Temperatur

 

 

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Hier erfahren Sie etwas über

 

Temperatur

Damit wird es nun Zeit, den Begriff der Temperatur zu definieren:
    Temperatur ist der fühlbare oder meßbare Ausdruck von Wärmeenergie.

Es gibt zwei unterschiedliche Temperaturbegriffe:

  • Strahlungstemperatur
  • kinematische Temperatur.
Temperatur

Die Strahlungstemperatur

In der Astronomie wird unter dem Stichwort Strahlungstemperatur aus dem Erscheinen oder Verschwinden bestimmter Spektrallinien im Spektrum des Sternenlicht auf die Strahlungsintensität des Sterns und damit auf dessen Temperatur geschlossen.

Damit ist klar, daß Strahlung selbst hat keine Temperatur hat. Strahlung wird allenfalls von einem Körper emitiert, die dann anderswo empfangen werden kann. Wird sie dort von einem Körper absobiert, kann dieser Körper die so empfangene Energie wieder selbst abgeben. Ein an diesen Körper gehaltenes Thermometer mißt dann das Maß der absorbierten Strahlung in Form des Temperaturanstiegs dieses Körpers. Bei der Temperaturmessung wird die Temperatur des Körpers durch Kontakt (= Leitung) auf den Körper des Thermometers übertragen. Gemessen wird also wieder die kinematische Temperatur des Körpers.

Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Absorption und Emission eines realen Körpers im thermischen Gleichgewicht. Es besagt, daß Strahlungsabsorption und -emission einander entsprechen: Eine schwarze Fläche heizt sich leichter auf als eine weiße, wie die weiß getünchten Häuser in südlichen Ländern zeigen, dafür gibt sie die (Wärme-)Strahlung auch leichter wieder ab. Kühlbleche oder Backformen sind daher oft schwarz eloxiert.

In diesem Zusammenhang darf noch das Wien'sche Verschiebungsgesetz erwähnt werden, wonach die Wellenlänge, bei der die maximale Energie emittiert wird, sich proportional zu steigender Tempertur verkleinert.

Je heißer, desto kürzer die Wellenlänge, d.h. umso heller die Farbe.

Jeder kennt diese Tatsache aus dem Alltag:
Halten wir ein Stück Eisen in ein Feuer, so glüht es zuerst rot, dann gelb und danach weiß.
Schalten wir eine Kochplatte ein, passiert das gleiche.
Danach wird sie wahrscheinlich wieder schwarz
... und ist kaputt.

Die kinematische Temperatur

ist die Temperatur, die ein Thermometer oder ein Finger bei Berührung mit einem Körper oder einer anderen Substanz (Flüssigkeit, Gas) mißt bzw. fühlt.
Alle festen Stoffe, Flüssigkeiten und Gase bestehen aus Atomen und Molekülen. Diese befinden sich in ständiger Bewegung ("Braunsche Molekularbewegung“) und zwischen ihnen wirken Kräfte. Die Geschwindigkeiten der Teilchen eines Stoffes sind unterschiedlich groß, schwanken jedoch um einen Mittelwert herum. Wie groß die mittlere Geschwindigkeit aller Teilchen eines Stoffes ist, hängt vor allem von der Temperatur ab.
Für feste, flüssige und gasförmige Körper gilt:

  • Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto größer ist die mittlere Geschwindigkeit aller Teilchen des Stoffes, aus dem der Körper besteht.

Die Temperatur ist somit das Resultat der Bewegung der Atome und Moleküle des Körpers bzw. der Substanz ("Braunsche Molekularbewegung“). Am absoluten Temperatur-Nullpunkt (Temperatur 0 Kelvin (K) = - 273 °C) befinden sich die Moleküle im völligen Bewegungsstillstand. Die kinematische Energie ist damit das Maß für die im Körper oder in der Substanz enthaltenen Wärmeenergie. Diese Wärmeenergie entspricht also der Temperatur des Körpers bzw. der Substanz.
Temperatur ist somit eine Zustandsgröße der Thermodynamik und beschreibt die mittlere kinetische Energie der Moleküle eines Systems.

    bullet_27.gif  Die kinematische Temperatur ist der übliche Temperaturbegriff in der Meteorologie und Klimatologie.

