Kalt, warm oder heiß? Die Temperatur und ihre Messung

Transkript

1 Kalt, warm oder heiß? Die Temperatur und ihre Messung Ein Film von Wolfgang Voelker Beitrag: Rupert Ernhofer Inhalt Überlebenswichtig: das Wärmeempfinden des Menschen Ein Schüler taucht eine Hand in warmes, die andere Hand in eiskaltes Wasser. Dann senkt er beide Hände in lauwarmes Wasser - und jede Hand meldet eine unterschiedliche Temperatur des gleichen Wassers. Das Wärmeempfinden des Menschen eignet sich also nicht sonderlich zur Messung von Temperaturen. Unsere Sinne können Temperaturen nicht messen, aber Temperaturunterschiede anzeigen. Bei einer Klassenfahrt in den hohen Norden muss man sich durch geeignete Kleidung vor den niedrigen Temperaturen schützen. Aber auch der Arbeiter am Hochofen, der glühend flüssiges Roheisen ablässt, braucht eine Schutzkleidung. Im täglichen Leben verwenden wir Wärme, um Essen zu zubereiten, im Kühlschrank dagegen entziehen wir den Lebensmitteln Wärme, damit sie länger haltbar sind. Wasser kann je nach Zufuhr oder Abgabe von Wärme den Aggregatszustand wechseln. Wärme & Energie Im 19. Jahrhundert gelang es englischen Ingenieuren, die Wärme in mechanische Energie umzuwandeln. Damit war es möglich, Maschinen wie die Dampfmaschine bzw. Dampflokomotive zu entwickeln und zu bauen. Wenn der Schmied das Eisen erwärmt, kann er es formen und den gewünschten Gegenstand herstellen. Auch durch gezielte Hammerschläge auf einen Gegenstand wird dem Körper Wärme zugeführt Die Grad-Wanderung beginnt Mit dem Teilchenmodell lässt sich erklären, was in Körpern bei hoher Temperatur bzw. bei niedriger Temperatur geschieht. Außerdem ist es möglich, die einzelnen Aggregatszustände darzustellen. Bayerischer Rundfunk 1

2 In einem Glaskolben mit einem durch einen Pfropfen befestigten Glasrohr ist gefärbter Alkohol eingefüllt. Der Glaskolben wird in Eiswasser und dann in siedendes Wasser solange gehalten, bis die Wassersäule nicht mehr fällt bzw. steigt. Diese beiden Messpunkte werden markiert und als Eispunkt und als Siedepunkt des Wassers bezeichnet. Den Abstand zwischen diesen beiden Punkten unterteilt man in 100 gleiche Abschnitte. Dieses Verfahren hat der schwedische Physiker Celsius durchgeführt. Heutzutage werden verschiedenste Temperaturmessgeräte hergestellt. Die Flüssigkeitsmessgeräte sind neben den heute eingesetzten Digitalthermometern die am häufigsten benutzten Messgeräte. Die Temperaturskala kann nicht im Minusbereich beliebig erweitert werden, da bei -273 C der absolute Nullpunkt ist. Dies hat der englische Physiker Lord Kelvin entdeckt. Tiefere Temperaturen sind nicht möglich, da keine Wärmebewegung mehr stattfindet. Der absolute Nullpunkt hat die Temperatur von 0 K (Kelvin). Unsere Trickfigur Tobi Tüftler schließlich hat Probleme, die im englischsprachigen Raum gebräuchlichen Fahrenheitgrade in Celsiusgrade umzurechnen. So war es weiterhin sehr schwierig, die Temperaturen zu bestimmen und auch zu vergleichen. Otto von Guericke ( ) machte den Vorschlag, eine "Thermometerskala" zu verwenden, die in folgende sieben Abschnitte eingeteilt war: große Kälte kalte Luft etwas kalte Luft milde Luft etwas heiße Luft heiße Luft große Hitze Eine große Weiterentwicklung der Temperaturskalen schaffte Fahrenheit. Der Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) entwickelte eine Temperaturskala, die als ersten Fixpunkt und somit als Nullpunkt die Temperatur einer Kältemischung aus Eis, festem Salmiak und Wasser hat. Es soll die tiefste Nachttemperatur (-17,8 C) des bitterkalten Winters von 1708/1709 in seiner Heimatstadt Danzig gewesen sein. Als zweiten Fixpunkt diente ihm wohl die eigene Körpertemperatur. Diesen Abstand teilte er in hundert gleiche Teile. Man bezeichnet den Abstand zwischen 1. Fixpunkt und 2. Fixpunkt als Fundamentalabstand. Die Fahrenheit-Skala wird heute noch in den USA verwendet. Die Einheit ist Grad Fahrenheit ( F). Fakten Messverfahren für die Temperatur Unser Wärmeempfinden eignet sich nicht sehr gut zum Bestimmen von Temperaturen. Man suchte über Jahrhunderte nach verlässlichen Methoden zur Temperaturempfindung. Außerdem war auch eine anerkannte Temperaturskala wichtig. Im 17. Jahrhundert kamen aus Italien Thermoskope, bei dem man sich den Umstand zu Nutze machte, dass sich Flüssigkeiten bei steigender Temperatur ausdehnen. Die Bauweise war recht einfach. In einem Glaskolben befand sich mit einem Pfropfen abgedichtet ein sehr langes Glassrohr. Im Glasrohr und im Glaskolben befindet sich eine gefärbte Flüssigkeit, meistens Alkohol. Der Flüssigkeitsstand im Glasrohr zeigt die Raumtemperatur an. Je nach Durchmesser der Glaskolben und der Glasrohre, war der Flüssigkeitsstand im Glasrohr bei jeder Apparatur anders. Der schwedische Astronom Anders Celsius entwickelte die heute weltweit gebräuchliche Temperaturskala, die so genannte Celsius-Skala. Er verwendet für den 1. Fixpunkt siedendes Wasser und für den 2. Fixpunkt Eiswasser. Diesen Abstand teilte er in 100 gleiche Teile ein und bezeichnet ein Teil als Grad. Damit war die Schmelztemperatur von Eis nach Celsius bei 100 und die Siedetemperatur von Wasser bei 0. Später vertauschte man die beiden Fixpunkte und führte als Einheit Grad Celsius ( C) ein. Bayerischer Rundfunk 2

