Kalt, warm oder heiß? - Bayerischer Rundfunk

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Kalt, warm oder heiß?
Die Temperatur und ihre Messung
Ein Film von Wolfgang Voelker
Beitrag: Rupert Ernhofer
Inhalt
Überlebenswichtig:
das Wärmeempfinden des Menschen
entziehen wir den Lebensmitteln Wärme, damit
sie länger haltbar sind. Wasser kann je nach Zufuhr oder Abgabe von Wärme den Aggregatszustand wechseln.
Wärme & Energie
Ein Schüler taucht eine Hand in warmes, die andere Hand in eiskaltes Wasser. Dann senkt er
beide Hände in lauwarmes Wasser - und jede
Hand meldet eine unterschiedliche Temperatur
des gleichen Wassers. Das Wärmeempfinden
des Menschen eignet sich also nicht sonderlich
zur Messung von Temperaturen.
Unsere Sinne können Temperaturen nicht messen, aber Temperaturunterschiede anzeigen. Bei
einer Klassenfahrt in den hohen Norden muss
man sich durch geeignete Kleidung vor den niedrigen Temperaturen schützen. Aber auch der Arbeiter am Hochofen, der glühend flüssiges Roheisen ablässt, braucht eine Schutzkleidung.
Im täglichen Leben verwenden wir Wärme, um
Essen zu zubereiten, im Kühlschrank dagegen
© Bayerischer Rundfunk
Im 19. Jahrhundert gelang es englischen Ingenieuren, die Wärme in
mechanische
Energie
umzuwandeln.
Damit
war es möglich, Maschinen wie die Dampfmaschine bzw. Dampflokomotive zu entwickeln
und zu bauen. Wenn der
Schmied das Eisen erwärmt, kann er es formen
und den gewünschten Gegenstand herstellen.
Auch durch gezielte Hammerschläge auf einen
Gegenstand wird dem Körper Wärme zugeführt
Die Grad-Wanderung beginnt…
Mit dem Teilchenmodell
lässt sich erklären, was
in Körpern bei hoher
Temperatur bzw. bei
niedriger
Temperatur
geschieht. Außerdem ist
es möglich, die einzelnen Aggregatszustände
darzustellen.
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In einem Glaskolben mit einem
durch einen Pfropfen
befestigten
Glasrohr ist gefärbter
Alkohol
eingefüllt.
Der
Glaskolben wird in
Eiswasser
und
dann in siedendes
Wasser
solange
gehalten, bis die
Wassersäule nicht mehr fällt bzw. steigt. Diese
beiden Messpunkte werden markiert und als Eispunkt und als Siedepunkt des Wassers bezeichnet. Den Abstand zwischen diesen beiden Punkten unterteilt man in 100 gleiche Abschnitte. Dieses Verfahren hat der schwedische Physiker Celsius durchgeführt. Heutzutage werden verschiedenste Temperaturmessgeräte hergestellt. Die
Flüssigkeitsmessgeräte sind neben den heute
eingesetzten Digitalthermometern die am häufigsten benutzten Messgeräte.
Die Temperaturskala kann nicht im Minusbereich
beliebig erweitert werden, da bei -273°C der absolute Nullpunkt ist. Dies hat der englische Physiker Lord Kelvin entdeckt. Tiefere Temperaturen
sind nicht möglich, da keine Wärmebewegung
mehr stattfindet. Der absolute Nullpunkt hat die
Temperatur von 0°K (Kelvin). Unsere Trickfigur
Tobi Tüftler schließlich hat Probleme, die im
englischsprachigen Raum gebräuchlichen Fahrenheitgrade in Celsiusgrade umzurechnen.
So war es weiterhin sehr schwierig, die Temperaturen zu bestimmen und auch zu vergleichen.
Otto von Guericke (1602-1686) machte den Vorschlag, eine "Thermometerskala" zu verwenden,
die in folgende sieben Abschnitte eingeteilt war:
große Kälte
kalte Luft
etwas kalte Luft
milde Luft
etwas heiße Luft
heiße Luft
große Hitze
Eine große Weiterentwicklung der Temperaturskalen schaffte Fahrenheit. Der Physiker Daniel
Gabriel Fahrenheit (1686-1736) entwickelte eine
Temperaturskala, die als ersten Fixpunkt und somit als Nullpunkt die Temperatur einer Kältemischung aus Eis, festem Salmiak und Wasser hat.
Es soll die tiefste Nachttemperatur (-17,8°C) des
bitterkalten Winters von 1708/1709 in seiner Heimatstadt Danzig gewesen sein. Als zweiten Fixpunkt diente ihm wohl die eigene Körpertemperatur. Diesen Abstand teilte er in hundert gleiche
Teile. Man bezeichnet den Abstand zwischen 1.
Fixpunkt und 2. Fixpunkt als Fundamentalabstand. Die Fahrenheit-Skala wird heute noch in
den USA verwendet. Die Einheit ist Grad Fahrenheit (°F).
