Die Temperatur

Thermische Ausdehnung

Brown'sche Bewegung

Anomalien des Wassers

Wärmeausdehnung und Thermometer
Arten von Temperaturskalen
Die thermische Bewegung der Moleküle
Diffusion
Die Anomalien des Wassers

Wärmeausdehnung und Thermometer 

Für den Physiker ist die Stärke der Molekularbewegung das grundlegende Maß der Temperatur.
Je größer die Geschwindigkeit der Teilchen ist, desto höher ist die Temperatur
Im Alltag allerdings geht man von einer leichter messbaren Größe aus. Fast alle Körper dehnen sich nämlich bei Erwärmen aus, da der Raumbedarf der Moleküle mit steigender thermischer Bewegung wächst. Die Wärmeausdehnung ist daher ebenfalls ein Temperaturmaß und wird zur Konstruktion von Thermometern herangezogen.

Dieses Prinzip macht sich das Flüssigkeitsthermometer zu Nutze. Es besteht aus einem dünnen Rohr, das mit Flüssigkeit (z.B. Quecksilber) gefüllt ist. Quecksilberthermometer sind etwa zwischen -30°C und +300°C, Alkoholthermometer etwa zwischen -100°C und +50°C verwendbar. Eine andere Art des Thermometers ist das Bimetallthermometer ("bi" heißt "zwei"): Eine Spirale aus zwei miteinander verbundenen dünnen Metallstreifen verschiedenen Materials (z.B.: Zink und Kupfer) rollt sich, je nach Temperaturänderung, aus oder ein. Die Bewegung wird auf einen Zeiger übertragen. 
http://www.kfunigraz.ac.at/expwww/physicbox/fhv/fhv_w5.htm

Elektrische Thermometer
http://www.kopfball-online.de/experimente/exp991024_b.html

Arten von Temperaturskalen

Anders Celsius

Temperaturmessung in Celsius In den meisten Ländern Europas ist die Celsiusskala gebräuchlich. Sie geht auf Anders Celsius (1701- 1744), einem schwedischen Astronomen, zurück. Er hat (1742) als erster Eispunkt und Siedepunkt des Wassers als Fixpunkte verwendet und ihnen die Zahlenwerte von 0 und 100 zugeordnet. Celsius hat allerdings den Eispunkt mit 100 und den Siedepunkt mit 0 bezeichnet. Erst später hat man sich auf die umgekehrte Zuordnung geeinigt.  Der Abstand zwischen dem Eispunkt und dem Siedepunkt wird dabei in 100 gleiche Teile geteilt. Ein solcher Teil heißt Grad (°C). In dieser im Alltag üblichen Celsiusskala werden die Temperaturen über null Grad als Plusgrade (+) bezeichnet und die Temperaturen unter null Grad als Minusgrade (-) bezeichnet. Die höchste bisher auf der Erde gemessene Lufttemperatur (San Luis Potosi, Mexiko) betrug +58 °C, die niedrigste (Wostok, Antarktis) lag bei -88°C.

Temperaturmessung in Fahrenheit

Der Deutsche Wissenschaftler Gabriel Daniel Fahrenheit definierte 1714 diese Temperatureinheit. 
Als Nullpunkt legte er die tiefste Temperatur fest, die er erzeugen konnte. Mit einer Kältemischung aus Eis, Wasser und Salmiak erreichte er -17,78 °C. Mit der Wahl dieses Nullpunktes hoffte Fahrenheit negative Temperaturen vermeiden zu können. Als zweiten "Fixpunkt" seiner Skala soll Fahrenheit seine eigene Körpertemperatur gewählt haben, dem er willkürlich die Zahl 100 zuordnete.

Umrechnung Celsius Fahrenheit

100 C° = 180 F° 1 C° = (9/5) F° 1 F° = (5/9) C° TC = (5/9) (TF - 32) TF = (9/5) TC + 32

Temperaturmessung in Kelvin  Die Physiker gebrauchen meist eine andere Temperaturskala, welche in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit der Atome im Gas steht.  Die Verbesserungen der Messtechnik machten die Reproduzierbarkeit der beiden ‚Fixpunkte‘ Gefrier- und Siedepunkt von Wasser zum Problem: vor allem der Siedepunkt ist stark vom Luftdruck abhängig, der seinerseits von der Höhe über dem Meeresspiegel und dem Wetter abhängt.  Man ging deshalb 1954 dazu über, die Temperatureichung nur noch über einen einzigen Fixpunkt, den sogenannten Tripelpunkt des Wassers, vorzunehmen. Dieser ist eindeutig reproduzierbar, da Wasser nur am Tripelpunkt gleichzeitig fest, flüssig und gasförmig ist. Der Druck beträgt am Tripelpunkt 6,105mbar, die Temperatur 0,01°C. Zusammen mit dem absoluten Nullpunkt kann dadurch die absolute Temperaturskala definiert werden:

• Die (absolute) Temperatur in Kelvin (K) beginnt bei 0K am absoluten Nullpunkt.
• Der Tripelpunkt des Wassers hat 273,16K.
• Eine Temperaturdifferenz in K ist stets gleich groß wie die Temperaturdifferenz in °C.
• Es gilt: 
  T_K = T_C + 273,15 [K] bzw. 
  T_C = T_K - 273,15 [°C]

Wasser zum Beispiel gefriert also bei T_K = 273,15 K und siedet bei T_K = 373,15 K (beim
Normdruck p₀ = 1,013 bar). 

