempfinden subjektiv ist.
Subjektives Wärmeempfinden?
Wie kalt oder warm etwas ist, wird durch die Temperatur in Grad Celsius $\left(^\circ \pu{C}\right)$ oder Kelvin $\left(\pu{K}\right)$ angegeben. Wir Menschen nehmen die Temperatur über unsere Haut mithilfe von Rezeptoren wahr. Dieses Empfinden der Temperatur ist sehr subjektiv. Das bedeutet, manche Menschen nehmen etwas als warm war, was andere als kalt wahrnehmen.
Diese Wahrnehmung unterscheidet sich von Mensch zu Mensch.
Auch hängt die Wahrnehmung sehr vom Zusammenhang ab: Ist es draußen sehr heiß, so fühlt sich die Temperatur in der Wohnung angenehm kühl an. Ist es jedoch draußen sehr kalt, so fühlt sich die Temperatur in der Wohnung schön warm an.
Diese Temperatur, die wir fühlen, unterscheidet sich von der gemessenen Temperatur und wird gefühlte Temperatur genannt.
Wir können zusammenfassen:
Das subjektive Wärmeempfinden wird auch gefühlte Temperatur genannt. Es ist kein objektives Temperaturmaß, sondern unterscheidet sich aufgrund verschiedener Faktoren von Mensch zu Mensch. Um die Temperatur objektiv (also unabhängig von der persönlichen Wahrnehmung) bestimmen zu können, muss sie beispielsweise mit einem Thermometer gemessen werden.
Gefühlte Temperatur – Einflussfaktoren
Die gefühlte Temperatur ist von vielen Faktoren abhängig. Zum Beispiel von wetterbedingten Faktoren wie:
- Luftfeuchtigkeit
- Windgeschwindigkeit
- Sonnenschein oder Bewölkung
So sorgt eine höhere Windgeschwindigkeit dafür, dass sich die Luft kälter anfühlt. Weht der Wind stärker, so verdunstet die Feuchtigkeit auf der Haut schneller, das führt zu einem kühlenden Effekt.
Außerdem gibt es die körperlichen Faktoren:
- Bewegung oder Stillstand
- Alter und Gewicht des Menschen
- Muskel- und Fettanteil des Körpers
Hat ein Mensch gerade Sport gemacht und ist deshalb aufgewärmt, so fühlt sich die Umgebung für ihn wärmer an.
Aber auch die Wärmeleitfähigkeit von Gegenständen beeinflusst die gefühlte Temperatur. Vergleicht man ein kühles Stück Holz und ein Stück Metall mit der gleichen Temperatur, so fühlt sich das Metall kälter an.
Das liegt daran, dass das Metall eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als das Holz. Somit geschieht der Wärmeaustausch zwischen der Hand und dem Metall schneller als zwischen der Hand und dem Holz. Das führt zu einer schnelleren Abkühlung der Hand am Metall, wodurch sich dieses kälter anfühlt.
Sind Metall und Holz wärmer als die Hand, haben jedoch wieder die gleiche Temperatur, so wird der Effekt umgekehrt. Das Metall kann schneller Wärme an die Hand abgeben als das Holz. Somit fühlt sich das Metall wärmer an als das Holz.
Temperatur – Messung
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten der objektiven Temperaturmessung. Im Folgenden betrachten wir eine sehr einfache und weit verbreitete Methode: das Flüssigkeitsthermometer.
Das Flüssigkeitsthermometer
Eine der einfachsten und ältesten ist die Messung mit einem Flüssigkeitsthermometer. In diesem Messgerät wird ausgenutzt, dass sich Flüssigkeiten ausdehnen, wenn sie wärmer werden. Es besteht aus einem Glasröhrchen mit einem Flüssigkeitsreservoir, in dem früher häufig Quecksilber war. Auf dem Röhrchen befindet sich die Temperaturskala. Je nach Temperatur steigt oder sinkt der Flüssigkeitsstand in dem Röhrchen und man kann die Temperatur messen und direkt an der Skala ablesen.
