Temperatur und Temperaturmessung: Celsius, Fahrenheit & Kelvin

Temperatur

Die Temperatur gibt an, wie heiss oder kalt ein Körper ist. Im deutschsprachigen Raum ist die Standardeinheit der Temperatur "Grad Celsius" ($$°C$$). Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto mehr Energie trägt der Körper in sich. 

Temperaturskalen

Die Celsiusskala

Der schwedische Naturforscher ​Anders Celsius (1701-1744) definierte die nach ihm benannte Celsiusskala wie folgt: Er bestimmte die Temperatur, bei welcher Eis zu schmelzen beginnt, als $$0°C$$ und  die Temperatur, ab welcher Wasser zu kochen beginnt, als $$100 °C$$. Mit diesen beiden Punkten ist die gesamte Skala definiert. Im Folgenden findest Du eine Tabelle mit typischen Temperaturwerten in der Einheit Grad Celsius:

Die Fahrenheitskala

Diese Temperaturskala, welche in den USA verwendet wird, wurde vom deutschen Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) entwickelt. Die Temperaturen in der nach ihm benannten Fahrenheitskala werden in der Einheit "Grad Fahrenheit" ($$°F$$) angegeben.

Die Fixpunkte hierbei waren einmal die Temperatur einer speziellen Salzlösung, welche als $$0°F$$ definiert wurde und auf der anderen Seite die Körpertemperatur eines Menschen, welche er auf $$96°F$$ setzte. Die folgenden Formeln dienen dazu, eine Temperatur in der Celsiusskala in eine Fahrenheit-Temperatur umzurechnen und umgekehrt.

Beispiel 1: Welche Temperatur in Grad Fahrenheit ist die höchste, welche je auf der Erde gemessen wurde?

Wie man der Tabelle entnehmen kann, ist die höchste Temperatur, welche je auf der Erde gemessen wurde $$56{,}7°C$$. Nutzen wir nun die zweite Formel aus der Umrechnungstabelle, so erhalten wir daraus den entsprechenden Fahrenheit-Wert:

$$\underline{\{\text{t}\}_{°F}}=\{\text{t}\}_{°C}\cdot \frac{9}{5}+32=56{,}7\cdot \frac{9}{5}+32=\underline{134°F}$$​​

Die heisseste, je auf der Erde gemessene Temperatur beträgt $$134°F$$.​

Beispiel 2: 

Ein Forscher verkündet, er hat die Temperatur eines grossen Eisblocks gemessen und sein Ergebnis waren $$42{,}8°F$$. Kann er damit recht haben?​

Diese Temperatur wird, diesmal mithilfe der ersten Formel aus der Tabelle, in die Einheit Grad Celsius umgerechnet:

​$$\{\text{t}\}_{°C}=(\{\text{t}\}_{°F}-32)\cdot \frac{5}{9}=(42,8-32)\cdot \frac{5}{9}=6°C$$​​

Der Forscher hat mit seiner Aussage ganz sicher unrecht. Eis kann nur Temperaturen unter $$0°C$$ haben, bei allem was darüber ist wird aus dem Eis Wasser.​

Der absolute Nullpunkt

Wie kalt kann es eigentlich werden? Dazu sollte man zunächst beachten, dass Temperatur eng mit der Energie zusammenhängt. Je wärmer er ist, desto mehr (thermische) Energie trägt ein Körper in sich. Andersrum funktioniert das ebenso- je kälter es wird, desto weniger Energie trägt ein Körper in sich. Aber irgendwann ist Schluss. So etwas wie "negative thermische Energie" gibt es nicht, was bedeutet, dass ein Körper irgendwann sein absolutes Minimum an thermischer Energie erreicht hat. Und mit ihm auch die niedrigste mögliche Temperatur, den absoluten Nullpunkt. Diese Temperatur liegt bei $$-273{,}15°C$$. Kälter als das kann es nicht werden. 

Und wie warm kann es werden? Auf der anderen Seite der Temperaturskala gibt es ein solches Ende nicht. Wie man in der Tabelle oben sehen kann: Auch Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius sind möglich. Dabei gibt es noch viel heissere Orte im Universum als im Inneren unserer Sonne.

