wärme = temperatur? jeder gegenstand hat eine bestimmte temperatur: zimmertemperatur,...
TRANSCRIPT
Wärme = Temperatur? Jeder Gegenstand hat eine bestimmte Temperatur: „Zimmertemperatur, Umgebungstemperatur, lauwarm, kalt, heiß“
Wärme wird stets von Körpern höherer Temperatur an Körper niedriger Temperatur übertragen
Temperatur
Änderung der Temperatur: Wärmeaufnahme, Wärmeabgabe
Wärme beschreibt eine Zustandsänderung
Beschreibung des Zustands mittels Temperatur: willkürliches Maßsystem (Celsius, Fahrenheit)
Wärmemessung mittels Volumenänderung (Thermometer):
technisch wichtig sind Substanzen, deren Ausdehnung proportional
zur Temperaturänderung ist: ∆l ~ ∆T
Temperatur bestimmt weitere Zustandsgrößen: Volumen, Leitfähigkeit, Farbe, Aggregatszustand ...
1
Temperatur
Temperatur & Innere Energie• Innere Energie = die gesamte Energie, die in der Bewegung der Teilchen
(als kinetische Energie) und in ihrer Anordnung (als potenzielle Energie) gespeichert ist
• Temperaturerhöhung (= Erhöhung der inneren
Energie) durch Energiezufuhr:
je höher die Temperatur eines Körpers, desto
größer ist seine innere Energie
– Arbeit z.B. Reiben oder Komprimieren
– Wärme z.B. Berührung mit einem anderen heißen Körper
– Strahlung z.B. Sonne, Ofen
Die innere Energie ist eine Speicherform der Energie. Wärme, Arbeit und
Strahlung sind Übertragungsformen.
2
Der Wärmesinn
Menschen sind wie alle Säugetiere gleichwarm. Ihre Körpertemperatur liegt deutlich höher als die durchschnittliche Umgebungstemperatur.
registriert wird der Unterschied derHauttemperatur und damit die vomKörper an die Umgebung abgegebeneWärmemenge:
Temperatur
Der Wärmesinn besteht aus zweiNervensystemen:
– „Wärmesinneszellen“ an der GrenzeUnterhaut-Lederhaut
– „Kältesinneszellen“ an der GrenzeLederhaut-Oberhaut
Subjektive Wärmemengenbestimmung3
Temperaturskalen
System von Fahrenheit
Bestimmung der Ausdehnung eines Messobjekts mit zuneh-mender Wärme
Von vielen im Laufe der Zeit entstandenen Messsystemen, die sich nur durch Fixpunkte und Messanordnung unterscheiden, haben zwei Systeme eine bis heute wichtige Bedeutung erlangt:
System von Celsius
Bestimmung der Ausdehnung
eines Messobjekts mit zuneh-mender Wärme.
Temperatur
Wertzuordnung (Skalierung) durch die Fixpunkte Eiswasser und „siedendes Wasser“Skalenweite: 100 TeileKontinentaleuropa und Kolonien
Wertzuordnung (Skalierung) durch die Fixpunkte „Kältemischung“ und „Körpertemperatur des Menschen“Skalenweite: 100 Teile
Großbritannien und Kolonien
4
Objektive Temperaturmessung
Messen im physikalischen Sinn ist ein
Vergleichen mit einem allgemeingültigen Standard
- Längenänderung von Festkörpern
- Volumenausdehnung von Flüssigkeiten
- Volumenausdehnung von GasenAlle Verfahren beruhen auf dem Vergleich mit Längenmaßstäben.
Alle Verfahren liefern Aussagen über Temperaturänderungen, also
über die Zu- oder Abgabe von Wärme.
Kein Verfahren liefert a priori ein Aussage über die tatsächlich
vorhandene Wärmeenergiemenge.
Temperatur
Der Standard ist ein Objekt aus der Natur, das sich für die Vergleichs-
methode eignet:
5
Thermische Ausdehnung von Festkörpern
Erwärmt man einen Stab der Länge l0 um die Temperaturdifferenz ,
so beträgt die Längenänderung:
0ll
)(0
l
l
Bimetall-Streifen: Längenausdehnung von zwei übereinander-
liegenden Metallen führt zur Krümmung des
Metallstreifens
Für den materialspezifischen Volumenausdehnungskoeffizienten gilt
näherungsweise: 3
Temperatur
Der materialspezifische Längenausdehnungskoeffizient
gibt die relative Längenänderung pro Temperaturintervall an.
6
Thermische Ausdehnung von Flüssigkeiten
Flüssigkeiten dehnen sich wesentlich stärker aus als feste Körper.