Oberflächentyp

 Wärmekapazität (kJ/kg*K)

Kupfer

0,38

Eisen

0,46

Aluminium

0,90

Beton

0,92

Lehmboden

 

    0 % Wasseranteil

0,89

  20 % Wasseranteil

1,25

  40 % Wasseranteil

1,55

Quarz

0,80

Luft

1,01

Eis

2,10

Holz

2,39

Wasser

4,18

Jeder Körper oder Substanz hat eine spezifische sog. Wärmekapazität. Sie gibt an, wieviel Energie notwendig ist, um diesen um ein Grad zu erwärmen.

    Braunsche Molekularbewegung

Ist die Wärmekapazität hoch, wie z.B. bei Wasser mit 4,18, ist viel Wärmeenergie notwendig, um es zu erwärmen. Ist die Wärmekapazität klein, wie z.B. bei Wüstensand mit 0,80, ist nur wenig Wärmeenergie erforderlich, um diesen zu erwärmen.
In der Küche werden daher bevorzugt Töpfe aus Eisen, Kupfer oder Aluminium verwendet.

Bei gleicher Wärmemenge erwärmt sich also Sand viel stärker als Ozeanwasser, eine trockene Heide stärker als eine Moorwiese.

Damit ist auch schon gesagt, wehalb wir im Segelflug bei sonst gleichen Bedingungen über der Heide oder steinigem Untergrund regelmäßig besseres Steigen finden werden als z.B. über der Moorlandschaft am Federsee.

Die Vermessung der Welt
... oder genauer: Die Messung der Atmosphäre

Die Temperatur zu messen ist verhältnismäßig neu. Frühe Wissenschaftler kannten zwar den Unterschied zwischen "heiß" und "kalt", aber sie hatten bis zum 17. Jahrhundert keine Methode, unterschiedliche Grade der Hitze zu messen. 1597 erfand italienischer Astronom Galileo Galilei ein einfaches Wasserthermoskop, ein Gerät, das aus einer langen Glasrohr bestand, welches umgekehrt in einem versiegelten Glas stand und sowohl Luft als auch Wasser enthielt. Wenn das Glas erhitzt wurde, dehnte sich die Luft aus und verdrängte die Flüssigkeit im Glasrohr. Der Wasserspiegel im Glasrohr konnte bei verschiedenen Temperaturen verglichen werden, um Veränderungen bei zu- oder abnehmender Wärmezufuhr festzustellen. Damit hatte das Thermoscop aber den Mangel, die Temperatur einer Substanz nicht direkt messen zu können.

Jahre später verbesserte der italienische Arzt und Erfinder Santorio Santorio das Design von Galileo, indem er eine numerische Skala zum Thermoskop hinzufügte. Diese frühen Thermoskope führten zur Entwicklung der mit einer Flüssigkeit gefüllten Thermometer, wie sie heute allgemein verwendet werden. Moderne Thermometer beruhen auf der Eigenschaft von einigen Flüssigkeiten, sich bei Wärmezufuhr auszudehnen. Wenn die Flüssigkeit abkühlt, zieht sie sich zusammen und besitzt folglich ein kleineres Volumen. Der Stand der Flüssigkeit entspricht der jeweiligen Temperatur und kann an der Skala abgelesen werden.

Temperatur ist also das Maß Wärmeenergie, die eine Substanz besitzt. Weil die Temperatur ein Verhältnismaß ist, müssen für die Temperaturmessung auf entsprechenden Bezugspunkte beruhende Skalen verwendet werden.

Meßmethoden und -instrumente

Bimetall-Zeigerthermometer

Die Messung der Lufttemperatur erfolgt meist durch Thermometer oder Meßfühler. Erstere sind in der Ausführung als Ausdehnungsthermometer meist mit Alkohol oder Quecksilber gefüllt, während die Sensoren überwiegend mit Halbleiter- oder Thermoeffekt arbeiten. Für weniger genaue Messungen werden auch Bimetallstreifen verwendet.

