Grundlagen der Wärmelehre: Temperatur, Ausdehnung und Wärme

Temperatur und ihre Messung

Temperatur

Die Temperatur ist die messbare Manifestation der kinetischen Energie von Molekülen. Sie misst den thermischen Zustand eines Körpers. Je größer die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle ist, desto höher ist die Temperatur.

Auswirkungen einer Temperaturänderung:

• Thermische Ausdehnung eines Körpers
• Änderung des elektrischen Widerstands
• Druckänderung (bei Gasen)

Thermometer

Ein Thermometer ist ein Gerät, das zur Messung von Temperaturen verwendet wird. Es funktioniert nach dem Prinzip des thermischen Gleichgewichts: Das Thermometer nimmt die gleiche Temperatur an wie das Objekt, mit dem es in Kontakt ist.

Ein klassisches Fieberthermometer besitzt eine Engstelle, die verhindert, dass die Quecksilbersäule von selbst wieder sinkt. Es ist üblicherweise zwischen 35 °C und 42 °C skaliert und zeigt die maximal erreichte Temperatur an.

Temperaturskalen

• Celsius-Skala (°C): Weit verbreitete Skala, bei der der Gefrierpunkt von Wasser bei 0 °C und der Siedepunkt bei 100 °C liegt.
• Kelvin-Skala (K): Dies ist die absolute Temperaturskala der Physik. Ihr Nullpunkt (0 K) entspricht dem absoluten Nullpunkt bei –273,15 °C, dem kältesten möglichen thermischen Zustand. Umrechnung: K = °C + 273,15.
• Fahrenheit-Skala (°F): Auf dieser Skala entspricht 0 °C 32 °F und 100 °C entsprechen 212 °F.

Wärmeausdehnung von Körpern

Eine Auswirkung der Temperaturänderung eines Körpers ist die Veränderung seiner Abmessungen. Dieses Phänomen wird als Wärmeausdehnung (oder Dilatation) bezeichnet.

Die Ausdehnung hängt ab von:

• der Temperaturänderung
• dem ursprünglichen Volumen des Körpers
• der chemischen Beschaffenheit des Körpers (z. B. dehnt sich Metall stärker aus als Kunststoff)

Der Ausdehnungskoeffizient beschreibt die relative Längen-, Flächen- oder Volumenänderung pro Grad Temperaturänderung.

Ausdehnung von Flüssigkeiten

Die Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten folgt ähnlichen Gesetzen wie die von Festkörpern. Die Volumenänderung ist direkt proportional zum Anfangsvolumen und zur Temperaturänderung. Bei der Messung muss jedoch beachtet werden, dass sich auch das Gefäß, in dem sich die Flüssigkeit befindet, ausdehnt. Daher ist die beobachtete (scheinbare) Ausdehnung der Flüssigkeit geringer als ihre tatsächliche (absolute) Ausdehnung.

Die Anomalie des Wassers

Wasser verhält sich bei der Erwärmung untypisch: Wenn man Wasser von 0 °C erwärmt, zieht es sich zunächst zusammen, bis es bei 4 °C seine maximale Dichte erreicht. Erst bei weiterer Erwärmung dehnt es sich aus. Dieses besondere Verhalten wird als Anomalie des Wassers bezeichnet und hat wichtige Auswirkungen auf das Leben in Gewässern:

• Wenn im Herbst die Luft abkühlt, kühlt auch die Wasseroberfläche eines Sees ab. Dieses kältere, dichtere Wasser sinkt nach unten.
• Dieser Prozess setzt sich fort, bis der gesamte See eine Temperatur von 4 °C erreicht hat.
• Kühlt die Oberfläche nun weiter unter 4 °C ab, wird das Wasser wieder leichter (weniger dicht) und bleibt an der Oberfläche.
• Bei 0 °C gefriert die Oberfläche. Da Eis eine geringere Dichte als Wasser hat, schwimmt es oben und bildet eine isolierende Schicht.
• Diese Eisschicht schützt das tiefere Wasser, das bei lebensfreundlichen 4 °C bleibt, und ermöglicht so das Überleben von Wasserlebewesen im Winter.

