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Wärme = Temperatur? Jeder Gegenstand hat eine bestimmte Temperatur: Zimmertemperatur, Umgebungstemperatur, lauwarm, kalt, heiß Wärme wird stets von Körpern.

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

1 Wärme = Temperatur? Jeder Gegenstand hat eine bestimmte Temperatur: Zimmertemperatur, Umgebungstemperatur, lauwarm, kalt, heiß Wärme wird stets von Körpern höherer Temperatur an Körper niedriger Temperatur übertragen Temperatur Änderung der Temperatur: Wärmeaufnahme, Wärmeabgabe Wärme beschreibt eine Zustandsänderung Beschreibung des Zustands mittels Temperatur: willkürliches Maßsystem (Celsius, Fahrenheit) Wärmemessung mittels Volumenänderung (Thermometer): technisch wichtig sind Substanzen, deren Ausdehnung proportional zur Temperaturänderung ist: l ~ T Temperatur bestimmt weitere Zustandsgrößen: Volumen, Leitfähigkeit, Farbe, Aggregatszustand... 1

2 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 mit einem anderen heißen Körper –Strahlung z.B. Sonne, Ofen Die innere Energie ist eine Speicherform der Energie. Wärme, Arbeit und Strahlung sind Übertragungsformen. 2

3 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: –Wärmesinneszellen an der Grenze Unterhaut-Lederhaut –Kältesinneszellen an der Grenze Lederhaut-Oberhaut Subjektive Wärmemengenbestimmung 3

4 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 Skalenweite: 100 Teile Kontinentaleuropa und Kolonien Wertzuordnung (Skalierung) durch die Fixpunkte Kältemischung und Körpertemperatur des Menschen Skalenweite: 100 Teile Großbritannien und Kolonien 4

5 Objektive Temperaturmessung Messen im physikalischen Sinn ist ein Vergleichen mit einem allgemeingültigen Standard - 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 Wärmeenergiemenge. Temperatur Der Standard ist ein Objekt aus der Natur, das sich für die Vergleichs- methode eignet: 5

6 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. 6

7 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 7

8 Thermische Ausdehnung von Gasen hohe Kompressibilität von Gasen im Unterschied zu Festkörpern und Flüssigkeiten: neben der Temperatur und dem Volumen wird auch die Zustandsänderung des Drucks untersucht: Isotherm (T konstant): p * V = konstant Isobar (p konstant): V / T = konstant Isochor (V konstant): p / T = konstant Allgemeines Gasgesetz: Die Volumenänderung ist für alle Gase gleich groß und proportional zur Temperaturänderung: Temperatur Animation: Zustandsänderung eines idealen Gases 8

9 Absolute Temperatur Extrapoliert man die Volumenausdehnungskurven verschiedener Gase zu immer kleineren Volumina, so stellt man fest, dass sie sich alle in einem Punkt auf der Abszisse treffen: -273,15°C Temperatur 9

10 Absolute Temperatur Das erlaubt zwei Aussagen: Zur Erklärung hat man das kinetische Wärmemodell entwickelt: Wärme ist die Bewegungsenergie der (Gas)Teilchen ; wenn Gase kein Volumen benötigen, bewegen sich ihre Teilchen nicht mehr: absoluter Temperaturnullpunkt Temperatur Alle Gase zeigen gleiches Wärmedehnungsverhalten. Man kann einen Temperaturwert konstruieren, bei dem das Volumen aller Gase verschwindet. 10

11 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 man sich daher darauf verständigt, Temperatur- differenzen immer in Kelvin anzugeben: Δ = 10°C = 10 K = ΔT 11

12 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. 12

13 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 13

14 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 14

15 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 15


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