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Temperatur: In Physik und Chemie – einfach erklärt

Kühl oder warm sind vage und individuelle Beschreibungen. Die Temperatur hingegen ist objektiv und genau. Mit dem Thermometer können wir zum Beispiel Fieber messen. Wenn wir Temperatur messen, interessiert uns nicht nur die Körpertemperatur. Wir können die richtige Raumtemperatur zum Heizen oder Kühlen (Wohn- oder Schlafzimmer, Kühlschrank) ermitteln. In der Meteorologie hilft sie uns bei möglichst konkreten Wettervorhersagen. Wie Temperatur definiert ist sowie mehr zu Einheiten, Körper- und Lufttemperatur…



Temperatur: In Physik und Chemie - einfach erklärt

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Was ist Temperatur – einfach erklärt?

Die Temperatur ist eine Zustandsgröße von Körpern, Flüssigkeiten oder Gasen. Sie ist ein objektives Maß, mit dem Sie physikalische und chemische Zustände und Prozesse beschreiben können. Mit ihr lässt sich bestimmen, wie warm oder kalt ein Gegenstand ist. Dazu setzt man physikalischen Geräte ein, beispielsweise wird mit einem Thermometer gemessen. Die Maßeinheit kann Grad oder Kelvin sein.

Bei Luft- und Körpertemperatur ist in Europa die Temperaturangabe in Grad Celsius (°C) üblich. Benannt nach dem schwedischen Astronomen Anders Celsius. Als empirische Temperatur (auch: Celsiustemperatur) verwendet man den griechischen Buchstaben 𝜗 (Theta). Einheit ist ein Grad Celsius (1 °C). Das Formelzeichen T steht für die thermodynamische Temperatur, die SI-Einheit ist Kelvin (K).

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Temperaturskala in Grad Celsius

Celsius teilte die Temperaturskala auf einem Quecksilberthermometer in 100 Teile und definierte zwei Fixpunkte: den Gefrierpunkt für reines Wasser bei 0 °C und den Siedepunkt bei 100 °C. Die Teilstriche zwischen diesen Fixpunkten betragen exakt ein Grad Celsius (entspricht einem Grad Kelvin).

Andere Temperaturskalen und Einheiten

Daneben existieren andere Temperaturskalen wie Kelvin (K), Fahrenheit (F) oder die nicht mehr gebräuchliche Réaumur (R). Benannt sind sie allesamt nach ihren Erfindern (Lord Kelvin, Daniel Fahrenheit, René-Antoine Ferchault de Réaumur). Um Temperaturdifferenzen anzuzeigen, ist in der Physik die SI-Einheit Kelvin gebräuchlich. Die Einheiten auf dem Thermometer sind ebenfalls in Grad eingeteilt. Das heißt, 10 K weniger entspricht ebenso 10 Grad weniger.

Der Nullpunkt der Kelvinskala ist der absolute Nullpunkt. Er liegt bei -273,15 °C (entspricht 0 K). 273,15 K entspricht 0°C, für Berechnungen wird meist der Näherungswert 273 genommen. Während es nach oben keine Grenzen gibt, sind tiefere Temperaturen als -273,15 °C physikalisch unmöglich. In den USA ist die Fahrenheitskala gebräuchlich. Bei Fahrenheit bilden die Temperatur einer Kältemischung und die menschliche Körpertemperatur die Fixpunkte.

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Umrechnung der Einheiten

Die Temperaturskalen bei Kelvin und Celsius sind gleich groß, allerdings aufgrund anderer Fixpunkte verschoben. Für Temperatur gilt das Formelzeichen T und K für die SI-Einheit. Das Formelzeichen für Celsius ist 𝜗 (Theta). Um Kelvin in Celsius umzurechnen, ziehen Sie den Wert 273,15 ab. Wollen Sie Celsius in Kelvin umrechnen, addieren Sie die Zahl 273,15.

Um Celsius zu Fahrenheit umzurechnen, müssen Sie mal 1,8 multiplizieren und anschließend 32 addieren. Umgekehrt müssen Sie von einem Fahrenheitwert 32 substrahieren und anschließend durch 1,8 teilen, um in Celsius umzurechnen. Für die Berechnungen wenden Sie folgende Formeln an:

Temperatur Formelzeichen

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Physik: Teilchenbewegung

Alle Körper – ob Stoffe, Flüssigkeiten oder Gase – sind aus Atomen und Molekülen aufgebaut. Sie lassen sich mithilfe des Teilchenmodells erklären.