0VV
Volumenabnahme zwischen 0° C und 4° C bei steigender Temperatur;
Wasser hat damit seine größte Dichte bei 4°C
Für die Volumenänderung gilt:
Anomalie des Wassers
beim Phasenübergang flüssig festerfolgt nochmals eine Ausdehnung um 1/10 desWasservolumens (aus 1l Wasser wird 1,1l Eis) Gewässer frieren immer von oben zu
Temperatur 7
Thermische Ausdehnung von Gasen
hohe Kompressibilität von Gasen im Unterschied zu Festkörpern und
Flüssigkeiten: neben der Temperatur und dem Volumen wird auch die
Zustandsänderung des Drucks untersucht:
• Isotherm (T konstant): p * V = konstant
• Isobar (p konstant): V / T = konstant• Isochor (V konstant): p / T = konstant
Allgemeines Gasgesetz:
2
22
1
11
T
Vp
T
Vp
Die Volumenänderung ist für alle Gase gleich groß und proportional zur
Temperaturänderung:
015,273
1V
CV
Temperatur
Animation: Zustandsänderung eines idealen Gases
8
Absolute Temperatur
Extrapoliert man die Volumenausdehnungskurven verschiedener Gase zu immer kleineren Volumina, so stellt man fest, dass sie sich alle in einem Punkt auf der Abszisse treffen: -273,15°C
Wärmedehnung von Gasen
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-300 -200 -100 0 100 200
Temp./°C
Vol
/ml
Luft
mehr Luft
Erdgas
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-300 -200 -100 0 100 200
Vol/m
l
Temp./°C
Wärmedehnung von Gasen
Luft
mehr Luft
Erdgas
Linear (Luft)
Linear (mehr Luft)
Linear (Erdgas)
Temperatur 9
Absolute Temperatur
Das erlaubt zwei Aussagen:
Zur Erklärung hat man das „kinetische Wärmemodell“ entwickelt:
Wärme ist die Bewegungsenergie der (Gas)Teilchen;wenn Gase „kein Volumen“ benötigen, bewegen sich ihre Teilchennicht mehr:
absoluter Temperaturnullpunkt
Temperatur
• Alle Gase zeigen gleiches Wärmedehnungsverhalten.
• Man kann einen Temperaturwert konstruieren, bei dem das Volumen aller Gase „verschwindet“.
10
Festlegung: Symbol T; Einheit [T] = 1K;
absoluter Nullpunkt 0 K = - 273,15 °C
Skalenweite entspricht der Celsiusskala
Absolute Temperatur & Kelvin-SkalaAuf Basis des absoluten Temperaturnullpunkts hat man eine neue
Temperaturskala geschaffen:
Temperatur
Kelvin-Skala
Vorteil: - keine negativen Werte;
- Nullpunkt naturgegeben, nicht willkürlich
vom Experimentator gewählt
Temperaturdifferenzen, die in °C oder in K gemessen werden, haben den
gleichen Wert; man hat man sich daher darauf verständigt, Temperatur-
differenzen immer in Kelvin anzugeben: Δ = 10°C = 10 K = ΔT11
SkalenvergleichDa die Intervallteilung der Celsius-Skala der der Kelvin-Skala entspricht,
erfolgt die Umrechnung hier durch einfache Verschiebung des Nullpunkts
um 273,15 K: 0 K = -273 °C; 0°C = 273 K
CK
T
15,273 K
CT
15,273
Die Celsius- und die Fahrenheit-Skala unterscheiden sich sowohl im Nullpunkt
wie auch in der Intervallteilung. Eine Temperatur von 100 °F (Körpertemperatur)
entspricht einer Celsius-Temperatur von 37,7 °C; 32°F entsprechen 0°C.
Umgerechnet werden die Temperaturen wie folgt:
CFF
329
5 FCF
325
9
bzw.
Temperatur
bzw.
12
Temperaturmessung
Metallthermometer: Längenausdehnung eines Metallstreifens, der spiralig aufgerollt ist;
Längenausdehnung von zwei übereinanderliegenden Metallen führt zur
Krümmung des Metallstreifens: Bimetallthermometer (spiralig aufgerollter
Bimetall-Streifen)
Flüssigkeitsthermometer:Flüssigkeit in einem Gefäß dehnt sich aus; die Volumenausdehnung
des Gefäßes muss gegenüber der Volumenzunahme der Flüssigkeit
vernachlässigbar sein.
Üblicherweise wird die Form so gewählt, dass sich die Volumenausdehnung
als Längenänderung darstellen lässt.
Temperatur 13
GasthermometerGasthermometer gehören zu den historisch ersten Thermometern. Bei Gas-
thermometern mit konstantem Volumen dient die Änderung des Drucks als
Maß für die Änderung der Temperatur.
0
Gas
B1
h
B2 B3
Quecksilber
Das Gasvolumen im Gefäß B1 wird
durch Anheben oder Absenken des
Gefäßes B3 konstant gehalten,
so dass der Quecksilbermeniskus in
Gefäß B2 stets auf gleicher Höhe
(an der Nullmarke) steht.
Die Temperatur ist proportional
zum Gasdruck im Gefäß B1.
Dieser Druck wird durch die Höhe h der
Quecksilbersäule im Gefäß B3 angezeigt.
Temperatur 14
Strahlungswärme
Heiße Gegenstände strahlen Wärme ab. Je nach Stärke der Strahlungsenergie haben sie eine unterschiedliche „Farbtemperatur“.
Temperatur
Die Strahlungsgesetze (Wien, Boltzmann, Planck) stellen eine eindeutige Beziehung zwischen der
Temperatur und der Wellenlänge des abgestrahlten Lichts her.
Für jede Temperatur gibt es ein Wellenlängen-maximum, so dass man aus der spektralen Verteilung des Lichts auf die Basistemperatur des warmen Stoffs schließen kann.Beispiel Sonne: 6000 K => gelber Spektralbereich
15