Flüssigkeitsthermometer Bimetallthermometer Gasthermometer Celsius Fahrenheit

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1 Wärme Ob etwas warm oder kalt ist können wir fühlen. Wenn etwas wärmer ist, so hat es eine höhere Temperatur. Temperaturen können wir im Bereich von etwa 15 Grad Celsius bis etwa 45 Grad Celsius recht gut unterscheiden. - Allerdings ist unser Temperaturempfinden davon abhängig, welchen Temperaturen wir vorher ausgesetzt waren. Um Temperaturen zuverlässig messen zu können benötigen wir Thermometer. Es gibt viele verschiedene Arten von Thermometern. Flüssigkeitsthermometer nutzen die Ausdehnung von Flüssigkeiten bei Erwärmung, um die Temperatur zu bestimmen. Bimetallthermometer nutzen die unterschiedliche Ausdehnung von zwei Feststoffen bei Temperaturänderungen, um die Temperatur anzuzeigen, dabei biegt sich bei Erwärmung die Seite weiter nach außen, die sich mehr ausdehnt, bei einer Abkühlung biegt sich die Seite nach weiter nach außen, die sich weniger zusammenzieht. Gasthermometer nutzen die Volumenänderung eines Gases bei Temperaturänderungen, um die Temperatur zu bestimmen. Es gibt noch weitere Arten die Temperatur zu bestimmen, zum Beispiel Thermo-Meßstreifen, bei denen temperaturabhängige chemische Reaktionen Farbänderungen hervorrufen oder die Pyrometrie, bei der das von einem Körper abgestrahlte Licht untersucht wird und aufgrund der Zusammensetzung (Intensität und/oder Farbe) die Temperatur bestimmt werden kann. Es sind heute mehrere Temperaturskalen in Gebrauch die wichtigsten sind Grad Celsius, Kelvin und Grad Fahrenheit. Die Temperaturskala von Celsius wird wie folgt bestimmt. Den Nullpunkt der Skala bildet die Schmelztemperatur von Eis (0 Grad) und die Siedetemperatur von Wasser bildet die 100 Grad Marke. Die Schmelztemperatur von Eis ist gegenüber Luftdruckschwankungen relativ unempfindlich, wohingegen die Siedetemperatur von Wasser stark vom Luftdruck abhängt. Die 100 Grad der Siedetemperatur werden nur bei einem Luftdruck von 1013 mbar erreicht. Ist der Luftdruck niedriger, so siedet das Wasser früher, ist der Luftdruck höher, so siedet das Wasser später. Bei der Fahrenheit Skala wird als 0 Punkt eine Mischung aus Salz und Eis und Wasser benutzt (eine Mischung von etwa drei Gewichtseinheiten Eis/Wasser mit je einer Einheit Salz), die in etwa eine Temperatur von -17,8 Grad Celsius besitzt als 96 Grad Fahrenheit Marke wurde die Temperatur unter der Achsel oder im Mund eines gesunden Menschen 1

2 verwendet. Bei der Kelvinskala schließlich wird der Nullpunkt dadurch bestimmt, dass bei dieser Temperatur jede Teilchenbewegung aufhört. Der Abstand von einem Grad zum nächsten ist genauso groß, wie bei der Celsiusskala. In den Naturwissenschaften wird hauptsächlich mit der Kelvinskala gearbeitet. Wie kann man zwischen den Temperaturskalen umrechnen? Gehen wir von Grad Celsius aus, so ergibt sich die Temperatur in Fahrenheit und Kelvin wie folgt: T Fahrenheit =T Celsius 1,8+32 T Kelvin =T Celsius +273,15 Was ist Wärme? Die Definition der Kelvin Skala hat uns da schon einen Hinweis gegeben. Temperatur ist nichts anderes als ungeordnete Teilchenbewegung. Wenn wir sehr kleine Teilchen z.b. Bruchteile von Pollenkörnern in eine Flüssigkeit bringen und dann beobachten, so können wir kleine zufällige Bewegungen wahrnehmen (z.b. mit Hilfe eines Mikroskopes). Diese Bewegung nennt man nach ihrem Entdecker Brownsche Bewegung. Wenn wir diese Bewegungen bei verschiedenen Temperaturen betrachten, so kann man sehen, dass die Bewegungen stärker werden, je höher die Temperatur der Flüssigkeit ist. Die Brownsche Bewegung kommt dadurch zustande, dass die sich bewegenden Teilchen des Wassers gegen die Pollenbruchstücke stoßen, je nachdem aus welcher Richtung mehr oder heftigere Stöße kommen bewegen sich die Bruchstücke. Da es Zufall ist, aus welcher Richtung mehr oder heftigere Stöße erfolgen, bewegen sich die Pollenteilchen mit zufälligen Geschwindigkeiten in zufällige Richtungen. Wird es wärmer, so bewegen sich die Teilchen stärker und stoßen stärker und heftiger mit den Pollenstückchen zusammen. Die Pollenstückchen bewegen sich stärker. 2