  • Feste Körper
    Bei festen Körpern – etwa einem Tisch oder einem Stein – weisen die Teilchen eine regelmäßige Struktur auf. Sie liegen dicht beieinander an einem festen Platz.
  • Flüssigkeiten
    Anders bei Flüssigkeiten: Hier liegen die Teilchen ohne festen Platz dicht beieinander. Sie lassen sich verschieben, allerdings bleibt ihr Abstand zueinander gleich.
  • Gase
    In Gasen besitzen die Teilchen keinen festen Platz. Zudem ist der Abstand zueinander größer als bei festen Körpern und Flüssigkeiten.

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Mit bloßem Auge unsichtbar, befinden diese Teilchen sich in ständiger Bewegung. Steigt die Temperatur an – beispielsweise durch Erhitzung – erhöht das die Energie der Teilchen. Sie bewegen sich dadurch schneller. Umgekehrt werden sie langsamer, wenn die Temperatur abnimmt. Mit der Temperatur eines Stoffes lässt sich seine kinetische Energie bestimmen:

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Aggregatzustand kann sich ändern

Zudem wirkt Temperatur sich auf den Aggregatzustand der Stoffe aus: Flüssiges kann fest oder gasförmig werden oder umgekehrt. Dabei reagieren verschiedene Stoffe bei ein und derselben Temperatur unterschiedlich: Wasser beispielsweise gefriert bei 0 °C (Null Grad Celsius) – das ist auch gleichzeitig der Schmelzpunkt. Es kocht hingegen bei 100 Grad (Siedepunkt). Gase dehnen sich im Vergleich zu Flüssigkeiten stärker bei gleicher Hitze aus. Die Teilchenbewegung liefert zudem eine Erklärung für den oben genannten absoluten Nullpunkt. Das ist die Temperatur, in der keine Bewegung mehr stattfindet.

Wärmeübertragung

Wärme ist eine Form der Energie. Berühren sich zwei unterschiedlich temperierte Gegenstände, findet eine Temperaturangleichung statt. Dabei fließt Energie vom wärmeren Gegenstand zum kühleren. Die erhitzten, schnelleren Teilchen stoßen die kühleren langsameren Teilchen an, so dass diese sich ebenfalls bewegen. Dieser Vorgang Temperaturangleichung nennt sich Wärmeleitung. Neben der Wärmeleitung gibt es noch zwei andere Arten der Wärmeübertragung, Konvektion und Wärmestrahlung.

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Temperatur messen mittels Messgeräte

Mit diversen Messgeräten lässt sich die Temperatur messen. Je nach Einsatzbereich existieren verschiedene Thermometer:

Gas- oder Flüssigkeitsthermometer

Es handelt sich hierbei um Ausdehnungsthermometer, die aus einem Thermometergefäß, einem dünnen Anzeigeröhrchen und einer Skala bestehen. Der Messbereich liegt zwischen -20 °C und +50 °C. In dem Röhrchen befindet sich Quecksilber oder gefärbter Alkohol. Wasser ist aufgrund seines Gefrierpunkts bei 0 °C ungeeignet. Diese Thermometer zeigen steigende Temperaturen durch einen Anstieg der Flüssigkeit im Anzeigeröhrchen an. Das Volumen der Flüssigkeit dehnt sich dann entsprechend aus. Wird es kälter, verringert sich das Volumen. Problem bei Quecksilber: Es ist giftig und reagiert träge. Daher gibt es weitere Methoden zur Temperaturmessung.

Bimetallthermometer

Diese zeigen die Temperatur anhand einer Krümmung an. In dem Thermometer sind zwei Metalle (Bimetall) miteinander verbunden, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Das heißt: Sobald sich die Temperatur ändert, reagieren diese Metalle. Sie dehnen beziehungsweise ziehen sich unterschiedlich stark aus und führen zu einer Krümmung. Diese wird durch einen mechanischen Zeiger angezeigt. Nachteil von Bimetallthermometern: Sie sind sehr ungenau, Abweichungen um bis zu 10 Prozent muss man einkalkulieren.

Elektronische Sensoren

Die Temperaturmessung bei elektronischen Thermometern erfolgt mittels spezieller Sensoren. Sie erfassen Änderungen von physischen Eigenschaften. Manche Temperatursensoren funktionieren mit Berührung, andere berührungslos. Letztere ermitteln die Wärmestrahlung einer Wärmequelle aus der Entfernung – oft unter gefährlichen Bedingungen. Bei elektronischen Thermometern sitzt ein Halbleiter als Sensor an der Spitze. Das Thermometer funktioniert, indem es die Veränderung des Widerstandes eines elektrischen Halbleiters in Bezug zur Temperatur anzeigt.

