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Temperatur

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Die Autor/-innen
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Sonjabu
Temperatur
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung Temperatur

Temperatur und gefühlte Temperatur

Das Wort Temperatur begegnet dir wahrscheinlich mehrmals am Tag, wie zum Beispiel im Wetterbericht. Dann freust du dich vielleicht, wenn es warm genug wird, schwimmen zu gehen, oder kalt genug, damit es schneien kann. Aber hast du dich vielleicht schon einmal gewundert, warum zusätzlich zur Temperatur auch die gefühlte Temperatur angegeben wurde? Wir wollen heute verstehen, was die Temperatur in der Physik eigentlich ist und was es mit der gefühlten Temperatur auf sich hat.

Mit Temperatur verbinden wir im Alltag meistens eine Eigenschaft, die wir Objekten zuschreiben oder an Objekten wahrnehmen. Zum Beispiel kann sich die Luft draußen warm oder kalt anfühlen. Genauso können sich zwei unterschiedliche Objekte warm oder kalt anfühlen und wir würden dann intuitiv sagen, dass sie eine unterschiedliche Temperatur haben. Das stimmt aber nicht immer und das kannst du auch leicht selbst überprüfen:

Ihr habt sicher einen Kühlschrank zuhause, der Lebensmittel abkühlen und kühl halten kann. In der Regel ist ein Kühlschrank auf etwa $5°\text{C}$ eingestellt – er kühlt also alle Objekte, mit denen er befüllt ist, auf genau $5°\text{C}$ ab. Jetzt kannst du zwei unterschiedliche Dinge über Nacht in den Kühlschrank legen, und zwar ein Stück dicker Pappe und einen Löffel aus Metall. Am nächsten morgen haben beide dieselbe Temperatur, nämlich $5°\text{C}$, aber wenn du sie in die Hand nimmst, fühlt sich der Löffel viel kälter an.

Was wir fühlen, kann also nicht die Temperatur sein. Es ist vielmehr die Wärme oder Wärmeenergie $Q$, die ein Körper auf uns überträgt oder die er uns entzieht. Wie groß diese Wärmemenge $Q$ ist, hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Einerseits natürlich auch von der Temperaturdifferenz zwischen zwei Körpern, aber auch davon, wie gut ein Material Wärme transportieren kann. Dabei wird die Wärmeenergie immer von dem Körper höherer Temperatur $T_1$ zu dem niedrigerer Temperatur $T_2$ übertragen! Und das passiert solange, bis beide Körper dieselbe Temperatur $T_3$ haben. Die liegt dann normalerweise zwischen den beiden Ausgangswerten, also: $T_1>T_3>T_2$.

Temperatur und Übetragung von Temperatur

Wir wissen jetzt also schon, dass zwei Körper unterschiedlicher Temperatur Wärmeenergie austauschen können und so ihre Temperaturen angleichen. Die Temperatur muss also etwas mit der Energie dieser Körper zu tun haben.

Die Temperatur in der Physik

Die Temperatur $T$ als physikalische Größe hängt direkt mit der inneren Energie eines Körpers oder Systems zusammen. Wenn die innere Energie größer wird, steigt damit auch die Temperatur. In unserem Beispiel der Wärmeübertragung heißt das also, dass ein Teil der Inneren Energie in Form von Wärme von einem auf den anderen Körper übergeht. Die innere Energie können wir uns in einem einfachen Bild als die Bewegungsenergie der Teilchen vorstellen. Dabei müssen wir allerdings unterscheiden, ob wir eine Flüssigkeit bzw. ein Gas oder einen einen festen Körper betrachten. Bei Flüssigkeiten und Gasen können sich die Teilchen, aus denen sie bestehen, frei umher bewegen. Je höher die Temperatur, also die innere Energie ist, desto schneller bewegen sich auch die Teilchen. In festen Körpern sind die Teilchen fest miteinander verbunden. Die Verbindungen können wir uns aber als elastische Federn vorstellen, sodass die Teilchen hin und her schwingen können. Je höher die Temperatur ist, desto stärker schwingen die Teilchen.

