Temperatur

Was wir im Alltag als Temperatur wahrnehmen wird durch die Physik der Thermodynamik als die Bewegung von Teilchen erklärt, z.B. der Bewegung und Schwingung von Molekülen in einer Flüssigkeit. Per Definition ist die Temperatur $T$ ein Maß für die mittlere kinetische Energie $\bar{E}_\mathrm{kin}$ eines Teilchens und es gilt $$ \bar{E}_\mathrm{kin} = \frac{3}{2} k_\mathrm{B} T \quad \left[\mathrm{J}\right]$$ wobei $k_\mathrm{B}$ die Boltzmann-Konstante ist und der Faktor $\frac{3}{2}$ durch die Freiheitsgrade des Teilchens entsteht (hier für ein Ideales Gas).

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Gemessen wird die Temperatur in Kelvin (K) oder Celsius (°C), dabei gilt folgende Umrechnung $$ T_\mathrm{Kelvin} = (T_\mathrm{Celsius} + 273,15 \mathrm{°C}) \frac{\mathrm{K}}{\mathrm{°C}}$$ und es ist sofort zu erkennen, dass eine Änderung um 1 °C äquivalent ist zu einer Änderung um 1 K. Sofern nicht anders angegeben, werden in den Formeln der Physik immer Angaben der Temperatur in Kelvin benötigt.

Die Einheit Celsius wurde so festgelegt, dass Eis bei 0°C schmilzt und Wasser bei 100°C siedet (bei normalem Luftdruck). Diese Festlegung der Temperaturskala basiert somit auf einer alltäglichen Erfahrung und ist im normalen Leben, z.B. beim Kochen oder dem Auswählen der täglichen Kleidung, sehr nützlich.

Im gegensatz zu der Kelvin Skala ist die Celsius Skala für physikalische Berechnungen jedoch schlechter geeignet. Dies liegt vor allem an den möglichen negativen Werten.

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Bestimmung des Schnittpunktes der Isobaren im V-T-Diagramm ermöglich eine Definition des absoluten Nullpunktes idealer Gase.

Wird anstelle eines Flüssigkeiten-Thermometers ein Gas-Thermometer verwendet, in welchen das Volumen eines Gases als Maß für die innere kinetische Energie und damit auch für die Temperatur steht, so ergibt sich das Gesetz von Gay-Lussac $$ V=V_0+V_0 \beta T = V_0(1+\beta T) ,$$ mit $V_0$ dem Ausgangsvolumen und $\beta$ dem isobaren Ausdehnungskoeffizienten. Beim Bestimmen von $\beta$ für unterschiedliche Gase wurde festgestellt, dass sich der Wert für alle Gase bei sinkendender Gasdichte an $\beta \approx 3,661 \cdot 10^-3 \frac{1}{\mathrm{°C}}$ annähert, somit unabhängig vom gewählten Gas ist. Ein Gas mit diesem $\beta$-Wert wird Ideales Gas genannt. Wird das Gesetz von Gay-Lussac für unterschiedliche Ausgangsvolumen in ein T-V-Diagramm eingetragen, so ergibt sich ein Schnittpunkt für alle eingetragenen Geraden idealer Gase, dieser liegt bei $V = 0\mathrm{m}^3$ bei $T=-273,15\mathrm{°C}$. Dieser Punkt definiert auf der Kelvinskala den Nullpunkt und es ergibt sich obige Umrechnungsformel für Grad Celsius zu Kelvin. Bei 0 K findet keinerlei Teilchenbewegung mehr statt.

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Durch diese Festlegung des Nullpunktes lässt sich leicht die Änderung eines Gasvolumens mithilfe des Dreisatzes bestimmen, wenn das Volumen $V_0$ eines Gases bei der Temperatur $T_0$ bekannt ist, $$ \frac{V_0}{T_0} = \frac{V(T)}{T} \Leftrightarrow V(T) = \frac{V_0}{T_0}\cdot T .$$