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Grundlagen

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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.
Abb. 1: Temperaturskalen
Abb. 1: Temperaturskalen
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.
  • Abb. 2: Aggregatzustände
    Abb. 2: Aggregatzustände

    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:
    $[c]=1 \dfrac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}}$
    $[c]=1 \dfrac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}}$
    Bildnachweise [nach oben]
    [1]
    © 2016 – SchulLV.
    [2]
    © 2016 – SchulLV.
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