Das Teilchenmodell der Temperatur

Als Einheit der Temperatur kennst du vermutlich das Grad Celsius mit dem Einheitenzeichen $°\text{C}$. Bei dieser Skala ist der Nullpunkt die Temperatur, bei der Wasser unter Normaldruck, also bei $1~\text{bar}$, zu Eis wird. Deswegen gibt es auch positive und negative Temperaturen. Die Skaleneinteilung, also die Größe von genau $1~° \text{C}$ Unterschied, ist mithilfe des Siedepunkts von Wasser definiert. Das ist die Temperatur, ab der Wasser zu kochen beginnt. Sie beträgt per Definition $100~° \text{C}$. Damit entspricht $1~° \text{C}$ genau einem Hundertstel des Abstands zwischen Gefrier- und Siedepunkt von Wasser. Vor allem in der Forschung wird auch die Einheit Kelvin mit dem Einheitenzeichen $\text{K}$ genutzt. In dieser Einheit ist die absolute Temperatur gegeben und es gibt nur positive Temperaturen. Der Nullpunkt dieser Skala wird auch als absoluter Nullpunkt bezeichnet. Er ist definiert als die Temperatur, bei der sich die Teilchen überhaupt nicht mehr bewegen. Kälter als diese Temperatur kann nichts werden, deswegen hat man sie als $0~\text{K}$ definiert.

Temperaturmessung

Es gibt viele verschieden Möglichkeiten der Temperaturmessung. Eine der einfachsten und ältesten ist die Messung mit einem Flüssigkeitsthermometer. In diesem Messgerät wird ausgenutzt, dass sich Flüssigkeiten ausdehnen, wenn sie wärmer werden. Es besteht aus einem Glasröhrchen mit einem Flüssigkeitsreservoir, in dem früher häufig Quecksilber war. Auf dem Röhrchen befindet sich die Temperaturskala. Je nach Temperatur steigt oder sinkt der Flüssigkeitsstand in dem Röhrchen, und man kann die Temperatur messen und direkt an der Skala ablesen.

Du hast so ein Thermometer sicher schon einmal gesehen, obwohl es heutzutage sicher mit einer anderen Flüssigkeit gefüllt ist. Quecksilber ist nämlich sehr giftig. Außerdem gibt es mittlerweile auch schon andere Messverfahren und digitale Thermometer, um die Temperatur zu messen.

Zum Schluss findest du in der folgenden Tabelle noch ein paar besondere Temperaturwerte als Beispiele.

$T \text{ in } °\text{C}$ Anmerkung
tiefste Temperatur in Deutschland1 -37,8 1929, Bayern
tiefste Temperatur auf der Welt3 -89,2 1983, Antarktis
höchste Temperatur in Deutschland2 41,2 2019, Nordrhein-Westfalen
höchste Temperatur auf der Welt4 56,7 1913, USA
Oberfläche der Sonne5 5700

