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Bewegung und Wärme

Temperatur in thermodynamischen Kreisprozessen und als Bewegungsenergie der kleinsten Teilchen im idealen Gas

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Temperatur und Farbe

Im Sommer gehen viele Menschen gerne grillen. Dazu kannst du einen Grill benutzen oder, wenn es sich anbietet und erlaubt ist, ein Lagerfeuer entfachen und dein Grillgut direkt über dem Feuer garen. Vielleicht ist dir dann bei einem deiner Abende am Lagerfeuer aufgefallen, dass das Feuer in vielen unterschiedlichen Farben lodert: Die hohen Flammen lodern in rot und gelb. Etwas tiefer an der Glut sind sie eher bläulich. Und wenn du direkt in die Glut schaust, erscheint das Feuer fast weiß. Hast du dich einmal gefragt, woran das liegt? Wie kann es sein, dass ein und dasselbe Material, in diesem Fall Holz, in verschiedenen Farben brennt?

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Die Antwort ist einmal mehr die Temperatur. Im Thema Gesetze der Wärmestrahlung wirst du lernen, dass die Farbe einer Flamme direkt von der Temperatur des brennenden Gegenstands abhängt. Dieser Zusammenhang wird im Wien'schen Verschiebungsgesetz beschrieben. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz besagt, dass die auch die abgestrahlte Leistung sehr stark von der Temperatur abhängt. Beide Gesetze ebnen den Weg von der makroskopischen Welt in die mikroskopische.

Thermodynamik

Die Temperatur ist ein gutes Beispiel für die physikalische Betrachtung der makroskopischen und der mikroskopischen Welt. Makroskopisch ist die Temperatur eine Zahl, die besagt, wie warm oder kalt etwas ist. Vielleicht erinnerst du dich aber auch daran, dass die Temperatur und die Wärme eine wichtige Rolle in der Funktion von Motoren und Kühlschränken spielen. Hier wird die Temperatur als Zustandsgröße und die Wärme als Prozessgröße eines thermodynamischen Kreisprozesses gesehen.

Thermodynamische Prozesse sind Grundlage vieler technischen Geräte, von der Dampfmaschine bis zur Klimaanlage. Dabei werden bei Festhalten einer Zustandsgröße wie der Temperatur andere Zustandsgrößen verändert, um Arbeit zu verrichten. Durch thermodynamische Prozesse könnte also beispielsweise aus Wärme Bewegung werden.

Die Gesetzmäßigkeiten solcher Prozesse werden durch die Hauptsätze der Thermodynamik bestimmt. Die Temperatur ist auch hier von Bedeutung. So besagt etwa der zweite Hauptsatz, dass Wärme immer verstärkt von warm nach kalt geht. Der Thermodynamik hast du es also zu verdanken, dass dein Eis in der Sommerhitze schmilzt.

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Kinetische Gastheorie

Die Thermodynamik kannst du nur exakt beschreiben, wenn du die mikroskopische Welt betrachtest. In dieser Welt ist die Temperatur nicht durch Grad Celsius oder Kelvin ausdrückbar. Stattdessen ist die Temperatur hier im Prinzip nichts anderes als die mittlere Bewegungsenergie der kleinsten Teilchen. Je schneller sie sich mikroskopisch bewegen, desto heißer erscheint das Material makroskopisch. Dieser Zusammenhang ist über die dritte Form der Grundgleichung der kinetischen Gastheorie gegeben. Im Kapitel Kinetische Gastheorie wirst du lernen, was es damit auf sich hat.