Du hast so ein Thermometer sicher schon einmal gesehen, obwohl es heutzutage sicher mit einer anderen Flüssigkeit gefüllt ist. Quecksilber ist nämlich sehr giftig. Außerdem gibt es mittlerweile auch schon andere Messverfahren und digitale Thermometer, um die Temperatur zu messen.
Wusstest du schon?
Quecksilber ist das einzige Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist!
Deshalb wurde es früher häufig in Thermometern verwendet.
Da Quecksilber sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert, kann man mit einem Quecksilberthermometer präzise messen, wie warm oder kalt die Umgebung des Thermometers ist. Das Metall dehnt sich bei Erwärmung aus und zieht sich zusammen, wenn es abkühlt.
Temperaturschwankungen
Zum Schluss findest du in der folgenden Tabelle noch ein paar besondere Temperaturwerte als Beispiele.
| $T \text{ in } °\text{C}$ | Anmerkung | |
|---|---|---|
| tiefste Temperatur in Deutschland1 | -37,8 | 1929, Bayern |
| tiefste Temperatur auf der Welt3 | -89,2 | 1983, Antarktis |
| höchste Temperatur in Deutschland2 | 41,2 | 2019, Nordrhein-Westfalen |
| höchste Temperatur auf der Welt4 | 56,7 | 1913, USA |
| Oberfläche der Sonne5 | ca. 5700 |
Ausblick – das lernst du nach Was ist Temperatur?
Bereit für deine nächste Herausforderung? Vertiefe deine Kenntnisse über die Ausdehnung fester Körper bei Erwärmung (Wärmeausdehnung).
Auch die Themen Wärmetransport und Wärmeübertragung sowie Wärmeleitung und Wärmeleitfähigkeit laden zum Entdecken ein.
Erweitere dein Wissen über die Welt der Thermodynamik!
Zusammenfassung der Temperatur
- Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße, die angibt, wie warm oder kalt ein Körper ist.
- Dabei kennzeichnen hohe Temperaturen warme Körper und tiefe Temperaturen kalte Körper.
- Die absolute Temperatur ist direkt proportional zur mittleren kinetischen Energie $\bar{\text{E}}_\text{kin}$ der Teilchen. Es gilt: $T \sim \bar{\text{E}}_\text{kin}$
- Zwischen der absoluten Temperatur $T$ und der Temperatur $\vartheta_\text{C}$ in Grad Celsius besteht der folgende Zusammenhang:
$\vartheta_\text{C}=(T - 273,15 ~ \text{K}) \cdot \frac{^\circ \text{C}}{\text{~K}}$
Häufig gestellte Fragen zum Thema Temperatur
Transkript Was ist Temperatur?
Kennst du das auch? Du chillst im Meer, draußen scheint die Sonne, kein Lüftchen weht, es ist heiß. Und trotzdem fängst du plötzlich an zu bibbern, wie Gino hier? Was geht da vor sich? Hat jemand heimlich kaltes Wasser eingeleitet? Eher nicht. Alle anderen baden ja noch ganz normal. Um dem Rätsel auf die Spur zu kommen, sollten wir erstmal die folgende Frage klären: Was ist Temperatur überhaupt? Nichts leichter als das. Die Temperatur ist die objektive Messgröße dafür, wie warm oder kalt ein Körper ist. Objektiv heißt dabei: Unabhängig von den Menschen, die diese Messung vornehmen. Die Temperatur wird mit einem Thermometer bestimmt. Dann ist Gino offenbar ein ziemlich kaputtes Thermometer. Vielleicht IST der menschliche Körper aber auch gar kein Thermometer, weil er warm oder kalt gar nicht objektiv bestimmen kann. Du kannst das selber ausprobieren. Halte deine linke Hand mal eine Weile in kaltes Wasser und deine rechte in heißes. Natürlich nicht zu heißes und zu kaltes. Und danach gleichzeitig in lauwarmes Wasser. Spannenderweise wirst du das gleiche Wasser an beiden Händen unterschiedlich warm finden. Für die Hand, die vorher im heißen Wasser war, ist das lauwarme Wasser kalt