Beim Ablesen muß man allerdings - wie bei anderen Skalen - darauf achten, rechtwinklig auf die Skala zu blicken, andernfalls kann ein sog. Parallaxen-Fehler von 1° und mehr entstehen. Meßfehler können auch  durch das Anbringen des Thermometers an einer ungünstigen Stelle entstehen. Ein Außenthermometer sollte daher immer im Norden des Gebäudes montiert werden. Neben der Eigenwärme des Gebäudes, wogegen schon einige Zentimeter Abstand helfen, kann auch die Rückstrahlung eines Nachbargebäudes die Messung durchaus um 1 - 2 °C verfälschen. Zudem braucht die Angleichung eines Thermometers an die Lufttemperatur eine gewisse Zeit, die von einigen Minuten bis zu einer halben Stunde dauern kann. Ist zum Beispiel mit einem relativ trägen Zimmerthermometer ein rasches Ergebnis nötig, kann man die Ablesung durch Schwenken des Thermometers mit gestreckter Hand beschleunigen. Die "Halbwertszeit" beträgt dafür ca. 20 Sekunden, d.h. nach dieser Zeit hat der „künstliche Wind“ die Anzeige auf der Skala um 50 % dem wahren Wert angenähert. Die Schätzung der Lufttemperatur kann bei Windstille und entsprechender Erfahrung auf 1 - 3 °C genau gelingen. Bei Wind wird die gefühlte Temperatur jedoch durch den "wind chill" erheblich kälter eingeschätzt ("Schätzen kann Fehlen").

Um Temperaturwerte, die an unterschiedlichen Orten und Höhen gemessen wurden, vergleichen zu können, bedient man sich der sog. potentiellen Temperatur. Die potentielle Temperatur ist die Temperatur, die ein Luftpaket hätte, wenn man es auf ein Referenzniveau des Drucks (normalerweise 1000 hPa) bringen würde. Möchte man den Effekt, den der Wasserdampf auf die Luftdichte hat herausrechnen, so benutzt man die virtuelle Temperatur. Die virtuelle Temperatur ist die Temperatur, die ein wasserdampffreies Luftpaket haben müsste, um dieselbe Dichte aufzuweisen wie die Luft mit Wasserdampf.

Meßgenauigkeit

Eine Messung auf eine Dezimalstelle, also 0,1 °C genau, ist die äußerste Meßgenauigkeit, die im Freien noch möglich bzw. sinnvoll ist, denn bereits leichte Luftbewegungen haben einen Einfluß von einigen Zehntelgrad. Außerden treten auch schon bei Windstille horizontale Temperaturgradienten in der Größenordnung von 0,1 °C pro Meter auf, die mit Sonnenstand, Untergrund und Bewuchs stark schwanken können und in Bodennähe sogar mehrere Grad betragen können. Am stabilsten ist das sog. Temperaturfeld bei einem stark bewölkten bis bedeckten Himmel und mittelstarkem Wind. Bei Schönwetter ist es hingegen am unruhigsten.

Wetterhütte

Deswegen erfordert eine verläßliche Messung der Lufttemperatur auf etwa 0,5 °C Genauigkeit bereits erhebliche Vorkehrungen, insbesondere eine gut hinterlüftete Abdeckung der Sonnen- und Wärmestrahlung von Boden und Gebäuden. Der beste Aufstellungsort für einen Temperatursensor bzw. ein Thermometer ist deshalb eine schattige Stelle im Norden eines freistehenden Gebäudes. Für Laien ist dann eine Meßgenauigkeit von etwa 1 °C erreichbar, wenn obige Voraussetzungen gegeben und das Meßgerät genähert geeicht sind. Andernfalls können Fehler bis zu 3 °C auftreten, bei ungenügendem Strahlungsschutz auch über 5 °C.