3 Zwischen den beiden Temperaturskalen nach Fahrenheit und Celsius bestehen folgende Zusammenhänge: Siedepunkt des Wassers: 100 C oder 212 F Schmelzpunkt des Eises: 0 C oder 32 F 1 C entspricht 1,8 F Mit der Einführung der Celsius-Skala war es weltweit möglich, Temperaturmessgeräte zu bauen, die auch die gleiche Temperatur für den gleichen Wärmezustand eines Körpers anzeigten. Das Flüssigkeitsthermometer Die Wirkungsweise von Flüssigkeitsthermometern beruht auf der gleichmäßigen Volumenausdehnung von Flüssigkeiten mit steigender Temperatur. Bei der Kalibrierung von Thermometerskalen muss die bei Temperaturänderungen gleichzeitig auftretende Volumenänderung des Glaskörpers berücksichtigt werden. Der Messbereich von Flüssigkeitsthermometern hängt von der verwendeten Flüssigkeit ab. So wird er durch den Eis- bzw. Siedepunkt der Thermometerflüssigkeit begrenzt. Zur Messung von tiefen Temperaturen kann man Alkohol verwenden, der bis zu einer Temperatur von -100 C geeignet ist. Mit Pentan kann man eine Temperatur von -130 C messen. Dieser Vorteil von Pentan, hat auch einen Nachteil: Pentan siedet bei einer Temperatur von 36 C. Eine sehr schlechte Thermometerflüssigkeit wäre Wasser. Das Digitalthermometer Beim Digitalthermometer handelt es sich um ein Widerstandsthermometer, das eine digitale Anzeige hat. Die Widerstandsthermometer haben den größten Messbereich. Mit so einem Messgerät kann man Temperaturen von ca C bis zu ca C bestimmen. In so einem Messgerät wird ein elektronische Bauteil, ein so genannter Halbleiter verwendet. Diese Halbleiter sind temperaturabhängig. Im Messfühler ist so ein Halbleiter eingeschmolzen. Bei steigender Temperatur ändert sich die Stromstärke, die durch den Messkreis fließt. Nun kann man einer bestimmten Stromstärke eine ganz bestimmte Temperatur zuordnen. Lapidar gesagt macht man aus dem Stromstärkemessgerät ein Temperaturmessgerät. Die Vorteile von solchen elektrischen Thermometern sind auch noch, dass man die Messfühler auch bei Messungen an schwer zugänglichen Stellen verwenden kann, da das eigentliche Messgerät weiter entfernt sein kann. Beispiel hierfür sind Wassertemperaturmessung beim Auto, Öltemperatur im Auto, Außentemperaturmessung, Heizungskessel, usw. Das Teilchenmodell Alle Körper sind aus Teilchen aufgebaut, die ständig Eigenbewegungen ausführen (thermische Bewegung der Teilchen). Die Geschwindigkeit der Teilchen ist dabei unterschiedlich. Die Teilchen eines Körpers besitzen Bewegungsenergie (kinetische Energie). Festkörper Die Teilchen sind an ortsfeste Gleichgewichtslagen gebunden. Sie führen Schwingungen um ihre Gleichgewichtslagen aus. Zwischen den Teilchen wirken starke Bindungskräfte (Kohäsionskräfte). Flüssigkeit Die Teilchen sind nicht an ortsfeste Gleichgewichtslagen gebunden. Ungeordnete Schwingungsbewegungen um wechselnde Gleichgewichtslagen. Es wirken wesentlich kleinere Kohäsionskräfte. Gas Die Teilchen sind in dauernder heftiger, regelloser Eigenbewegung. Zwischen den Teilchen wirken praktisch keine Kohäsionskräfte. Bayerischer Rundfunk 3

