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Was ist Temperatur?
Trotz unseres eingebauten Gefühls für Temperatur bleibt es eines dieser Konzepte in der Wissenschaft, das schwer zu definieren ist. Es scheint, dass eine Tutorial-Seite zum Thema Temperatur und Thermometer mit einer einfachen Definition der Temperatur beginnen sollte. Aber jetzt bin ich ratlos. Also wende ich mich dieser vertrauten Ressource zu, Dictionary.com …, wo ich Definitionen finde, die von einfach, aber nicht zu aufschlussreich bis zu zu komplex, um aufschlussreich zu sein. Auf die Gefahr eines Bauchflops im Pool der Erleuchtung werde ich hier einige dieser Definitionen auflisten:

Der Grad der Hitze oder Kälte eines Körpers oder einer Umgebung.
Ein Maß für die Wärme oder Kälte eines Objekts oder einer Substanz in Bezug auf einen Standardwert.
Ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Partikel in einer Materialprobe, ausgedrückt in Einheiten oder Graden, die auf einer Standardskala angegeben sind.
Ein Maß für die Fähigkeit eines Stoffes oder allgemein eines physikalischen Systems, Wärmeenergie auf ein anderes physikalisches System zu übertragen.
Beliebige der verschiedenen standardisierten numerischen Maße dieser Fähigkeit, z. B. die Kelvin-, Fahrenheit- und Celsius-Skala.
Sicher sind wir mit den ersten beiden Definitionen einverstanden – dem Grad oder Maß dafür, wie heiß oder kalt ein Objekt ist. Aber unser Verständnis der Temperatur wird durch solche Definitionen nicht gefördert. Die dritte und vierte Definition, die sich auf die kinetische Energie von Partikeln und die Fähigkeit einer Substanz zur Wärmeübertragung beziehen, sind wissenschaftlich korrekt. Diese Definitionen sind jedoch viel zu komplex, um als Ausgangspunkt für eine Diskussion der Temperatur zu dienen. Wir werden uns daher von einer Definition verabschieden, die der fünften ähnlich ist. Die Temperatur kann als Messwert auf einem Thermometer definiert werden. Zugegeben, dieser Definition fehlt die Kraft, die nötig ist, um die begehrte Aha zu entlocken! Jetzt verstehe ich! Moment. Dennoch ist es ein guter Ausgangspunkt für diese Lektion über Hitze und Temperatur. Die Temperatur ist das, was das Thermometer anzeigt. Was auch immer es ist, die Temperatur ist ein Maß dafür, sie spiegelt sich in der Anzeige auf einem Thermometer wider. Wie genau funktioniert ein Thermometer? Wie misst es zuverlässig, woran die Temperatur gemessen wird?

Wie ein Thermometer funktioniert

Heute gibt es eine Vielzahl von Thermometertypen. Der Typ, den die meisten von uns aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht kennen, besteht aus einer Flüssigkeit, die in einer schmalen Glassäule eingeschlossen ist. Ältere Thermometer dieses Typs verwendeten flüssiges Quecksilber. In Reaktion auf unser Verständnis der gesundheitlichen Bedenken, die mit der Quecksilberbelastung verbunden sind, verwenden diese Thermometertypen normalerweise eine Art flüssigen Alkohol. Diese Flüssigkeitsthermometer basieren auf dem Prinzip der Wärmeausdehnung. Wenn eine Substanz heißer wird, dehnt sie sich zu einem größeren Volumen aus. Nahezu alle Substanzen zeigen dieses Wärmeausdehnungsverhalten. Es ist die Grundlage für die Konstruktion und den Betrieb von Thermometern.

Wenn die Temperatur der Flüssigkeit in einem Thermometer zunimmt, nimmt ihr Volumen zu. Die Flüssigkeit ist in einer hohen, schmalen Glassäule (oder Plastiksäule) mit konstanter Querschnittsfläche eingeschlossen. Die Volumenzunahme ist somit auf eine Höhenänderung der Flüssigkeit innerhalb der Säule zurückzuführen. Die Volumenzunahme und damit die Höhe der Flüssigkeitssäule ist proportional zur Temperaturzunahme. Angenommen, eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zu einer Erhöhung der Säulenhöhe um 1 cm. Dann führt eine Temperaturerhöhung um 20 Grad zu einer Erhöhung der Säulenhöhe um 2 cm. Bei einer Temperaturerhöhung um 30 Grad erhöht sich die Säulenhöhe um 3 cm. Die Beziehung zwischen der Temperatur und der Säulenhöhe ist über den kleinen Temperaturbereich, für den das Thermometer verwendet wird, linear. Diese lineare Beziehung macht die Kalibrierung eines Thermometers zu einer relativ einfachen Aufgabe.

