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Physik · Wärmelehre
Temperatur als mittlere Teilchenbewegung, der Unterschied zu Wärme und Innerer Energie, die Skalen Celsius, Kelvin und Fahrenheit und die Wärmeausdehnung.
Temperatur misst, wie heftig sich Teilchen im Mittel bewegen. Wärme ist Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds fließt. Ein Körper hat Temperatur, aber keine Wärme.
| Größe | Einheit | Was ist das? |
|---|---|---|
| Temperatur T | K (°C) | mittlere Teilchenbewegung, hat der Körper |
| Innere Energie U | J | gesamter Energievorrat, hat der Körper |
| Wärme Q | J | Energie unterwegs, wird übertragen |
Stell dir Wasser in Behältern vor. Die Temperatur ist der Wasserstand, die Innere Energie die Wassermenge im Behälter, die Wärme das Wasser, das durch ein Rohr zwischen zwei Behältern fließt. Es fließt immer vom höheren zum niedrigeren Stand.
Temperatur ist proportional zur mittleren kinetischen Energie pro Teilchen, nicht zur gesamten. Wie sich die Teilchen bewegen, hängt vom Zustand ab:
| Zustand | Bewegung der Teilchen |
|---|---|
| fest | schwingen um ihre Ruhelage, Platz bleibt |
| flüssig | schwingen und gleiten, stoßen oft |
| gasförmig | fliegen frei, stoßen selten |
Wird es wärmer, schwingen Festkörperteilchen mit größerer Amplitude und Gasteilchen fliegen schneller.
Die Temperatur steigt durch Wärme, aber auch durch Arbeit, etwa beim Händereiben oder Aufpumpen eines Reifens. Beides ändert die Innere Energie.
Berührst du zwei Körper, gleichen sich ihre Temperaturen an, bis netto keine Wärme mehr fließt: thermisches Gleichgewicht. Der Nullte Hauptsatz macht daraus die Grundlage jedes Thermometers. → Ausführlich in: Hauptsätze der Wärmelehre
| Skala | Wasser gefriert | Wasser siedet |
|---|---|---|
| Celsius | 0 °C | 100 °C |
| Kelvin | 273,15 K | 373,15 K |
| Fahrenheit | 32 °F | 212 °F |
Ein Kelvin ist genauso groß wie ein Grad Celsius, nur der Nullpunkt ist verschoben. Eine Differenz von 7 K sind also 7 °C. Rechne mit 273: 37 °C sind 310 K, und 100 K sind −173 °C. Eine Fahrenheit-Stufe ist kleiner: 1 K entspricht 1,8 °F.
°C = (°F − 32) · 5/9Kontrolle: 98,6 °F → 66,6 · 5/9 = 37 °C
0 K = −273,15 °C ist die tiefste mögliche Temperatur, dort ist die Teilchenbewegung am kleinsten. Negative Kelvin-Werte gibt es nicht. → Ausführlich in: Absolute Temperatur
Fast alle Festkörper und Flüssigkeiten dehnen sich beim Erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Die Teilchen schwingen stärker und brauchen mehr Platz, das Volumen wächst, die Dichte sinkt. Eine Ausnahme ist Wasser zwischen 0 und 4 °C. → Ausführlich in: Anomalie des Wassers
ΔL = α · L₀ · ΔTLängenänderung; α = Ausdehnungskoeffizient des Stoffs
Beispiel: Eine 10 m lange Stahlschiene (α ≈ 12 · 10⁻⁶ 1/K) wird um 30 K wärmer. Sie wächst um 12 · 10⁻⁶ · 10 · 30 = 0,0036 m, also 3,6 mm. Darum haben Brücken und Gleise Dehnungsfugen.
Darauf beruhen Thermometer: Eine Flüssigkeit (Quecksilber, Alkohol) steigt im Röhrchen, ein Bimetall aus zwei Metallen biegt sich, weil sie sich verschieden stark ausdehnen. Gase dehnen sich am stärksten aus. → Ausführlich in: Gay-Lussac
Wie stark sich ein Körper erwärmt, hängt von seiner Wärmekapazität ab: Wasser braucht pro kg und K rund viermal so viel Wärme wie Aluminium. → Ausführlich in: Aggregatzustände der Materie
Interaktive Darstellung
Deine AufgabeStelle ΔT = 50 K ein: Wie viel Wärme braucht 1 kg Wasser, wie viel 1 kg Aluminium – und warum der Unterschied?
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeWie viel Kelvin sind 37 °C? Und warum gibt es keine negativen Kelvin-Werte?
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
