Eilenburger Physikquiz

Grundwissen Temperatur und Wärme

1. Größen und Einheiten

Größe	Formelzeichen	Einheit	Messgerät	Bedeutung
Temperatur	Theta	Grad Celsius, °C	Thermometer	Celsiustemperatur
Temperatur	T	Kelvin, K	Thermometer	Kelvintemperatur
Wärmemenge	Q	Joule, J		Gibt an, um wieviel sich die thermische Energie eines Körpers ändert, wenn er seine Temperatur ändert.
spezifische Wärmekapazität	c	Joule je Kilogramm und Kelvin		Gibt an, welche Wärme zugeführt oder abgegeben wird, um die Temperatur eines Kilogramms eines Stoffes um 1 K zu ändern.
Druck	p	Pascal, Pa		Gibt an, wie groß die Kraft auf eine bestimmte Fläche ist.
Volumen	V	Kubikmeter, m³, Liter, l	Messzylinder	Gibt an, wievielRaum ein Körper einnimmt.

2. Formeln

Wärmemenge

3. Zusammenhänge

Temperaturverhalten

Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen eines Stoffes. Je höher die Temperatur, um so schneller schwingen die Teilchen und um so mehr Platz beanspruchen sie. Bei Temperaturerhöhung dehnen sich die meisten Stoffe aus.
Wasser macht eine Ausnahme: kühlt man Wasser ab, zieht es es sich bis 4°C zusammen, dehnt sich dann aber wieder aus. Wasser hat bei 4°C seine größte Dichte.

Ein Körper lässt sich solange abkühlen, bis die Teilchen nicht mehr schwingen. Diese niedrigste Temperatur ist für alle Stoffe gleich und heißt absoluter Nullpunkt. Er liegt bei -273,15 °C = 0 K.

Temperaturskalen

Es gibt verschiedene Temperaturskalen. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in der Festlegung der Fixpunkte.

Celsius-Temperatur
0°C = Schmelzpunkt des Wassers
100°C = Siedepunkt des Wassers

Fahrenheit-Temperatur
0°F = Salz-Eis-Gemisch = -17,8 °C
100°F =Körpertemperatur des Menschen = 37,8 °C

Kelvin-Temperatur
0 K = absoluter Nullpunkt, Wärmebewegung der Teilchen hat aufgehört.
Es gilt: 0 K = 273,15 °C.

Temperaturunterschiede: 1 K = 1 °C

Ein Temperaturregler macht es möglich, mit Hilfe eines Temperaturfühlers, die derzeitige Temperatur von Luft oder Wasser zu messen. Je nachdem welche Soll-Temperatur vorgesehen ist, erhitzt der Regler anschließend das Wasser oder die Luft oder kühlt dementsprechend ab. Auch als Thermostat bekannt, wird der Regler oft in der Aquaristik und zur Innenraumbeheizung verwendet.

Gasgesetze

Der Zustand eines Gases kann durch die drei Größen Druck, Volumen und Temperatur beschrieben werden. Lässt man jeweils eine Größe konstant, gelten zwischen den anderen beiden folgende Zusammenhänge:

Boylsches Gesetz: Bei konstanter Temperatur sind Druck und Volumen zueinander umgekehrt proportional.	Beispiel: Presst man einen Luftballon zusammen, erhöht sich im Ballon der Druck.
Gesetz von Amontos: Bei konstantem Volumen sind Druck und Temperatur zueinander proportional.	Beispiel: Wird eine Spraydose in die Sonne gelegt, bleibt ihr Volumen gleich, die Temperatur erhöht sich und der Druck wird größer.
Gesetz von Gay-Lussac: Bei konstantem Druck sind Volumen und Temperatur zueinander proportional.	Beispiel: Erwärmt sich in einem Zimmer die Luft, erhöht sich das Volumen der Luft und strömt durch alle möglichen Öffnungen (z.B. Schlüsselloch) nach außen.

Aggregatzustandsänderungen

In der Thermodynamik werden3 Aggregatzustände unterschieden: fest, flüssig und gasförmig.
Bezeichnung der Übergänge:

fest -> flüssig	Schmelzen
flüssig -> gasförmig bei Siedetemperatur	Verdampfen
flüssig -> gasförmig unter der Siedetemperatur	Verdunsten
gasförmig -> flüssig	Kondensieren
flüssig -> fest	Erstarren
fest -> gasförmig	Sublimieren
gasförmig -> fest	Resublimieren

Ändert ein Stoff seinen Aggregatzustand, ist für diesen Übergang Energie notwendig. Diese Energie erhöht nicht die Temperatur des Stoffes, sondern dient allein zum Verändern der Teilchenanordnungen.

Wärmeübertragung

Wärme kann auf drei verschiedene Arten von einem Körper auf einen anderen übertragen werden:

Wärmeströmung	Ein flüssiger oder gasförmiger Stoff transportiert die Wärme, indem er selbst den Ort wechselt. Beispiel: An heißen Heizkörpern strömt die Luft vorbei und transportiert die Wärme ins Zimmer
Wärmeleitung	In einem Stoff breitet sich die Wärme aus, ohne das der Stoff seinen Ort wechselt. Die Energie wird durch die Teilchenbewegung weitergeleitet. Beispiel: Die Wärme des Herdes wird durch Leitung durch den Topf auf den Inhalt übertragen.
Wärmestrahlung	Wärme wird ohne einen Stoff durch elektromagnetischen Wellen (Infrarotstrahlung) übertragen. Beispiel: Sitzt man an einem Lagerfeuer, spürt man die Wärme des Feuers durch die Strahlung.