Die Kalibrierung eines Messwerkzeugs umfasst die Platzierung von Unterteilungen oder Markierungen auf dem Werkzeug, um eine Menge im Vergleich zu bekannten Standards genau zu messen. Jedes Messwerkzeug – auch ein Messstab – muss kalibriert werden. Das Werkzeug benötigt Unterteilungen oder Markierungen. Beispielsweise weist ein Messstab typischerweise Markierungen im Abstand von 1 cm oder 1 mm auf. Diese Markierungen müssen genau platziert werden und die Genauigkeit ihrer Platzierung kann nur beurteilt werden, wenn sie mit einem anderen Objekt verglichen werden, von dem genau bekannt ist, dass es eine bestimmte Länge hat.

Ein Thermometer wird unter Verwendung von zwei Objekten mit bekannten Temperaturen kalibriert. Der typische Prozess beinhaltet die Verwendung des Gefrierpunkts und des Siedepunkts von reinem Wasser. Es ist bekannt, dass Wasser bei 0 ° C gefriert und bei 100 ° C bei einem atmosphärischen Druck von 1 atm siedet. Wenn Sie ein Thermometer in eine Mischung aus Eiswasser legen und die Thermometerflüssigkeit eine stabile Höhe erreichen lassen, kann die 0-Grad-Markierung auf dem Thermometer angebracht werden. In ähnlicher Weise kann die 100-Grad-Markierung auf dem Thermometer angebracht werden, indem das Thermometer in kochendes Wasser (mit 1 atm Druck) gestellt wird und der Flüssigkeitsstand eine stabile Höhe erreicht. Wenn diese beiden Markierungen auf dem Thermometer angebracht sind, können zwischen ihnen 100 gleichmäßig verteilte Unterteilungen angebracht werden, um die 1-Grad-Markierungen darzustellen. Da es eine lineare Beziehung zwischen der Temperatur und der Höhe der Flüssigkeit gibt, können die Unterteilungen zwischen 0 Grad und 100 Grad gleich beabstandet sein. Mit einem kalibrierten Thermometer können genaue Messungen der Temperatur jedes Objekts innerhalb des Temperaturbereichs durchgeführt werden, für den es kalibriert wurde.

Temperaturskalen
Das oben beschriebene Thermometer-Kalibrierungsverfahren führt zu einem sogenannten Celsius-Thermometer. Ein Celsius-Thermometer hat 100 Teilungen oder Intervalle zwischen dem normalen Gefrierpunkt und dem normalen Siedepunkt von Wasser. Heute ist die Celsius-Skala bekannt als Celsius-Skala, benannt nach dem schwedischen Astronomen Anders Celsius, dem seine Entwicklung zugeschrieben wird. Die Celsius-Skala ist die weltweit am weitesten verbreitete Temperaturskala. Es ist die Standardmaßeinheit für Temperaturmessungen in fast allen Ländern, mit der bemerkenswertesten Ausnahme in den USA. Mit dieser Skala wird eine Temperatur von 28 Grad Celsius als 28 ° C abgekürzt.

Die Vereinigten Staaten verwenden in der Regel die Temperaturskala Fahrenheit, da sie das metrische System und andere akzeptierte Maßeinheiten nur langsam anwenden. Ein Thermometer kann auf ähnliche Weise wie oben beschrieben unter Verwendung der Fahrenheit-Skala kalibriert werden. Der Unterschied besteht darin, dass der normale Gefrierpunkt von Wasser mit 32 Grad und der normale Siedepunkt von Wasser mit 212 Grad in der Fahrenheit-Skala angegeben wird. Daher gibt es bei Verwendung der Fahrenheit-Skala 180 Unterteilungen oder Intervalle zwischen diesen beiden Temperaturen. Die Fahrenheit-Skala ist nach dem deutschen Physiker Daniel Fahrenheit benannt. Eine Temperatur von 76 Grad Fahrenheit wird als 76 ° F abgekürzt. In den meisten Ländern der Welt wurde die Fahrenheit-Skala durch die Celsius-Skala ersetzt.