Wärme und Kalorimetrie

Was ist Wärme?

Wärme ist die Energie, die aufgrund einer Temperaturdifferenz von einem Körper auf einen anderen übertragen wird.

Thermisches Gleichgewicht

Befinden sich zwei Körper in thermischem Kontakt und es findet kein Wärmefluss zwischen ihnen statt, so sind sie im thermischen Gleichgewicht. Sie haben dann die gleiche Temperatur.

Kalorimetrie: Wärmemessung

Die Kalorimetrie ist der Bereich der Physik, der sich mit der Messung von Wärmemengen befasst. Das Messgerät dafür ist ein Kalorimeter. Mit ihm kann die spezifische Wärmekapazität von Stoffen bestimmt werden. Ein Bombenkalorimeter wird verwendet, um die bei einer Verbrennung freigesetzte Energie zu messen, beispielsweise den Brennwert von Lebensmitteln oder Treibstoffen.

Wärmemenge und spezifische Wärme

Die Wärmemenge (Q), die benötigt wird, um die Temperatur eines Stoffes zu verändern, hängt von der Masse (m), der Temperaturänderung (ΔT) und der spezifischen Wärmekapazität (c) des Stoffes ab. Sie wird wie folgt berechnet:

Die Einheit der Wärme ist das Joule (J), historisch auch die Kalorie (cal): Eine Kalorie ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser von 14,5 °C auf 15,5 °C zu erhöhen.

Die spezifische Wärmekapazität (c) ist eine Stoffeigenschaft. Sie gibt an, wie viel Wärme erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm eines Stoffes um 1 °C (bzw. 1 K) zu erhöhen.

Die Einheit ist:

Grundprinzip der Kalorimetrie

In einem thermisch isolierten System ist die von einem wärmeren Körper abgegebene Wärme gleich der vom kälteren Körper aufgenommenen Wärme.

Formen der Wärmeübertragung

Wärme kann auf drei Arten übertragen werden:

Wärmeleitung (Konduktion)

Hierbei wird Wärmeenergie durch direkten Kontakt von Teilchen zu Teilchen weitergegeben, ohne dass sich die Materie selbst bewegt. Beispiel: Hält man ein Ende eines Metallstabs ins Feuer, erwärmt sich nach einiger Zeit auch das andere Ende.

Wärmeströmung (Konvektion)

Diese Art der Wärmeübertragung findet in Flüssigkeiten und Gasen statt. Erwärmte, leichtere Materie steigt auf, während kältere, dichtere Materie absinkt. Es entsteht ein Kreislauf. Beispiel: Das Erhitzen von Wasser in einem Topf.

Wärmestrahlung

Wärme wird durch elektromagnetische Wellen (Infrarotstrahlung) übertragen und benötigt keinen materiellen Träger. Sie kann sich auch im Vakuum ausbreiten. Beispiel: Die Wärme der Sonne, die die Erde erreicht, oder die Wärme eines Heizstrahlers.

Zustandsänderungen und Phasenübergänge

Während einer Zustandsänderung (z. B. Schmelzen oder Sieden) wird die zugeführte Energie vollständig dafür verwendet, die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen zu überwinden. Aus diesem Grund bleibt die Temperatur des Stoffes während des gesamten Phasenübergangs konstant.

Die für eine Zustandsänderung benötigte Wärmemenge wird mit folgender Formel berechnet:

Latente Wärme

Die latente Wärme (L) ist die Energiemenge, die benötigt wird, um bei 1 Gramm (oder 1 kg) eines Stoffes eine Zustandsänderung herbeizuführen, ohne dass sich die Temperatur ändert. Ihr Wert hängt vom Stoff und von der Art der Zustandsänderung ab (z. B. Schmelzwärme, Verdampfungswärme).

Die sechs Phasenübergänge

• Von fest zu flüssig: Schmelzen
• Von flüssig zu fest: Erstarren (Gefrieren)
• Von flüssig zu gasförmig: Verdampfen (Sieden)
• Von gasförmig zu flüssig: Kondensieren
• Von fest zu gasförmig: Sublimieren
• Von gasförmig zu fest: Resublimieren