Die Wetterstationen der Meteorologen messen die Temperatur in verschiedenen Höhen, einerseits um Aussagen über die Strahlungs- bzw. Energiebilanz zu erhalten, andererseits um die oben angeführten Effekte teilweise berücksichtigen zu können. Als Lufttemperatur wird die Temperatur bezeichnet, die in exakt 2 m Höhe in einer Wetterhütte strahlungsgeschützt gemessen wird. Zusätzlich wird die Bodentemperatur gemessen: Üblich sind die Meßtiefen 5, 10, 20, 50 und 100 cm im Erdboden.

 

Temperaturskalen

Es gibt drei Hauptskalen, die allgemein verwendet:

    • die Celsius-Skala (°C)
    • die Fahrenheit-Skala (°F) und
    • die Kelvin-Skala (K) .
  • Celsius
    1742 führte der schwedische Mathematiker Anders Celsius (1701-1744) die nach ihm benannte Temperaturskala ein. Sie richtet sich nach der Änderung der Aggregatzustände von destilliertem Wasser bei
    1 atm Druck (0 °C = Schmelzpunkt von Eis; 100 °C = Siedepunkt von Wasser). Die Temperaturspanne dazwischen unterteilte er in 100 gleich große Abstände zu je 1°.
     
  • Fahrenheit
    1714 definierte der deutsche Physiker Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736) die nach ihm benannte Temperaturskala. Als ein Fixpunkt diente ihm der Schmelzpunkt von (Wasser-)Eis. Als zweiter Referenzpunkt nahm er den Dampfpunkt von Wasser. Den Schmelzpunkt von Eis setzte er auf 32 °F fest und den Siedepunkt von Wasser auf 212 °F. Die Temperaturspanne dazwischen unterteilte er in 180 gleich große Teile zu je 1°. Diese Temperaturskala ist vor allem in USA gebräuchlich.
     
  • Kelvin
    Der englische Physiker William Thomson, geadelt zu Lord Kelvin, entdeckte den absoluten Nullpunkt. Die nach ihm genannte Temperaturskala ist eine verschobene Celsius-Skala, die im absoluten Temperatur-Nullpunkt (- 273,15 °C) beginnt. Temperaturunterschiede sind wie in der Celsiusskala. Ein Temperaturunterschied von 1 K ist ein Temperaturunterschied von 1 °C. Die Temperaturmessung in Kelvin wird vornehmlich in der Wissenschaft verwendet. 

Temperaturskalen

 

Zusammenhang:
   0° C =   32° F = 273 K
100° C = 212° F = 373 K

Die Temperatur wird in der Meteorologie gemäß dem internationalen Einheitensystem in Kelvin (K) oder Grad Celsius (°C) gemessen (Ausnahmen sind: USA und Groß-Britannien, wo die Messungen in Grad Fahrenheit (°F) erfolgen). Alle drei Skalen sind durch zwei Fixpunkte festgelegt. Dabei gelten nur für die Celsius- und die Kelvin-Skala dieselben Fixpunkte:

Fixpunkt

Celsius-Skala
T in °C

Kelvin-Skala
T in K 

Fahrenheit-Skala
T in °F

Temperatur von schmelzendem reinem Eis 

0 °C    

273,15 K 

32 °F

Temperatur von siedendem reinem Wasser
bei einem Luftdruck von 1013,25 hPa

100 °C  

373,15 K

212 °F

 

Skalenumrechnung

Jede der 3 Temperaturskalen erlaubt es uns, für die gemessene Wärmeenergie exakte Werte anzugeben.

Das Temperatumaß der 3 Skalen kann mit einfachen Formeln leicht in das Maß einer anderen Skala umgewandelt werden. Weil z.B. 9° F = 5° C sind, entsprechen 5/9 der Grade Fahrenheit minus 32 der Zahl der Grade Celsius.

von

  in Fahrenheit

  in Celsius

  in Kelvin

°F

F

(ºF - 32)*5/9

(ºF-32)*5/9+273,15

°C

(ºC * 9/5) + 32

C

ºC + 273,15

K

(K-273,15)*9/5+32

K - 273.15

K

Im übrigen haben wohl alle praxistauglichen Navigationsrechner entsprechende Markierungen oder Rechenprogramme zur Umrechnung.

 

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