für die Hand, die vorher im Eiswasser war, ist es schön warm. Unser Empfinden für Wärme und Kälte ist kein objektiver Temperaturanzeiger, sondern ein Anzeiger für das Fließen von Wärmeenergie! Wärmeenergie, in der Physik gerne auch WÄRMEMENGE genannt und mit Q abgekürzt, fließt immer vom wärmeren zum kälteren Körper. Und jetzt wissen wir auch, warum Gino bibbert. Seine Körpertemperatur ist ja höher als die des Wassers. Er ist also der wärmere Körper, von dem aus Wärmeenergie in den kälteren Körper, das Meereswasser, fließt. Der menschliche Körper ist aber ja bestrebt, eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. In dieser Hinsicht ähnelt er eher einer Heizung als einem Thermometer. Und um das zu erreichen, zucken unsere Muskeln. Wir bibbern. Ok. Jetzt wissen wir, warum Gino bibbert. Aber was wir eigentlich messen, wenn wir die Temperatur eines Körpers bestimmen, wissen wir damit noch nicht. Wie du weißt, besteht alles aus Teilchen. Die Teilchen stehen aber nicht still, sondern bewegen sich ungeordnet. Bei Festkörpern schwingen sie auf der Stelle, bei Flüssigkeiten verschieben sich die Teilchen gegeneinander, bei Gasen bewegen sie sich im ganzen zur Verfügung stehenden Raum. Und je wärmer ein Körper ist, desto schneller bewegen sich seine Teilchen durchschnittlich. Die Temperatur ist ein Maß für die INNERE Energie eines Körpers, die in der ungeordneten Bewegung der Teilchen steckt. Dass die Teilchenbewegung stärker wird, wenn die Temperatur eines Körpers zunimmt, kann man sogar von außen merken. Körper dehnen sich bei Erwärmung AUS. Das ist leicht nachvollziehbar, wenn man sich vorstellt, dass sich die Teilchen, aus denen ein Körper besteht, ja umso schneller bewegen, je höher die Temperatur ist. Wenn eine Gruppe von Leuten still steht, benötigt dies auch weniger Platz, als wenn sie sich bewegen. Aus dem Aufbau der Stoffe ergibt sich auch, dass sich Flüssigkeiten mehr als Festkörper und Gase mehr als Flüssigkeiten ausdehnen. Du kannst zahlreiche Hinweise finden, dass diese Wärmeausdehnung von Körpern im Alltag relevant ist. Damit diese Oberleitungen bei allen Temperaturen straff gespannt sind und nicht etwa im Sommer durchhängen, sind Spanngewichte an ihnen befestigt. Und du hast es dir sicher schon gedacht, auch Thermometer beruhen oft auf dem Prinzip der Wärmeausdehnung. Je höher die Temperatur, desto weiter dehnt sich die Thermometer-Flüssigkeit aus. Doch dazu mehr in einem anderen Video. Wir fassen zusammen: Der Mensch ist nicht in der Lage, Temperatur objektiv zu fühlen. Unsere sehr persönliche Wärmeempfindung beruht auf dem Austausch von Wärmeenergie zwischen uns und der Umgebung. Wärmeenergie fließt immer vom wärmeren Körper zum kälteren. Die Temperatur gibt an, wie warm ein Körper ist. Die Temperatur ist ein Maß für die innere Energie eines Körpers. Die innere Energie zeigt sich in der ungeordneten Bewegung der Teilchen, aus denen ein Körper besteht. Je wärmer ein Körper ist, desto schneller bewegen sich die Teilchen, aus denen er besteht. Aufgrund der Teilchenbewegung dehnen sich Körper – abhängig von ihrem Material und ihrem Aggregatzustand –aus, wenn ihnen Wärmeenergie zugeführt wird. Und was ist jetzt mit Gino? Der weiß sich schon zu helfen und dreht den Spieß jetzt mal um. Wenn du verstehst, wie das gemeint ist, schreib es in die Kommentare.
Was ist Temperatur? Übung
-
Gib wieder, was Temperatur ist.
TippsWärmeenergie fließt immer von warm zu kalt.