Die auf der Fahrenheit-Skala ausgedrückten Temperaturen können mit der folgenden Gleichung in die Celsius-Skala umgerechnet werden:

° C = (° F – 32 °) / 1,8

In ähnlicher Weise können die auf der Celsius-Skala ausgedrückten Temperaturen unter Verwendung der folgenden Gleichung in das Äquivalent der Fahrenheit-Skala umgerechnet werden:

° F = 1,8 • ° C + 32 °

Die Kelvin-Temperaturskala
Während die Celsius- und Fahrenheit-Skalen die am häufigsten verwendeten Temperaturskalen sind, gibt es mehrere andere Skalen, die im Laufe der Geschichte verwendet wurden. Zum Beispiel gibt es die Rankine-Skala, die Newton-Skala und die Romer-Skala, die alle selten verwendet werden. Schließlich gibt es die Kelvin-Temperaturskala, die das Standardmetriksystem für Temperaturmessungen ist und unter Wissenschaftlern vielleicht die am häufigsten verwendete Temperaturskala ist. Die Kelvin-Temperaturskala ähnelt der Celsius-Temperaturskala in dem Sinne, dass zwischen dem normalen Gefrierpunkt und dem normalen Siedepunkt von Wasser 100 Gradinkremente liegen. Die Null-Grad-Marke auf der Kelvin-Temperaturskala ist jedoch 273,15 Einheiten kühler als auf der Celsius-Skala. Eine Temperatur von 0 Kelvin entspricht also einer Temperatur von -273,15 ° C. Beachten Sie, dass das Gradsymbol bei diesem System nicht verwendet wird. Eine Temperatur von 300 Einheiten über 0 Kelvin wird als 300 Kelvin und nicht als 300 Grad Kelvin bezeichnet. eine solche Temperatur wird mit 300 K abgekürzt. Umrechnungen zwischen Celsius-Temperaturen und Kelvin-Temperaturen (und umgekehrt) können unter Verwendung einer der beiden folgenden Gleichungen durchgeführt werden.

° C = K – 273,15 °

K = ° C + 273,15

Der Nullpunkt auf der Kelvin-Skala wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet. Es ist die niedrigste Temperatur, die erreicht werden kann. Das Konzept eines absoluten Temperaturminimums wurde vom schottischen Physiker William Thomson (a.k.a. Lord Kelvin) im Jahr 1848 befürwortet. Thomson theoretisierte basierend auf thermodynamischen Prinzipien, dass die niedrigste Temperatur, die erreicht werden konnte, -273 ° C betrug. Vor Thomson waren sich Experimentatoren wie Robert Boyle (Ende des 17. Jahrhunderts) der Beobachtung bewusst, dass das Volumen (und sogar der Druck) einer Gasprobe von ihrer Temperatur abhängt. Messungen der Variationen von Druck und Volumen mit Änderungen der Temperatur konnten durchgeführt und aufgezeichnet werden. Diagramme von Volumen gegen Temperatur (bei konstantem Druck) und Druck gegen Temperatur (bei konstantem Volumen) spiegelten dieselbe Schlussfolgerung wider – das Volumen und der Druck eines Gases verringern sich bei einer Temperatur von -273 ° C auf Null. Da dies die niedrigsten Werte für Volumen und Druck sind, die möglich sind, ist der Schluss zu ziehen, dass -273 ° C die niedrigste Temperatur war, die möglich war.

Thomson bezeichnete diese niedrigste Mindesttemperatur als absoluten Nullpunkt und argumentierte, dass eine Temperaturskala verwendet werden sollte, die den absoluten Nullpunkt als niedrigsten Wert auf der Skala hatte. Diese Temperaturskala trägt heute seinen Namen. Wissenschaftler und Ingenieure konnten Materie auf Temperaturen nahe -273,15 ° C abkühlen, jedoch nie darunter. Beim Abkühlen von Materie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt wurden eine Vielzahl ungewöhnlicher Eigenschaften beobachtet. Diese Eigenschaften umfassen Supraleitung, Superfluidität und einen als Bose-Einstein-Kondensat bekannten Aggregatzustand.

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