Quellenverzeichnis

1 Deutscher Wetterdienst, Kälterekord; abgerufen am 14.01.2021

2 Deutscher Wetterdienst, Hitzerekord; abgerufen am 14.01.2021

3 WMO, Kälterekord; abgerufen am 14.01.2021

4 WMO, Hitzerekord; abgerufen am 14.01.2021

5 Nasa, Sun Fact Sheet; abgerufen am 14.01.2021

Transkript Temperatur

Hallo! Heute wollen wir uns mit der Temperatur und ihrer Messung beschäftigen. Temperaturen kennen wir schon aus dem Alltag. Zum Beispiel kann eine Herdplatte heiß sein, die Luft draußen kalt oder das Wasser in der Badewanne warm. Aber: Ist denn das, was wir als Temperatur wahrnehmen überhaupt objektiv? Nein, denn die Luft draußen fühlt sich z. B. kälter an, wenn es windig ist. Deshalb wird im Wetterbericht auch oft von der gefühlten Temperatur gesprochen. Und das Wasser in der Badewanne fühlt sich wärmer an, wenn uns vorher kalt war. Der Grund dafür ist ganz einfach: In Wirklichkeit fühlen wir überhaupt nicht, wie warm ein Körper ist. Wir fühlen nur, wie viel Wärmeenergie er in einer bestimmten Zeit an uns überträgt und intuitiv nennen wir das Temperatur. Denn: Wenn 2 Körper Wärme austauschen können, dann tun sie das auch, und zwar so lange, bis beide die gleiche Temperatur haben. Haben wir z. B. einen Körper, der am Anfang 50° warm ist und einen, der am Anfang 20° warm ist und die beiden berühren sich, dann wird der wärmere solange Wärmeengergie, hier mit Q abgekürzt, an den kälteren abgeben, bis beide eine mittlere Temperatur von ca. 35° erreicht haben. Und genauso funktioniert das auch, wenn wir uns in die Badewanne legen. Ist unsere Haut vorher sehr kalt, gibt das Wasser der Badewanne sehr viel Wärmeenergie an unsere Haut ab und das Wasser erscheint uns wärmer. Ist unsere Haut dagegen vorher schon ziemlich warm, gibt das Wasser weniger Energie an uns ab, denn es muss ja keine so große Temperaturdifferenz ausgleichen, also erscheint es uns kühler. So etwas Ähnliches passiert, wenn es draußen windig ist. Weil dann sehr viel Luft an unserer Haut vorbei strömt, gibt die Haut immer wieder Wärme an neue Luft ab, muss also immer eine große Temperaturdifferenz ausgleichen. Wir verlieren also mehr Wärme und haben dadurch das Gefühl, es sei kälter. Aber was bedeutet denn Temperatur nun objektiv betrachtet? In Wirklichkeit ist die Temperatur ein Maß für die innere Energie eines Körpers. Stellen wir uns vor, ein Körper besteht aus vielen kleinen Teilchen. Dann können diese an ihrem Platz im Körper sich ein wenig bewegen, z. B. hin und her schwingen. Bewegen sie sich nur sehr wenig hin und her, sind also ihre Geschwindigkeiten klein, hat der Körper eine kleine innere Energie, das heißt, er ist kalt. Bewegen sich die Teilchen in seinem Inneren ganz schnell, ist die innere Energie groß und die Temperatur ist deshalb auch groß. Im Allgemeinen gilt: Je größer die innere Energie eines Körpers ist, das heißt, je größer die Geschwindigkeiten der Teilchen in seinem Inneren sind, desto größer ist seine Temperatur. Und wie können wir die Temperatur nun objektiv messen? Ganz einfach, wir benutzen ein Thermometer, denn Thermos, das ist griechisch für Wärme und Meter, das ist das Wort für ein Messgerät, und auf dem Thermometer brauchen wir eine Celsiusskala. Ein Thermometer besteht aus einem Reservoir mit einer Messflüssigkeit. Früher war das normalerweise Quecksilber, heute verwendet man Flüssigkeiten, die weniger giftig sind. In einem Steigröhrchen kann das Quecksilber sich ausdehnen, und je nachdem, wie weit es sich ausdehnt, erreicht es eine bestimmte Höhe. Diese Höhe misst man anhand einer Skala. Dabei ist definiert, dass 100°C die Temperatur ist, bei der Wasser anfängt zu kochen und 0°C, der Gefrierpunkt von Wasser. Dazwischen ist die Skala einfach in 100 gleich große Stücke aufgeteilt, jedes von ihnen beträgt genau 1°C. Fassen wir den Inhalt dieses Videos noch einmal kurz zusammen: Wichtig ist, sich zu merken, dass Menschen mit ihrer Haut nur messen, wie viel Wärmeenergie auf sie übertragen wird. Die Temperatur dagegen ist ein Maß für die innere Energie eines Körpers. Wir können sie messen, indem wir ein Thermometer verwenden, auf dem wir eine Celsiusskala eingetragen haben.   Soviel zum Thema Temperatur! Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!

36 Kommentare

36 Kommentare
  1. Cool

    Von Vegimnaidu, vor 3 Monaten
  2. ich finde die Grafik ist sehr schlecht aber sonst super erklärt

    Von Ostpost, vor 9 Monaten
  3. gutes video. schrift hätte gerade stehen können, aber sonst alles gut

    Von Jjw2008b, vor 9 Monaten
  4. cool!