Unsere Wärmeempfindung stellt den Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebung dar.
Die innere Energie spiegelt die Temperatur eines Körpers wider.
LösungDie Temperatur eines Körpers ist eine objektive Messgröße, die angibt, wie warm oder kalt der Körper ist. Objektiv heißt, dass die Temperatur sich mit geeigneten Messinstrumenten wie Thermometern unabhängig von der beobachtenden Person bestimmen lässt.
Die Temperatur eines Körpers spiegelt die innere Energie wider, die in der ungeordneten Bewegung der Teilchen steckt: Je höher die Temperatur eines Körpers, desto schneller bewegen sich seine Teilchen durchschnittlich. Dies ist auch der Grund dafür, dass es Aggregatzustandsänderungen gibt: Schwingen die ortsfesten Teilchen eines festen Körpers zum Beispiel zu stark, löst sich seine feste Struktur auf und er schmilzt. Die Teilchen sind dann frei gegeneinander verschiebbar.
Menschliche Wärmeempfindung basiert auf dem Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebung. Wärmeenergie fließt immer vom wärmeren zum kälteren Körper.
Gino bibbert, weil seine Körpertemperatur höher ist als die des Meereswassers. Wärmeenergie fließt also von ihm ins Wasser. Der menschliche Körper strebt aber danach, eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten – in Ginos Fall durch Muskelkontraktionen (Bibbern).
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Beschreibe, wie sich die Teilchen in den jeweiligen Stoffen bewegen.
TippsBei Festkörpern sind die Teilchen ortsfest.
Bei Gasen wirken sehr geringe Kräfte zwischen den Teilchen.
Lösung$\Rightarrow$ Festkörper schwingen auf der Stelle.
In einem Festkörper sind die Teilchen – meist Atome oder Moleküle – in einem festen Gitter angeordnet. Trotz dieser festen Anordnung bewegen sich die Teilchen ständig aufgrund ihrer thermischen Energie. Diese Bewegung äußert sich als Schwingung um ihre Gleichgewichtspositionen. Die Teilchen schwingen um einen Mittelpunkt, wobei die Amplitude ihrer Schwingung von der Temperatur abhängt. In einem Festkörper sind die Teilchen in den Bindungskräften gefangen, die sie am Verlassen ihrer Positionen hindern. Diese Eigenschaft sorgt für die charakteristische Form eines Festkörpers und seine starre Struktur.
$\Rightarrow$ Flüssigkeiten verschieben sich gegeneinander.
In einer Flüssigkeit sind die Teilchen weniger regelmäßig angeordnet als in einem Festkörper: Die Teilchen sind immer noch durch anziehende Kräfte miteinander verbunden, aber sie haben genügend Energie, um sich gegeneinanderzubewegen. Die Bewegung der Teilchen in Flüssigkeiten ermöglicht es ihnen, die Positionen zu wechseln, indem sie sich durch die Flüssigkeit bewegen. Dies ermöglicht Flüssigkeiten, die Form des Behälters anzunehmen, in dem sie sich befinden, und sich an die Oberflächen anzupassen. Die Bewegung der Teilchen in Flüssigkeiten ist schneller und weniger eingeschränkt als in Festkörpern, wodurch Flüssigkeiten fließfähig sind.
$\Rightarrow$ Gase bewegen sich im ganzen Raum.
In einem Gas bewegen sich die Teilchen frei im gesamten verfügbaren Raum. Die Teilchen bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit in unterschiedlichen Richtungen und prallen ständig aneinander und an die Wände des Behälters. Die Bewegung der Gasteilchen ist intensiver als die von Festkörpern oder Flüssigkeiten, da die thermische Energie der Teilchen groß genug ist, um die Bindungskräfte zwischen ihnen zu überwinden. Gase haben keine feste Form, sondern nehmen die Form und den Raum des Behälters an, in dem sie sich befinden, und dehnen sich aus.
-
Erkläre die Fachbegriffe.
TippsDiese Messung der Temperatur ist objektiv, da sie unabhängig von den individuellen Empfindungen von Personen ist.