4 Didaktische Hinweise Lehrplanbezüge (Bayern) Haupt-/Mittelschule 5 PCB Temperatur und Wärme Temperatur als Maß für warm und kalt Realschule 9 Physik I (3-stündig) Ph 9.1 Wärmelehre Innere Energie, Wärme, Temperatur Temperatur als Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers 9 Physik II/III (2-stündig) Ph 9.1 Wärmelehre Innere Energie, Wärme, Temperatur Temperatur als Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers Gymnasium 8 Physik (2, NTG 2 + Profil) Ph 8.2 Wärmelehre Temperatur als Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen Lernziele Die Schüler/innen sollen kennen lernen und verstehen die Unzulänglichkeit der Wärmeempfindung des Menschen zur Messung der Temperatur; den Schutz vor sehr hohen und sehr niedrigen Temperaturen: dass man im täglichen Leben oftmals mit hohen und niedrigen Temperaturen in Berührung kommt; dass Wasser, je nach Zufuhr oder Abgabe von Wärme, drei verschiedene Aggregatszustände haben kann: die Umwandlung von Wärme in andere Energieformen; die Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme; wie man das Teilchenmodell zur Erklärung von physikalischen Tatsachen anwenden kann; dass zur Eichung von Temperaturmessgeräten der Eispunkt und der Siedepunkt von Wasser verwendet wird; die Temperaturenskalen, vor allem die Celsius-Skala; die technische Herstellung von Thermometern; den absoluten Nullpunkt bei der Temperaturmessung und die Kelvin-Skala. Bayerischer Rundfunk 4

