Lernziele
- Definieren Sie Temperatur.
- Beschreiben Sie die Fahrenheit-Temperaturskala.
- Beschreiben Sie die Celsius-Temperaturskala.
- Beschreiben Sie die Kelvin-Temperaturskala.
Was ist Temperatur?
Berühren Sie die Oberseite des Herdes, nachdem er eingeschaltet war und sie sich heiß anfühlt. Halten Sie einen Eiswürfel in der Hand und er fühlt sich kalt an. Warum ist das so? Die Teilchen der Materie in einem heißen Objekt bewegen sich viel schneller als die Teilchen der Materie in einem kalten Objekt. Die kinetische Energie eines Objekts ist die Energie, die durch die Bewegung entsteht. Die Teilchen der Materie, aus denen der heiße Herd besteht, haben eine größere kinetische Energie als die Teilchen im Eiswürfel.
Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen der Materie. Im alltäglichen Sprachgebrauch bezeichnet die Temperatur ein Maß dafür, wie heiß oder kalt ein Objekt ist. Die Temperatur ist eine wichtige Größe in der Chemie. Wenn sich eine Substanz von fest zu flüssig verändert, liegt das daran, dass sich die Temperatur des Materials erhöht hat. Chemische Reaktionen verlaufen in der Regel schneller, wenn die Temperatur erhöht wird. Viele instabile Stoffe (z. B. Enzyme) sind bei niedrigeren Temperaturen länger lebensfähig.
Abbildung 1. Die glühende Holzkohle auf der linken Seite repräsentiert eine hohe kinetische Energie, während der Schnee und das Eis auf der rechten Seite eine viel geringere kinetische Energie haben.
Temperaturskalen
Abbildung 2. Daniel Gabriel Fahrenheit.
Die ersten Thermometer waren aus Glas und enthielten Alkohol, der sich bei Temperaturänderungen ausdehnte und zusammenzog. Der deutsche Wissenschaftler Daniel Gabriel Fahrenheit verwendete Quecksilber in der Röhre, eine Idee, die von Ismael Boulliau stammt. Die Fahrenheit-Skala wurde erstmals 1724 entwickelt und danach noch einige Zeit weitergebastelt. Das Hauptproblem bei dieser Skala ist die willkürliche Definition der Temperatur. Der Gefrierpunkt von Wasser wurde mit 32°F und der Siedepunkt mit 212°F definiert. Die Fahrenheit-Skala wird typischerweise nicht für wissenschaftliche Zwecke verwendet.
Abbildung 3. Anders Celsius.
Die Celsius-Skala des metrischen Systems ist nach dem schwedischen Astronomen Anders Celsius (1701-1744) benannt. Die Celsius-Skala setzt den Gefrierpunkt und den Siedepunkt von Wasser auf 0°C bzw. 100°C. Der Abstand zwischen diesen beiden Punkten wird in 100 gleiche Intervalle unterteilt, von denen jedes ein Grad ist. Ein anderer Begriff, der manchmal für die Celsius-Skala verwendet wird, ist „Celsius“, da zwischen dem Gefrierpunkt und dem Siedepunkt von Wasser auf dieser Skala 100 Grad liegen. Die bevorzugte Bezeichnung ist jedoch „Celsius“
Abbildung 4. Lord Kelvin.
Die Kelvin-Temperaturskala ist nach dem schottischen Physiker und Mathematiker Lord Kelvin (1824-1907) benannt. Sie basiert auf der Molekularbewegung, wobei die Temperatur von 0 K, auch bekannt als absoluter Nullpunkt, der Punkt ist, an dem alle Molekularbewegung aufhört. Der Gefrierpunkt von Wasser auf der Kelvin-Skala liegt bei 273,15 K, der Siedepunkt bei 373,15 K. Beachten Sie, dass hier kein „Grad“ in der Temperaturbezeichnung verwendet wird. Im Gegensatz zur Fahrenheit- und Celsius-Skala, wo Temperaturen als „Grad F“ oder „Grad C“ bezeichnet werden, haben wir die Temperaturen in der Kelvin-Skala einfach als Kelvin bezeichnet.
Wie man an den 100 Kelvin Unterschied zwischen den beiden Skalen erkennen kann, entspricht eine Änderung von einem Grad auf der Celsius-Skala der Änderung von einem Kelvin auf der Kelvin-Skala. Die Umrechnung von der Kelvin-Skala in die Celsius-Skala oder umgekehrt ist einfach, da Sie einfach 273 addieren oder subtrahieren.
Abbildung 5. Vergleich der drei verschiedenen Temperaturskalen.
Die Umrechnung zwischen der Celsius- und der Fahrenheit-Temperaturskala ist etwas kniffliger, aber dennoch nicht allzu schwierig. Um von Fahrenheit in Celsius umzurechnen, multiplizieren Sie zuerst die Temperatur in Celsius (TC) mit 1,8 und addieren dann 32, in dieser Reihenfolge.
\text{T}_{\text{F}}=1.8\times\text{T}_{\text{C}}+32
Um von Celsius in Fahrenheit zu konvertieren, subtrahieren Sie zuerst 32 von der Temperatur in Fahrenheit und teilen Sie dann durch 1.8, in dieser Reihenfolge.
\displaystyle\text{T}_{\text{C}}=\frac{\text{T}_{\text{F}}-32}{1.8}
Zusammenfassung
- Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen in der Materie.
- Die Fahrenheit-Skala definiert den Gefrierpunkt von Wasser mit 32°F und den Siedepunkt mit 212°F.
- Die Celsius-Skala legt den Gefrierpunkt und den Siedepunkt von Wasser auf 0°C bzw. 100°C fest.
- Die Kelvin-Skala basiert auf der Molekularbewegung, wobei die Temperatur von 0 K, auch bekannt als absoluter Nullpunkt, der Punkt ist, an dem alle Molekularbewegungen aufhören.
Praxis
Beantworten Sie die folgenden Fragen:
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- Welches Gemisch benutzte Fahrenheit, um sein Thermometer auf null Grad einzustellen?
- Warum wird die Celsius-Skala in der wissenschaftlichen Arbeit gegenüber der Fahrenheit-Skala bevorzugt?
- Was war die Idee hinter der Etablierung der Kelvin-Temperaturskala?
- Was ist der Vorteil der Verwendung der Kelvin-Skala bei niedrigen Temperaturen?
Rückblick
- Was ist der absolute Nullpunkt auf der Celsius-Temperaturskala?
- Was sind die Gefrier- und Siedepunkte von Wasser auf der Celsius-Skala?
- Konvertieren Sie die folgenden Kelvin-Temperaturen in Grad Celsius.
- 188 K
- 631 K
- Temperaturen in Grad Fahrenheit können in Celsius umgerechnet werden, indem man zuerst 32 subtrahiert und dann durch 1,8 dividiert. Wie hoch ist die Celsius-Temperatur draußen an einem warmen Tag (88°F)?
- Warum wird die Celsius-Skala manchmal „Celsius“ genannt?
Glossar
- Kinetische Energie: Die auf Bewegung zurückzuführende Energie
- Temperatur: Ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen in der Materie. Im Alltagsgebrauch bedeutet Temperatur, wie heiß oder kalt ein Objekt ist
- Temperaturskala: Eine Möglichkeit, die Temperatur quantitativ zu messen. Es gibt drei wichtige Skalen, die heute verwendet werden.