    Von Emilia U., vor etwa einem Jahr
  5. das video war gut aber ich konnte das shrift nicht lesen

    Von Orchidee Garten, vor mehr als einem Jahr
Mehr Kommentare

Temperatur Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Temperatur kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe den Begriff Temperatur objektiv.

    Tipps

    Finde zunächst jeweils Satzanfang und Satzende.

    Gliedert sich der Satz in Satzteile?

    Der Satzanfang des zweiten und dritten Satzes ist gleich.

    Lösung

    In der Physik wird versucht, die Umwelt möglichst objektiv zu beschreiben. Das heißt, dass alle Größen so definiert werden, dass jede Beobachtung oder jeder Versuch immer dasselbe Resultat liefert.

    Soll also die Temperatur eines Körpers angegeben werden, muss dies unabhängig vom Beobachter geschehen. Subjektive Eindrücke sind hier darum nicht hilfreich. Objektiv wird die Temperatur nur durch die Eigenschaften des Körpers selbst beschrieben.

    Die innere Energie eines Körpers stellt man sich am besten mit Hilfe der Teilchen im Innern des Körpers vor. Je schneller sich diese bewegen, desto größer ist die innere Energie eines Körpers und somit auch seine Temperatur.

  • Benenne die Bestandteile, aus denen ein normales Thermometer wie in der Abbildung besteht.

    Tipps

    Welche Bestandteile erkennst du in der Abbildung?

    Wie funktioniert das gezeigte Thermometer?

    Insgesamt gibt es vier wesentliche Bestandteile.

    Lösung

    Ein normales Thermometer wie in der Abbildung wird als Flüssigkeitsthermometer bezeichnet. Die Temperatur wird durch das Ausdehnungsverhalten der Flüssigkeit im Thermometer ermittelt. Je wärmer die Flüssigkeit wird, desto stärker dehnt sie sich aus. In der Abbildung ist die Flüssigkeit blau, typischerweise wird dafür heutzutage ein Alkohol verwendet.

    Bei sehr niedrigen Temperaturen befindet sich die Flüssigkeit nur im unteren, kugligen Bereich des Thermometers, dem Reservoir. Je wärmer sie wird, desto höher steigt sie in dem Steigröhrchen an. Zum Ablesen der Temperatur wird die Skala (hier auf der linken Seite des Thermometers) benötigt. Sie ist geeicht, wird also bei der Celcius-Skala durch zwei Fixpunkte (Gefrierpunkt und Siedepunkt von Wasser) festgelegt.

  • Erkläre die Ergebnisse des gezeigten Versuchs zum Temperaturausgleich.

    Tipps

    Eine Kugel besitzt zu Versuchsbeginn in der Regel eine Temperatur, die höher als die Endtemperatur von 40°C ist, die zweite Kugel eine Temperatur, die niedriger ist.

    Die Endtemperatur ist der Mittelwert aus den beiden Ausgangstemperaturen.

    Die Ausgangstemperaturen müssen so gewählt werden, dass ihre Summe geteilt durch 2 gleich 40°C ergibt.

    Lösung

    Die Endtemperatur liegt in der Regel zwischen den Ausgangstemperaturen der beiden Kugeln. Eine Kugel besitzt eine höhere Temperatur als die andere Kugel. Sie gibt nun so lange Energie in Form von Wärme an die andere Kugel ab, bis sich ein Temperaturgleichgewicht einstellt. Dieses liegt genau in der Mitte zwischen den beiden Ausgangstemperaturen.

    Besitzt eine Kugel vor Versuchsbeginn beispielsweise eine Temperatur von 70°C, so muss die zweite Kugel eine Temperatur von 10°C besitzen, damit sich an beiden Kugeln eine Endtemperatur von 40°C einstellt: $\frac {70°C+10°C} {2}=\frac {80°C} {2}=40°C$.

