3. Temperatur#
In vorangegangenen Kapiteln wurde bereits beschrieben, dass die Temperatur die mittlere kinetische Energie der Teilchen in einem Material beschreibt. Dies bedeutet, dass die Temperatur ist eine Zustandsgröße ist, die den physikalischen Zustand eines Vielteilchensystems makroskopisch beschreibt. Damit stellt sie ein objektives Maß dafür da, wie warm oder kalt ein Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.
Eine Temperatur kann daher nur für ein System bestimmt werden, welches sich im Gleichgewicht befindet. Haben die Teilchen in einem System in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche durchschnittliche Geschwindigkeiten, werden Ausgleichsprozesse stattfinden. Die Temperatur des Systems kann erst nach Beeindigung dieser Ausgleichsprozesse bestimmt werden.
Teilt man ein System in zwei Systeme auf, so haben beide Teilsysteme dieselbe Temperatur wie das ursprüngliche System. Dies bezeichnet man auch als intensive Zuustandsgröße (im Gegenteil zu einer extensiven Zustandsgröße wie beispielsweise der Masse eines Systems).
Die tiefste mögliche Temperatur ist definiert durch Nullbewegung auf mikroskopischer Ebene (= absoluter Nullpunkt). Dieser wird real nie erreicht. Da die Richtung der Bewegung für die statistische Betrachtung der kinetischen Energie keine Rolle spiel, gibt es logischerweise keine negative Temperatur.
3.1. Einheiten#
Die SI-Einheit der Temperatur ist 1 Kelvin (1 \(K\)). Dieses ist so definert, dass \(0\, K\) mit dem absoluten Nullpunkt übereinstimmt. Es gibt jedoch weitere anerkannte Temperatureinheiten wie das Grad Celsius (\(^\circ \, C\)) oder das Grad Fahrenheit (\(^\circ \, F\)).
Fig. 3.16 Anerkannte Temperatureinheiten im Vergleich#
Das Grad Celsius (\(^\circ \, C\)) und das Grad Fahrenheit (\(^\circ \, F\)) sind historische Größen. Das Grad Celsius (\(^\circ \, C\)) verwendet als Referenzpunkte die Schmelz- und die Verdampfungstemperatur von Wasser. Das Grad Fahrenheit (\(^\circ \, F\)) wurde von einem dänischen Physiker entwickelt, as Referenzpunkte wählte er die damals niedrigste erreichbare Temperatur (durch eine Mischung aus Eis, Wasser und Salmiak) und die Körpertemperatur eines gesunden Menschen. Das Grad Fahrenheit (\(^\circ \, F\)) wird oft im englischensprachigen Raum verwendet.
Es gilt:
\(\left( T \textnormal{ in } C \right) = \left( T \textnormal{ in } K \right) - \)273.15$
\(\left( T \textnormal{ in } F \right) = 1.8 \cdot \left( T \textnormal{ in } C \right) + 32\)