3 Ausdehnung eines Körpers bei Temperaturerhöhung : Da wir nun wissen, dass Wärme nichts anderes als ungeordnete Teilchenbewegung ist, können wir die Ausdehnung von Körpern bei einer Erwärmung leicht verstehen. Festkörper dehnen sich bei Erwärmung aus, weil die einzelnen Atome und Moleküle auf ihren Plätzen schwingen und zwar schwingen sie um so stärker, je höher die Temperatur ist. Um so stärker sie schwingen, um so mehr Platz benötigen sie um die Schwingung durchzuführen, deshalb dehnen sie Festköper aus, wenn sie sich erwärmen. Bei Flüssigkeiten ist das ganz ähnlich, nur können bei Flüssigkeiten sich nicht nur die Moleküle auf ihren Plätzen schwingen, sondern sich auch aneinander vorbei schieben. Flüssigkeiten dehnen sich deshalb in der Regel bei Erwärmung stärker aus als Festkörper. Achtung es gibt aber Ausnahmen von dieser Regel, so wird z.b. das Volumen von Wasser im Bereich von 0 Grad Celsius bis 4 Grad Celsius beim erwärmen kleiner, erst über 4 Grad Celsius verhält sich Wasser normal. Dieses Zusammenziehen des Wassers wird deshalb auch als Anomalie des Wassers bezeichnet. Bei Gasen schließlich ist Platz zwischen den Molekülen, so dass diese sich frei Bewegen können, stärkere Bewegung bedeutet hier, dass jedes Molekül heftiger mit den anderen zusammen stößt und deshalb mehr Raum einfordert. Ein Gas dehnt sich bei Erwärmung stark aus. Aggregatzustände Wir kennen die Aggregatzustände Fest, Flüssig und Gasförmig. Im en Aggregatzustand sind alle Moleküle miteinander verbunden. Wärme lässt im Festkörper Moleküle um ihren Platz im Festkörper schwingen. Im flüssigen Aggregatzustand liegen die Moleküle dicht beieinander, sind aber nur leicht miteinander verbunden, so dass sie sich aneinander vorbei schieben können. Wärme bewirkt, dass sich ganze Molekülgruppen bewegen und aneinander vorbei schieben. Um so wärmer es wird, um so kleiner und leichter beweglich werden die Molekülgruppen. Bei Gasen schließlich sind die Moleküle nicht miteinander verbunden. Es ist Platz zwischen den einzelnen Molekülen. Die Moleküle schwirren umher, stoßen zusammen und setzen dann ihren Weg fort, wie Billardkugeln oder Murmeln, die zusammenstoßen. Wichtig ist, dass die einzelnen Moleküle unterschiedliche Geschwindigkeiten besitzen, die Geschwindigkeiten aber mit steigender Temperatur steigen. Stoffe können von einem Aggregatzustand in einen anderen übergehen, einen solchen 3

4 Übergang nennt man Phasenumwandlung. Die einzelnen Übergänge werden wie folgt bezeichnet: schmelzen flüssig verdampfen kondensieren flüssig erstarren sublimieren resublimieren Übergang von einem Aggregatzustand zu einem anderen: Wenn wir und ansehen bei welchen Temperaturen ein Körper, flüssig oder ist, dann stellen wir, bei niedrigen Temperaturen ist er, nach einiger Erwärmung wird er flüssig und nach weiterer Erwärmung schließlich. Beim Schmelzen wird die Bewegungsenergie der Moleküle so groß, dass die en Verbindungen geschwächt werden und sich einzelne Moleküle oder ganze Molekülblöcke aneinander vorbei schieben können. Beim Verdampfen ist die Bewegungsenergie der einzelnen Moleküle so groß, dass die Kräfte, die die Moleküle zusammenhalten ganz überwunden werden und sich die Moleküle voneinander trennen. Beim Kondensieren sind die Moleküle eines Stoffes so langsam, dass, wenn sie aneinander Stoßen, sie nicht die Kraft haben sich wieder voneinander zu lösen. Beim Erstarren werden die Moleküle so langsam, dass die Kräfte zwischen den Molekülen stark genug sind um diese an einem en Platz zu halten. Beim Sublimieren schaukelt sich die Schwingung einzelner Moleküle an der Oberfläche eines Festkörpers so auf, dass sie schnell genug werden um die Kräfte die sie im Festkörper halten zu überwinden und vom Festkörper weg zu fliegen. Beim Resublimieren schließlich stoßen Gasmoleküle so langsam mit einem Festkörper zusammen, dass sie nach dem 4