    So ideal werden die Versuchsergebnisse von Lisa und Maike aber wahrscheinlich nicht sein. Sobald die Kugeln aus ihrem jeweiligen Wasserbad entfernt werden, geben sie entweder Energie an die Umgebung ab oder werden von der Umgebung zusätzlich erwärmt. Metallkugeln haben die beiden sich übrigens deshalb ausgesucht, weil diese gute Wärmeleiter sind. Dadurch dauert der Versuch nicht so lange.

  • Sage das Ergebnis des Experiments zur subjektiven Temperaturwahrnehmung voraus.

    Tipps

    Die Versuchsperson wird nach ihrer subjektiven Wahrnehmung gefragt.

    Wie groß ist die Temperaturdifferenz zwischen Haut und Wasser der mittleren Schüssel an den Händen jeweils?

    Lösung

    Objektiv betrachtet ist der Versuch eindeutig: Das Wasser in Schüssel (2) besitzt Raumtemperatur. Das Wasser in Schüssel (1) wurde abgekühlt, das Wasser in Schüssel (3) leicht erhitzt.

    Die Haut der linken Hand der Versuchsperson wurde vor dem Eintauchen in Schüssel (2) durch das Wasser in Schüssel (1) abgekühlt. Taucht diese Hand nun in Wasser mit Zimmertemperatur, gibt dieses Wasser Energie an die kalte Hand ab. Es fühlt sich dadurch zunächst sehr warm an. Unter Umständen kann das Wasser für die Versuchsperson je nach individuellem Temperaturempfinden sogar heiß erscheinen.

    Umgekehrt verhält es sich bei der rechten Hand. Sie befand sich Schüssel (3) mit einer Wassertemperatur, die nahe bei der Körpertemperatur liegt. Wird diese in Schüssel (2) getaucht, gibt die Haut Wärme an des Wasser ab. Das Wasser fühlt sich daher kühl an.

    Diesen Versuch - auch in Abwandlungen mit mehr Schüsseln oder verbundenen Augen - kannst du auch leicht zu hause durchführen. Du musst nur aufpassen, dass das Wasser in den Schüsseln nicht zu heiß ist. Beachte dabei auch das individuelle Temperaturempfinden beim Wechsel von kaltem in warmes Wasser!

  • Gib an, welche Temperatur die beiden sonst identischen Körper nach dem Temperaturausgleich besitzen.

    Tipps

    Der Körper mit der höheren Ausgangstemperatur gibt Energie in Form von Wärme an den Körper mit der geringeren Ausgangstemperatur ab.

    Verringert sich die Temperatur des einen Körpers um einen bestimmten Wert, so erhöht sich die Temperatur des anderen Körpers um genau diesen Wert.

    Die Übertragung von Energie in Form von Wärme endet, sobald beide Körper dieselbe Temperatur besitzen.

    Lösung

    Der Körper mit der höheren Temperatur gibt Energie in Form von Wärme an den Körper mit der geringeren Temperatur ab. Das bedeutet, dass der linke Körper seine Temperatur verringert und die Temperatur des rechten Körpers zunimmt.

    Da beide Körper aus dem selben Stoff bestehen und gleich groß sind, gilt: Verringert der linke Körper seine Temperatur um einen bestimmten Wert, so erhöht der rechte Körper seine Temperatur um genau denselben Wert. Die Endtemperatur beider Körper ist demnach genau der Mittelwert aus beiden Ausgangstemperaturen:

    $\frac {50°C+20°C} {2}=\frac {70°C} {2}=35°C$.

  • Erkläre, weshalb die subjektive Wahrnehmung der Temperatur für uns sinnvoll ist.

    Tipps

    Wie regiert der menschliche Körper, um eine gleichbleibende Temperatur im Inneren zu gewährleisten?

    Lösung

    Nicht nur der Mensch ist ein Warmblüter. Alle anderen Säugetiere sowie die Vögel halten ebenfalls eine konstante Körpertemperatur. Bei Katzen und Hunden liegt die normale Körpertemperatur zwischen 38°C und 39°C, bei Vögeln kann sie sogar 40°C betragen. Körpertemperaturen über 40°C werden für alle diese Lebewesen gefährlich, weil der Kreislauf versagt und die Eiweiße im Körper beginnen, sich zu verändern.

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