Die Kelvinskala

Der Physiker William Thomson, genannt Lord Kelvin, entwickelte diese Temperaturskala, indem er sich am absoluten Nullpunkt orientierte. Er setzte den absoluten Nullpunkt als unteres Ende der Skala- als $$0$$ Kelvin ($$0 \ K$$). Diese Temperaturskala wird vor allem für Temperaturdifferenzen verwendet. Hierbei ist zumindest die Umrechnung zur Celsiusskala sehr angenehm: Es macht keinen Unterschied, ob es $$5\ K$$ wärmer wird oder ob es $$5°C$$ wärmer wird. Da sich die Kelvinskala am absoluten Nullpunkt orientiert, gibt es keine negativen Kelvin-Temperaturen. Die Umrechnung zwischen Grad Celsius und Kelvin funktioniert wie folgt:

Beispiel:

Für ein technisches Bauteil benötigt ein Element eine sehr tiefe Temperatur, um zu funktionieren, nämlich $$92\ K$$. Welcher Temperatur entspricht dies in der Einheit $$°C$$?

Dazu benötigt man die zweite der beiden Umrechnungsformeln: 

​$$\underline{\{\text{t}\}_{°C}}=\{\text{t}\}_{K}-273{,}15=92-273{,}15=\underline{-181{,}15°C}$$​​

​

Das Bauteil benötigt eine Temperatur von $$-181{,}15°C$$.​

Temperaturabhängige Prozesse

Abhängig davon, welche Temperatur herrscht, kommt es zu verschiedenen Erscheinungen oder Prozessen. Am Beispiel von Wasser kann man das bereits sehen: wenn es sehr kalt ist (also unter $$0°C$$), dann wird aus Wasser Eis. Bei höheren Temperaturen (also zwischen $$0°C$$ und $$100°C$$) ist das Wasser flüssig, während es ab einer Temperatur von $$100°C$$ verdampft. 

Es gibt viele weitere Beispiele für Prozesse, welche temperaturabhängig sind. Damit ein Kerzendocht beginnt, zu brennen, braucht dieser eine Mindesttemperatur. Wenn ein technisches Gerät, wie das, worauf Du diesen Text hier gerade liest, funktionieren soll, dann darf es dafür nicht zu warm sein, weil das Gerät sonst überhitzt. PCs haben deswegen beispielsweise Kühler eingebaut. 

Ein Prozess, welcher bei Temperaturerhöhung auftritt, ist beispielsweise die Längenausdehnung und die Volumenausdehnung von Körpern. Je wärmer es wird, desto länger wird ein Metallstab oder desto mehr Volumen nimmt eine Flüssigkeit ein. Deswegen ist es beispielsweise so, dass Konstrukteure von Brücken einen kleinen Spalt in die Brücke mit einbauen, damit die Teile genügend Platz haben, sich an heissen Sommertagen auszudehnen, ohne dass die Brücke einbricht. 

Die Volumenausdehnung von Flüssigkeiten kann man sich auch anderweitig zu nutze machen, nämlich als Messapparat für Temperaturen. Auf diese Weise funktionieren viele Thermometer. Je wärmer es ist, desto mehr dehnt sich die Flüssigkeit im Röhrchen des Thermometers aus. Anhand der Beschriftung des Thermometers kann man dann die aktuelle Temperatur ablesen.

Temperaturausgleich

Ein fundamentaler Prozess der Thermodynamik ist der Temperaturausgleich. Dies kann man im Alltag sehr oft beobachten. Wenn man eine heisse Tasse Kaffee oder Tee vor sich stehen hat und eine Weile wartet, so kühlt das Getränk immer weiter ab, bis es Raumtemperatur erreicht hat. Mit einem Eis passiert jedoch etwas gegenteiliges: Wenn man eine Kugel Eis hat, dieses aber nicht isst, sondern einfach wartet, dann erwärmt sich das Eis immer mehr, bis es irgendwann ganz geschmolzen ist und das flüssige Eis dieselbe Temperatur hat, wie der Raum darum. Allgemein gilt:

 In einem geschlossenem Raum (System) gleichen sich die Temperaturen von verschiedenen Körpern immer mehr an, bis die Temperaturen gleich sind.