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Temperatur 1. Wärme = Temperatur ? Jeder Gegenstand hat eine bestimmte Temperatur: Zimmertemperatur, Umgebungstemperatur, lauwarm, kalt, heiß Temperatur.

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Präsentation zum Thema: "Temperatur 1. Wärme = Temperatur ? Jeder Gegenstand hat eine bestimmte Temperatur: Zimmertemperatur, Umgebungstemperatur, lauwarm, kalt, heiß Temperatur."—  Präsentation transkript:

1 Temperatur 1

2 Wärme = Temperatur ? Jeder Gegenstand hat eine bestimmte Temperatur: Zimmertemperatur, Umgebungstemperatur, lauwarm, kalt, heiß Temperatur beschreibt einen Zustand (Zustandsgröße) 2 willkürliches Maßsystem (Celsius, Fahrenheit) Temperaturmessung mittels Volumenänderung (Thermometer): technisch wichtig sind Substanzen, deren Ausdehnung proportional zur Temperaturänderung ist: l ~ T bei Gasen: absolutes Maßsystem (Kelvin) Änderung des Zustands bei Temperaturänderung: Änderung der Temperatur durch Wärmeübertragung: Wärmeaufnahme oder Wärmeabgabe Wärme wird stets von Körpern höherer Temperatur an Körper niedriger Temperatur übertragen. Wärmeübertragung (vgl. Arbeitsverrichtung) bewirkt eine Zustandsänderung

3 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 oder Anstrahlen mit einem anderen heißen Körper (Sonne, Ofen) Die innere Energie ist auch eine Zustandsgröße. Wärme und Arbeit dienen der Übertragung von Energie. 3

4 Der Wärmesinn Menschen sind wie alle Säugetiere gleichwarm. Ihre Körpertemperatur liegt deutlich höher als die durchschnittliche Umgebungstemperatur. registriert wird der Unterschied der Hauttemperatur und damit die vom Körper an die Umgebung abgegebene Wärmemenge: Temperatur Der Wärmesinn besteht aus zwei Nervensystemen: –Wärme-Sinnes-Zellen an der Grenze Unterhaut-Lederhaut –Kälte-Sinnes-Zellen an der Grenze Lederhaut-Oberhaut Subjektive Wärmemengenbestimmung 4

5 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 Wertzuordnung (Skalierung) durch die Fixpunkte Kältemischung und Körpertemperatur des Menschen 5

6 Objektive Temperaturmessung Messen heißt Vergleichen! - Längenänderung von Festkörpern - Volumenausdehnung von Flüssigkeiten - Volumenausdehnung von Gasen Alle 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 Wärmemenge. Temperatur Der Standard ist ein Objekt aus der Natur, das sich für die Vergleichs- methode eignet: 6

7 Absolute Temperatur Zur Erklärung hat man die kinetische Gastheorie entwickelt: Temperatur ist durch die Bewegungsenergie der Gas-Teilchen gegeben; wenn Gase kein Volumen benötigen, bewegen sich ihre Teilchen nicht mehr: absoluter Temperaturnullpunkt (im idealen Gas gibt es keine Lageenergie : E innere = E Bew + E Lage = E Bew ) Temperatur Alle Gase zeigen gleiches Temperaturdehnungsverhalten. Man kann einen Temperaturwert konstruieren, bei dem das Volumen aller Gase verschwindet. 7

8 Festlegung: Symbol T; Einheit [T] = 1K; absoluter Nullpunkt 0 K = - 273,15 °C Skalenweite entspricht der Celsiusskala Absolute Temperatur & Kelvin-Skala Auf 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 sich daher darauf verständigt, Temperatur- differenzen immer in Kelvin anzugeben: Δ = 10°C = 10 K = ΔT 8

9 Skalenvergleich Da 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 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: bzw. Temperatur bzw. 9

10 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 10

11 Gasthermometer Gasthermometer 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 B1B1 h B2B2 B3B3 Quecksilber Das Gasvolumen im Gefäß B 1 wird durch Anheben oder Absenken des Gefäßes B 3 konstant gehalten, so dass der Quecksilbermeniskus in Gefäß B 2 stets auf gleicher Höhe (an der Nullmarke) steht. Die Temperatur ist proportional zum Gasdruck im Gefäß B 1. Dieser Druck wird durch die Höhe h der Quecksilbersäule im Gefäß B 3 angezeigt. Temperatur 11

12 Mechanisches Wärmeäquivalent Mechanische Arbeit führt zur Temperaturerhöhung ! Durch Reibung wird dem Kupferzylinder Wärme zugeführt, und dadurch die innere Energie des Kupfers erhöht. FFRFgFFRFg F FRFR FgFg F g = F + F R mit Gewicht 5 kg F = 1 N mit d = 47 mm n = 0 … 700, wobei die Proportionalitätskonstante C spezifische Wärmekapazität heißt.

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15 Thermische Ausdehnung von Flüssigkeiten Flüssigkeiten dehnen sich wesentlich stärker aus als feste Körper. 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 fest erfolgt nochmals eine Ausdehnung um 1/10 des Wasservolumens (aus 1l Wasser wird 1,1l Eis) Gewässer frieren immer von oben zu Temperatur 15

16 Thermische Ausdehnung von Festkörpern Erwärmt man einen Stab der Länge l 0 um die Temperaturdifferenz, so beträgt die Längenänderung: Bimetall-Streifen: Längenausdehnung von zwei übereinander- liegenden Metallen führt zur Krümmung des Metallstreifens Für den materialspezifischen Volumenausdehnungskoeffizienten gilt näherungsweise: Temperatur Der materialspezifische Längenausdehnungskoeffizient gibt die relative Längenänderung pro Temperaturintervall an. 16

17 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 17


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