Thermofarben

Neben der mechanischen und elektronischen Messung gibt es noch den Effekt der Thermochromie. Bestimmte Substanzen verfügen über die Eigenschaft, bei Erwärmung ihre Farbe zu ändern. Kühlen sie ab, nehmen sie ihre Ausgangsfarbe an. Diese Stoffe nennen sich Thermofarben oder auch Thermolacke. Der große Vorteil: Sie ermöglichen eine schnelle optische Kontrolle und die Temperaturanzeige ist auch ohne Berührungen möglich. Im Alltag ist dieser Effekt beispielsweise von Kaffeetassen bekannt: Wird heißer Kaffee hineingegossen, verändert sich das Motiv. Kühlt der Kaffee ab beziehungsweise ist die Tasse wieder leer, wechselt sich die Oberfläche zurück zum ursprünglichen Motiv. Verursacht werden diese Farbveränderungen durch Änderungen in der Kristallstruktur.

Gefühlte Temperatur versus absolute Temperatur

Hohe Temperaturen bezeichnet man als warm oder heiß, niedrige als kühl oder kalt. Wie ein Mensch etwas empfindet, ist aber oft subjektiv. Während einer bereits unter der Hitze im Sommer stöhnt, fühlt ein anderer sich absolut wohl. Gefühlte Temperatur und absolute Temperatur sind also nicht unbedingt identisch.

Abhängig ist das beispielsweise von Wind. Die gefühlte Temperatur liegt dann niedriger als bei Windstille. Somit kann das Empfinden stark von der tatsächlichen Temperatur abweichen. Der Effekt nennt sich bei niedrigen Temperaturen unter Null Grad Windchill, bei höheren Hitzeindex. Um Verfälschungen zu vermeiden, messen Thermometer Lufttemperatur immer im Schatten.

Temperaturempfinden beim Menschen

Über die Haut kann der Mensch nur Temperaturen zwischen 5 und 40 Grad fühlen. Abhängig ist dieses Wärmeempfinden vom Wärmestrom, welchen die oberflächlich liegenden Thermorezeptoren der Haut unterschiedlich stark wahrnehmen. Alles was oberhalb der Oberflächentemperatur der Haut liegt, empfinden wir als warm, alles was darunter liegt als kalt. Daher spricht man von gefühlter Temperatur.

Nicht nur Wind und Schatten wirken sich auf das Temperaturempfinden aus, sondern auch Luftfeuchtigkeit, Bekleidung, körperliche Betätigung und Material. Materialen mit hoher Wärmeleitfähigkeit (beispielsweise Metalle) bewirken höhere Wärmeströme. Sie fühlen sich daher wärmer oder kälter als solche mit niedriger Wärmeleitfähigkeit an (zum Beispiel Holz oder Plastik). Allerdings ist auch die gefühlte Temperatur subjektiv. Um für Wettervorhersagen eine Art Durchschnittstemperatur zu geben, greift der Deutsche Wetterdienst auf das Klima-Michel-Modell zurück.

Was ist die Temperatur eines Körpers?

Die Temperatur des menschlichen Körpers liegt bei 37 Grad Celsius. Sie gilt als Kern- beziehungsweise Normaltemperatur und signalisiert, dass alles in Ordnung ist. Denn ein Anstieg der Körpertemperatur ist immer Zeichen einer Abwehrreaktion: Die erhöhte Körpertemperatur dient dazu, Krankheitserreger wie Viren, Bakterien und andere Parasiten zu bekämpfen.

Erhöhte Temperatur + Fieber

Folgender Überblick zeigt, welche Körpertemperatur noch gesund ist und welche bereits erhöhte Temperatur beziehungsweise Fieber anzeigt:

  • 36,5°C – 37,4°C: Normaltemperatur
  • 37,5°C – 38,0°C: Subfebrile Temperatur
  • 38,1°C – 38,5°C: Leichtes Fieber
  • 38,6°C – 39,0°C: Mäßiges Fieber
  • 39,1°C – 39,9°C: Hohes Fieber
  • 40,0°C – 42,0°C: Sehr hohes Fieber

Temperatur für Wohnbereiche

Ob jemand seine Umgebung warm oder kalt empfindet, beeinflusst maßgeblich das Wohlbefinden. Im Winter spielen die richtigen Temperaturen eine wichtige Rolle für Schlafzimmer und Wohnzimmer. Aber auch im Kühlschrank darf es nicht zu warm sein, da sonst Speisen verderben.

  • Schlafzimmer
    Im Schlafzimmer halten Sie sich für gewöhnlich nur nachts auf. Hier gelten als Richtwert für Erwachsene 17 Grad.
  • Wohnzimmer
    Für Wohnzimmer empfiehlt sich eine Raumtemperatur um die 20 Grad, für andere Räume etwa 18 Grad – zumindest, wenn Sie Heizkosten senken wollen.
  • Kühlschrank
    Im mittleren Fach sollte es 5 bis 7 Grad kühl sein, um die Lebensmittel frisch zu halten.

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[Bildnachweis: Karrierebibel.de]

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