5 Zusammenprall nicht mehr die Bewegungsenergie haben sich wieder voneinander zu trennen und an einer en Position an den Festkörper angebaut werden. Wärmetransport: Man unterscheidet drei Arten der Wärmeübertragung: 1. Konvektion Wärme wird mit einem Stoff transportiert. Warme Luft steigt auf und führt dabei ihre Wärme mit sich. 2. Wärmeleitung Wärme wird von einem Molekül an ein anderes weitergegeben, sei es über Stöße in Gasen oder über die verbindenden Kräfte in Festkörpern und Flüssigkeiten. 3. Wärmestrahlung Wärme wird durch Strahlung z.b. Wärmestrahlung oder Licht übertragen. Schwarze Körper emittieren mehr Strahlung als weiße Körper mit der gleichen Temperatur, aber dunkle Körper nehmen auch mehr Strahlung auf als helle. Die Wärmestrahlung aller Körper nimmt mit steigender Temperatur zu. Temperaturänderungen: Führt man einem Köper oder Gas konstant gleiche Mengen an Wärme zu, so steigt seine Temperatur linear an, nur bei Phasenumwandlungen bleibt die Temperatur so lange konstant bis der ganze Stoff die Phasenumwandlung durchgemacht hat. Wärme kann man einem Köper durch verschiedene Mechanismen zuführen, z.b. durch die drei oben genannten Formen der Wärmeübertragung, aber man kann Wärme auch erzeugen, z.b. durch Reibung, Elektrizität oder chemische Reaktionen. Mischen von Stoffen mit unterschiedlicher Temperatur: Werden zwei Stoffe mit unterschiedlichen Temperaturen gemischt, so hat das Gemisch eine Temperatur die zwischen den Temperaturen der Ausgangsstoffe liegt. Mischt man zwei Mengen des gleichen Stoffes der aber eine Unterschiedliche Temperatur hat, so ergibt sich die Temperatur des Gemisches aus den Mengen und Temperaturen der Ausgangsstoffe wie folgt: T Gemisch = Menge 1 Temperatur 1 Menge 2 Temperatur 2 Menge 1 Menge 2 Beispiel: Wir haben zwei Wassermengen, 1 Glas mit 200ml Wasser und der Temperatur von 15 Grad Celsius und ein zweites Glas Wasser mit 100 ml Wasser und der Temperatur von 60 5

6 Grad Celsius. Giesen wir beide Gläser zusammen so erhalten wir 300ml Wasser mit der Temperatur von 30 Grad Celsius. Da unterschiedliche Stoffe bei der Gleichen Temperatur unterschiedlich viel Wärme aufnehmen können, ist die Berechnung bei der Mischung von unterschiedlichen Stoffen nicht mehr so einfach. In einem Wärmespeicher wird ein Stoff erhitzt um seine Wärme später über einen der Mechanismen des Wärmetransportes zu nutzen. Verschiedene Stoffe können pro Gramm unterschiedlich viel Wärme speichern. Ob ein Stoff mehr oder weniger Wärme speichern kann, kann man daran erkennen wie viel Energie man aufwenden muss um ihn zu erwärmen. Ein Stoff bei dem man mehr Energie zum Erwärmen aufwenden muss kann auch mehr Wärme speichern. Die Menge an Energie die man pro Gramm Stoffmenge aufwenden muss um den Stoff um 1 Kelvin zu erwärmen nennt man spezifische Wärme oder spezifische Wärmekapazität (abgekürzt c) des Stoffes. Beispiele für die Wärmekapazität sind: Wasser: 4,2 J/(g K) Petroleum: 2,1 J/(g K) Olivenöl: 2,0 J/(g K) Ethylalkohol: 2,4 J/(g K) Aluminium: 0,9 J/(g K) Eisen: 0,45 J/(g K) Gold: 0,13 J/(g K) Tannenholz: 1,4 J/(g K) Luft: 1 J/(g K) Wasserdampf: 2 J/(g K) Werden jetzt unterschiedliche Stoffe unterschiedlicher Temperatur gemischt, so kann man mit Hilfe der Wärmekapazität die sich ergebende Temperatur ermitteln und zwar mit Hilfe der folgenden Formel: T Gemisch = Menge 1 Temperatur 1 c 1 Menge 2 Temperatur 2 c 2 Menge 1 c 1 Menge 2 c 2 6