Wärmeenergie fließt von einem Körper mit höherer Temperatur zu einem Körper mit niedrigerer Temperatur, bis beide Temperaturen sich angleichen.
Wärmeausdehnung beschreibt das Phänomen, bei dem sich die Abmessungen eines Körpers aufgrund einer Erhöhung seiner Temperatur vergrößern.
Je höher die Temperatur, desto intensiver ist die Bewegung der Teilchen.
Lösung- Temperatur ist die objektive Messgröße dafür, wie warm oder kalt ein Körper ist. Sie wird mit einem Thermometer gemessen.
- Wärmeenergie ist die Energie, die zwischen Körpern aufgrund von Temperaturunterschieden fließt.
- Wärmeausdehnung bedeutet die Zunahme des Volumens oder der Länge eines Körpers aufgrund einer erhöhten Temperatur.
- Teilchenbewegung ist die Bewegung der Atome oder Moleküle in einem Material aufgrund ihrer thermischen Energie.
- Innere Energie ist die Energie, die in den Bewegungen der Teilchen eines Körpers steckt.
-
Erkläre den Unterscheid zwischen Wärme und Temperatur.
TippsObwohl die gleiche Menge an Wärmeenergie übertragen wird, können die Temperaturänderungen in den beiden Behältern unterschiedlich sein.
Eine intensive Eigenschaft ist eine physikalische Eigenschaft eines Körpers, deren Betrag unabhängig von der Größe des Körpers ist.
Wenn du einen ein Meter langen Stab teilst, dann sind die beiden Hälften nicht mehr einen Meter lang – Länge ist dementsprechend eine extensive Größe.
Wenn du aber von einem Liter der Temperatur $\vartheta=\pu{20 ^\circ C}$ die Hälfte abschöpfst, dann haben beide Hälften immer noch die gleiche Temperatur: $\vartheta=\pu{20 ^\circ C}$.
Aufgrund des unterschiedlichen Volumens der beiden Behälter wird es im kleinen Behälter zu einer größeren Temperaturerhöhung kommen.
LösungIn beiden Behältern wird eine Kerze mit dem gleichen Energieinhalt verwendet, um das Wasser im großen Behälter und das Wasser im kleinen Behälter zu erwärmen.
Da beiden Behältern die gleiche Wärmemenge zugeführt wurde, ist auch in beiden Behältern die Zunahme der inneren Energie gleich. Jedoch unterscheidet sich die Änderung der Temperatur in den beiden Behältern:
Aufgrund der unterschiedlichen Wassermenge in den beiden Behältern wird die gleiche Menge an thermischer Energie im kleinen Behälter zu einer größeren Temperaturerhöhung führen als im großen Behälter.
Das bedeutet, dass die Temperaturänderung, die durch die gleiche Menge an übertragener Wärme verursacht wird, in Abhängigkeit von der Größe des Systems unterschiedlich sein kann.
Würden wir nun eine der Wassermengen in zwei gleiche Hälften teilen, würde sich ihre Temperatur deshalb nicht ändern.
Hier wird deutlich, dass die Temperatur eine intensive Eigenschaft ist, die angibt, wie heiß oder kalt ein Körper ist. Sie ist unabhängig von der Größe des Systems.
Die Wärme hingegen ist eine extensive Eigenschaft und beschreibt die übertragene Energie. Sie beeinflusst abhängig von der Menge des Materials die Temperaturänderung.
In diesem Experiment wird gezeigt, dass, obwohl die gleiche Menge an Wärmeenergie übertragen wird, die Temperaturänderungen in den beiden Behältern unterschiedlich sein können, abhängig von der Größe des Systems. Dies verdeutlicht den Unterschied zwischen Temperatur und Wärme in der Physik.
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Entscheide, welche Aussagen in Bezug auf die Temperatur korrekt sind.
TippsDie Temperatur eines Körpers ist eine Maßzahl dafür, wie warm oder kalt ein Körper ist.
Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen. Diese Energie steigt mit der Temperatur: Die Teilchen bewegen sich schneller.
LösungDie Temperatur misst die Farbe eines Körpers.
$\Rightarrow$ Diese Aussage ist falsch.