5 Anregungen Die Sendung gliedert sich klar in folgende Abschnitte: 00 15" 05 43" Zuerst wird über das Wärmeempfinden des Menschen berichtet. Es wird gezeigt, wie wichtig das Wärmeempfinden des Menschen im täglichen Leben ist (Abschnitt I) " 08 23" Die technischen Anwendungen der Energieumwandlung im Zeitalter der Industrialisierung bis heute. Der Bau von Dampfmaschinen und die daraus folgende Entwicklung der Dampflokomotiven werden in diesem Abschnitt II behandelt " 09 38" Mit dem Teilchenmodell ist es möglich, sich Vorgänge im Mikrokosmos zu erklären. Dieses Modell ist gerade im Bereich der Wärmelehre sehr hilfreich (Abschnitt III) " 14 23" Im Abschnitt IV wird ausführlich über die Messung der Temperatur, dass heißt über den Versuchsaufbau, die Versuchsdurchführung und das Versuchsergebnis berichtet. Der Bau und das Kalibrieren von Flüssigkeitsthermometern ist ausführlich dargestellt. 14:23" 15:30" Bei der von Lord Kelvin eingeführten Temperaturskala machte man sich die Überlegungen zu Nutze, dass es keine tiefere Temperatur als -273 C geben kann. Diese Temperaturskala ist die so genannte Kelvin-Skala. Der absolute Nullpunkt hat die Temperatur von 0 K -Kelvin - (Abschnitt V). 15:30" 16:00" Tobi Tüftler Einsatz im Unterricht: Der Abschnitt I bietet sich für den Einstieg in den Themenbereich an, da er auf die Schwierigkeiten bei der Festlegung des Begriffes Temperatur und vor allem auf die Temperaturmessung hinweist. Der Abschnitt II bietet sehr kompakt zum einen die Entwicklung der Dampfmaschine und zum anderen die Anwendungen der heutigen Zeit, wie Heizung und Kühlschrank. Das Teilchenmodell wird im Abschnitt III behandelt. Auf diesen Abschnitt sollte man nicht verzichten. Für das Thema Temperaturmessung als zentraler Abschnitt ist der Abschnitt IV. Dieser eignet sich im Unterricht sehr gut, zum einen bei Ermangelung der Versuchsgeräte als anschauliche Darstellung des Weges der Temperaturmessung und zum anderen ist dieser Abschnitt auch zur Wiederholung und Auffrischung des Wissens der Schülerinnen und Schüler denkbar. Zum Abschnitt IV sollte unbedingt auch der Abschnitt V verwendet werden. Arbeitsaufträge Ein fiktives Interview mit Herrn Celsius Sagen sie mal, Herr Celsius (aus STERN-MILLENNIUM) STERN: Herr Professor Celsius, heutzutage scheint jeder Physiker seine eigene Thermometerskala zu erfinden haben auch Sie eine entwickelt, eingeteilt in hundert Grad. Bayerischer Rundfunk 5

6 CELSIUS: Hundert Grade ergeben eine sehr schöne, gleichmäßige Einteilung der Instrumente. Denken Sie nur, wie kompliziert das Rechnen ist, wenn man in Dutzend oder Schock zählt. Maße und Gewichte sollte man nach dem Dezimalsystem ordnen. Und wie sie zustande kommen, muss jeder verstehen können. Nicht wie bei der verschrobenen Skalierung, die Herr Fahrenheit ersonnen hat. STERN: Was stört Sie denn an den Thermometern Ihres Kollegen? CELSIUS: Lassen Sie mich zunächst sagen: Ganz allgemein stört mich, dass wir keine ideale Füllung für unsere Geräte haben. Im Norden meiner Heimat Schweden wird es oftmals so kalt, dass das Quecksilber hart wird. STERN: Wir wollten über Fahrenheit sprechen. CELSIUS: Was mich ärgert, sind die sonderbaren Bezugspunkte seiner Skala. Zum Beispiel "blutwarm". Damit meint Fahrenheit die Temperatur, die ein gesunder menschlicher Körper haben soll. STERN: Ist das denn nicht sehr einprägsam? CELSIUS: Auf den ersten Blick. Aber er bezeichnet diese Temperatur nicht mit 100, nicht mit Null, nein: 96 Grad sind es. Wenn Wasser gefriert, herrschen auch nicht null Grad Fahrenheit, sondern 32. Seinen Nullpunkt hat er mittels einer gefrorenen Mischung aus Wasser und Salmiak bestimmt. Da fragt man sich doch auch, was das soll. STERN: Und wie haben Sie ihr Thermometer eingeteilt? CELSIUS: So, wie es einzig Sinn macht: hundert Grad, wenn das Wasser friert. Null, wenn es kocht. STERN: Werter Professor, Ihre Skala steht auf dem Kopf? CELSIUS: In irgendwas muss ich mich ja von anderen Thermometerbauern unterscheiden dürfen! Sollen doch andere mein großes Werk vom Kopf auf die Füße stellen, wenn sie meinen, sie müssten. Bearbeiten des Arbeitsblatts. Literatur Steiner, Dietmar; Ernhofer, Rupert u. a. Newton Physik I-III. München: Oldenbourg Schulbuchverlag, Leopold, Hans und Zins, Rudolf: Physik 10. Bamberg: C.C. Buchner Verlag; Bergmann, Ludwig und Schaefer, Clemens. Lehrbuch der Experimentalphysik. Mechanik - Akustik - Wärme: Band 1. München: Walter de Gruyter; Links Messung höchster und tiefster Temperaturen Geschichte der Temperaturmessung Bayerischer Rundfunk 6