Temperatur
Die
Temperatur wird im alltäglichen Gebrauch dazu verwendet, um zu sagen wie warm oder kalt ein Körper ist. Bei einem Körper kann es sich hierbei um eine Flüssigkeit, einen festen Körper oder um ein Gas handeln. In der Physik wird die
Temperatur nun etwas genauer definiert. Die Temperatur ist eine
physikalische Größe und bezeichnet die
Heftigkeit der Bewegungen der kleinsten Teilchen in einem Körper. Somit gibt die
Temperatur die
kinetische Energie der kleinsten Teilchen in einem Körper an.
Es gilt, umso
schneller sich die Teilchen in einem Körper bewegen, desto
höher ist dessen Temperatur.
Temperaturskalen
In der Physik verwenden wir meist die Temperaturskalen
Celsius und
Kelvin.
Für das Betrachten der Skalen gehen wir davon aus, dass wir uns in der Umgebung auf der Erde befinden, also alle Stoffe dem Normaldruck auf der Erde ausgesetzt sind.
In der
Celsius Skala entspricht die Temperatur, bei der Wasser gefriert, $0\,°\text{C}$ und die Temperatur, bei der Wasser anfängt zu kochen, $100\,°\text{C}$. Die Temperaturen dazwischen sind linear in Abschnitte unterteilt. Auch Temperatur darüber und darunter können damit bestimmt werden.
Die
Kelvin Skala hat die gleiche Unterteilung wie die Celsiusskala. Allerdings ist sie um etwa $273\,^{\circ}\text{C}$ verschoben. $0\,\text{K}$ entspricht dem
absoluten Nullpunkt, das ist die tiefstmögliche Temperatur. Dementsprechend gefriert Wasser bei $273\,\text{K}$ und kocht bei $373\,\text{K}$.
Aggregatzustände
Wie wir bereits beim Thema
Temperatur gelernt haben, ist die Bewegung der Teilchen in einem Stoff abhängig zur Temperatur. Dies bedeutet, dass umso höher die Temperatur eines Stoffes ist, desto heftiger sich auch die Teilchen in einem Stoff bewegen.
Fest:
Beim festen Aggregatzustand können sich die Atome in einem Molekül zwar leicht bewegen, aber ihre Positionen können sie nicht untereinander tauschen. Die Atome sind fest an ihrem Platz in einem Gitter.
flüssig:
Beim flüssigen Aggregatzustand können sich die Atome bzw. die Moleküle stärker bewegen und können somit ihre Position untereinander tauschen. Sie sitzen in keinem Gitter mehr, sind aber trotzdem weiterhin dicht nebeneinander.
gasförmig:
Beim gasförmigen Aggregatzustand können sich die Atome frei bewegen, sie sind sehr weit voneinander entfernt und berühren sich nur noch selten.
Wärmekapazität
Die
Wärmekapazität ist das Verhältniss der
zugeführten Wärmemenge auf einen Stoff und der damit verbundenen
Temperaturänderung $\Delta T$ des Stoffes. Näherungsweise betrachten wir die
Wärmekapazität unabhängig von der Temperatur. In Wirklichkeit ist die
Wärmekapazität abhängig von der Temperatur. Das heißt, sie verändert sich innerhalb der Temperaturänderung. Für unsere Rechnungen nehmen wir an, dass die
Wärmekapazität $C$ immer gleich ist. Die
zugeführte Wärmemenge $\Delta Q$ wird hierbei in der Einheit
Joule J angegeben.
$C=\dfrac{\Delta Q}{\Delta T}$
$C=\dfrac{\Delta Q}{\Delta T}$
Einheit der
Wärmekapazität:
$[C]=1 \dfrac{\text{J}}{\text{K}}$
$[C]=1 \dfrac{\text{J}}{\text{K}}$
Die Einheit der
Wärmekapazität ist also
Joule pro
Kelvin.
Mit der
Wärmekapazität kann man aber noch keine Aussage über einen bestimmten Körper machen, da die Wärmekapazität ohne die
Masse des Körpers berechnet wird. Wie euch bestimmt schon aufgefallen ist, braucht beispielsweise ein Liter Wasser länger bis es anfängt zu kochen, als ein halber Liter Wasser. Dies liegt daran, dass ein Liter Wasser eine
größere Masse besitzt und man deshalb mehr
Wärme zuführen muss, um es auf dieselbe
Temperatur zu erhitzen. Deshalb haben Physiker die
spezifische Wärmekapazität eingeführt. Die
spezifische Wärmekapazität gibt somit an, welche
Wärmemenge zugeführt werden muss, um ein beliebiger Stoff mit der Masse von $1 \text{kg}$ um $1\,^{\circ}\text{C}$ zu erwärmen. Die
zugeführte Wärmemenge wird in der Einheit Joule (J) angegeben.
Mit der jeweilgen
spezifischen Wärmekapazität, der
Masse $m$ und der
Temperaturdifferenz kann man nun die
zugeführte Energie auf einen Körper berechnen.
$\Delta Q=c \cdot m \cdot \Delta T$
Einheit der
spezifischen Wärmekapazität:
$[c]=1 \dfrac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}}$
$[c]=1 \dfrac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}}$
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