Die Temperatur eines Körpers ist eine Messgröße dafür, wie warm oder kalt der Körper ist. Sie hat keine direkte Verbindung zur Farbe eines Körpers.
Wärmeenergie fließt vom kälteren zum wärmeren Körper.
$\Rightarrow$ Diese Aussage ist falsch.
Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik fließt Wärmeenergie immer von einem Körper höherer Temperatur zu einem Körper niedrigerer Temperatur. Dieser Energiefluss ermöglicht den Temperaturausgleich zwischen den Körpern.
Je höher die Temperatur, desto langsamer bewegen sich die Teilchen.
$\Rightarrow$ Diese Aussage ist falsch.
Bei höheren Temperaturen bewegen sich die Teilchen tatsächlich schneller. Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen. Diese Energie steigt mit der Temperatur, was zu schnelleren Bewegungen führt.
Die Temperatur ist ein Maß für die innere Energie eines Körpers.
$\Rightarrow$ Diese Aussage ist richtig.
Die Temperatur eines Körpers ist direkt mit der inneren Energie der Teilchen in diesem Körper verbunden: Bei höheren Temperaturen haben die Teilchen mehr kinetische Energie und bewegen sich schneller, was zu einer höheren Gesamtenergie im System führt.
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Berechne die erforderliche Energie zum Aufheizen.
Tipps$80~\ell$ Wasser haben eine Masse von $80~\text{kg}$. Es gilt:
$m=80~\text{kg}$
Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist:
$c=4\,186~\dfrac{\text{J}}{{\text{kg}}\cdot {^\circ\text{C}}}$
Die Temperaturänderung $\Delta \vartheta$ lässt sich so berechnen:
$\Delta \vartheta=40~{^\circ}\text{C} - 16~{^\circ}\text{C}=24~{^\circ}\text{C}$
LösungUm die erforderliche Energie für das Aufheizen des Badewassers zu berechnen, verwenden wir die Formel für die Wärmemenge:
$Q=c \cdot m\cdot \Delta \vartheta$
Dabei ist $Q$ die Wärmemenge in Joule, $c$ die spezifische Wärmekapazität des Wassers in $\frac{\text{J}}{\text{kg}~\cdot~{^\circ}\text{C}}$, $m$ die Masse des Wassers in Kilogramm ($1~\ell$ Wasser hat eine Masse von $1~\text{kg}$) und $\Delta \vartheta$ die Temperaturdifferenz in Grad Celsius (Endtemperatur minus Anfangstemperatur).
Folgende Größen sind gegeben:
- $c=4\,186~\dfrac{\text{J}}{\text{kg}\cdot {^\circ}\text{C}}$
- $m=80~\text{kg}$
- $\Delta \vartheta=40~{^\circ}\text{C} - 16~{^\circ}\text{C}=24~{^\circ}\text{C}$
Jetzt setzen wir die Werte in die Formel ein:
$Q=4\,186~\dfrac{\text{J}}{\text{kg}\cdot {^\circ}\text{C}} \cdot 80~\text{kg}\cdot 24~{^\circ}\text{C}=8\,037\,120~\text{J}$
Die erforderliche Energie beträgt also $8\,037\,120~\text{J}$, was auch als $8{,}037~\text{MJ}$ (Megajoule) geschrieben werden kann.
Das erscheint für dich im ersten Moment vielleicht sehr viel, jedoch betragen die Kosten für die benötigte Energiemenge ungefähr $70$ Cent, also noch nicht einmal einen Euro!
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Gyno‘s Körper ist kälter als der Sand wodurch sein Körper dem Sand die Wärme entzieht und sie aufnimmt. Somit ist ihm warm.
Physikalisch: Sand = Q; GK (Gyno‘s Körper)= Wärme endfänger
Ich finde in dem Video wird etwas zu schnell gesprochen
Der Sand ist heißer als sein Körper😺
Der Sand ist einfach wärmer als der Körper von Gino und aus den Sand kommt Wärmernergie!
Der Sand und die Sonne sind in diesem Fall Q, der Körper von Gino der kältere Körper.