Der kälteste Ort in der Natur ist die Tiefe des Weltalls. Die Temperatur dort liegt 3 Grad über dem absoluten Nullpunkt.
Wieso sinkt die Temperatur dort nicht auf den absoluten Nullpunkt?

Es zeigt sich, dass die Hitze, die vom Urknall, der das Universum erschaffen hat, übrig geblieben ist, überall vorhanden ist und das Weltall daran hindert, kälter als 3 Grad Kelvin zu werden. 

Die Messung dieser Temperatur ist unser bester Beweis dafür, dass der  Urknall (Big Bang) wirklich stattgefunden hat. Die Physiker sind jedoch viel besser als die Natur, wenn es darum geht, Gegenstände kalt zu machen. Seit fast einem Jahrhundert können wir Kühlschränke bauen, die Temperaturen unter 3 Grad Kelvin erzeugen, und seit geraumer Zeit können wir sogar unter 1/1000 Kelvin gehen. 

aus: http://www.uni-bonn.de/iap/P2K/bec/temperature.html

Nach heutigem Wissenstand kann der absolute Nullpunkt nicht erreicht werden.

Die höchste Temperatur ist von der Größenordnung 10¹¹ K. Bei einer derartig hohen Temperatur ist die Energie der Teilchen bereits so groß, dass bei Zusammenstößen weitere Teilchen entstehen.

	Celsius °C	Fahrenheit F	Kelvin K
Wasser siedet	100	212	373
Körpertemperatur	37	98	310
Eis schmilzt	0	32	273

http://www.kle.nw.schule.de/rsvoerde/physik/jgs05/ph0516.htm

Umrechnung der Skalen: 

• Kelvin:   T = T_C + 273,15 = 5/9 T_F + 255,37  [K]
• Celsius:   T_C = 5/9 (T_F - 32) = T - 273,15  [°C]
• Fahrenheit:   T_F = 9/5 T_C + 32 = 9/5 T - 459,67  [°F]

Mit Temperatur ist in der Physik immer die Kelvintemperatur T gemeint, wenn nicht ausdrücklich durch die Benennung von °C etwas anderes angegeben ist.

Die thermische Bewegung der Moleküle

Wenn sich ein Gegenstand warm anfühlt, so bewegen sich die Atome darin schnell in zufälligen Richtungen, und wenn der Gegenstand sich kalt anfühlt, so bewegen sich die Atome langsamer. Diese zufälligen Bewegungen geben unserem Körper das Gefühl von warm und kalt, und ein Thermometer zeigt diese atomaren Bewegungen als eine gewisse Anzahl von Grad an.

Wenn ich also einen Gegenstand erwärme, so bewirke ich nur, dass sich dessen Atome schneller bewegen?
Ganz genau. Wenn es sich um einen festen Körper handelt, so schwingen die Atome hin und her, und in einem Gas wie der Luft fliegen die Atome umher wie kleine Kugeln

Die Atome hüpfen also herum, sodass sich jedes Atom manchmal schnell bewegt und manchmal langsam. Es scheint, als würde sich die Temperatur des Gegenstands ständig ändern.
In einer Gruppe von Atomen gibt es eine ganze Palette von Geschwindigkeiten, aber auch dann, wenn sich die Geschwindigkeit eines einzelnen Atoms ändert, so ändert sich die mittlere Geschwindigkeit der ganzen Gruppe nicht. Jedes mal, wenn ein Atom langsamer wird, bewegt sich ein anderes  schneller.  Daher beschreibt die Temperatur eigentlich die Breite der Palette von Geschwindigkeiten der ganzen Gruppe von Atomen. 

Java Applet

aus: http://www.uni-bonn.de/iap/P2K/bec/temperature.html

Die Temperatur eines Körpers ist ein Maß für die thermische Bewegung seiner Atome und Moleküle 
Jedes Atom bewegt sich. Diese Bewegung ist abhängig von Temperatur und Druckverhältnis.

Besonders leicht lässt sich diese Bewegung an Flüssigkeiten beobachten  Brown'sche Bewegung

Diffusion

Das Vermischen von Molekülen ist eine Folge der ungeordneten Molekularbewegung (thermischen Bewegung)
Diffusion tritt sowohl in Gasen und Flüssigkeiten wie in Festkörpern auf. Wegen der großen Beweglichkeit der Gasmoleküle verläuft sie jedoch bei Gasen am schnellsten. In allen Aggregatzuständen ist sie stark temperaturabhängig. 

Eine Diffusion kann nur stattfinden, wenn beide Stoffe ineinander löslich sind, wie etwa Sirup in
Wasser. Lösen sich Stoffe nicht ineinander, wie etwa Wasser und Benzin, können sie auch nicht
ineinander diffundieren.

http://www.chemie.uni-dortmund.de/groups/dc1/diffosmo/diffosmoisoD.htm

Ohne thermische Bewegung müsste auch die Lufthülle unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenstürzen und die Erdoberfläche in einer kompakten Schicht bedecken, die kaum 20m hoch wäre.

Würfeldiffusion von Martin Huber -Tauschbörse Unterricht Unterrichtsmaterial --> Physik --> Arbeitsblätter:)
Würfelspiel zur Veranschaulichung der Tatsache, dass die Diffusion lediglich auf der vollkommenen Zufälligkeit der Bewegung beruht

Anomalien des Wassers