Fakten
Messverfahren für die Temperatur
Unser Wärmeempfinden eignet sich nicht sehr
gut zum Bestimmen von Temperaturen. Man
suchte über Jahrhunderte nach verlässlichen Methoden zur Temperaturempfindung. Außerdem
war auch eine anerkannte Temperaturskala wichtig. Im 17. Jahrhundert kamen aus Italien Thermoskope, bei dem man sich den Umstand zu
Nutze machte, dass sich Flüssigkeiten bei steigender Temperatur ausdehnen. Die Bauweise
war recht einfach. In einem Glaskolben befand
sich mit einem Pfropfen abgedichtet ein sehr langes Glassrohr. Im Glasrohr und im Glaskolben
befindet sich eine gefärbte Flüssigkeit, meistens
Alkohol. Der Flüssigkeitsstand im Glasrohr zeigt
die Raumtemperatur an. Je nach Durchmesser
der Glaskolben und der Glasrohre, war der Flüssigkeitsstand im Glasrohr bei jeder Apparatur anders.
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Der schwedische Astronom Anders Celsius entwickelte die heute weltweit gebräuchliche Temperaturskala, die so genannte Celsius-Skala. Er
verwendet für den 1. Fixpunkt siedendes Wasser
und für den 2. Fixpunkt Eiswasser. Diesen Abstand teilte er in 100 gleiche Teile ein und bezeichnet ein Teil als Grad. Damit war die
Schmelztemperatur von Eis nach Celsius bei
100° und die Siedetemperatur von Wasser bei
0°. Später vertauschte man die beiden Fixpunkte
und führte als Einheit Grad Celsius (°C) ein.
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Zwischen den beiden Temperaturskalen nach
Fahrenheit und Celsius bestehen folgende Zusammenhänge:
Siedepunkt des Wassers: 100°C oder 212°F
Schmelzpunkt des Eises: 0°C oder 32°F
1°C entspricht 1,8°F
Mit der Einführung der Celsius-Skala war es
weltweit möglich, Temperaturmessgeräte zu bauen, die auch die gleiche Temperatur für den gleichen Wärmezustand eines Körpers anzeigten.
Das Flüssigkeitsthermometer
Die Wirkungsweise von Flüssigkeitsthermometern
beruht
auf der gleichmäßigen Volumenausdehnung von Flüssigkeiten mit steigender Temperatur. Bei der Kalibrierung von
Thermometerskalen muss die
bei
Temperaturänderungen
gleichzeitig auftretende Volumenänderung des Glaskörpers
berücksichtigt werden. Der
Messbereich
von
Flüssigkeitsthermometern
hängt von der verwendeten Flüssigkeit ab. So
wird er durch den Eis- bzw. Siedepunkt der Thermometerflüssigkeit begrenzt. Zur Messung von
tiefen Temperaturen kann man Alkohol verwenden, der bis zu einer Temperatur von -100°C geeignet ist. Mit Pentan kann man eine Temperatur
von -130°C messen. Dieser Vorteil von Pentan,
hat auch einen Nachteil: Pentan siedet bei einer
Temperatur von 36°C. Eine sehr schlechte Thermometerflüssigkeit wäre Wasser.
temperaturabhängig. Im Messfühler ist so ein
Halbleiter eingeschmolzen. Bei steigender Temperatur ändert sich die Stromstärke, die durch
den Messkreis fließt.
Nun kann man einer bestimmten Stromstärke
eine ganz bestimmte Temperatur zuordnen. Lapidar gesagt macht man aus dem Stromstärkemessgerät ein Temperaturmessgerät. Die Vorteile von solchen elektrischen Thermometern sind
auch noch, dass man die Messfühler auch bei
Messungen an schwer zugänglichen Stellen verwenden kann, da das eigentliche Messgerät weiter entfernt sein kann. Beispiel hierfür sind Wassertemperaturmessung beim Auto, Öltemperatur
im Auto, Außentemperaturmessung, Heizungskessel, usw.
Das Teilchenmodell
Alle Körper sind aus
Teilchen aufgebaut,
die ständig Eigenbewegungen ausführen (thermische Bewegung der Teilchen).
Die
Geschwindigkeit
der
Teilchen ist dabei
unterschiedlich. Die Teilchen eines Körpers besitzen Bewegungsenergie (kinetische Energie).
Festkörper
•
Die Teilchen sind an ortsfeste
Gleichgewichtslagen gebunden.
•
Sie führen Schwingungen um ihre
Gleichgewichtslagen aus.
•
Zwischen den Teilchen wirken starke
Bindungskräfte (Kohäsionskräfte).
Das Digitalthermometer
Beim Digitalthermometer
handelt es sich
um ein Widerstandsthermometer, das eine
digitale Anzeige
hat. Die Widerstandsthermometer
haben
den größten Messbereich. Mit so einem Messgerät kann man Temperaturen von ca. -250°C bis
zu ca. 1000°C bestimmen. In so einem Messgerät wird ein elektronische Bauteil, ein so genannter Halbleiter verwendet. Diese Halbleiter sind
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Flüssigkeit
•
Die Teilchen sind nicht an ortsfeste
Gleichgewichtslagen gebunden.
•
Ungeordnete Schwingungsbewegungen um
wechselnde Gleichgewichtslagen.
•
Es wirken wesentlich kleinere
Kohäsionskräfte.
Gas
•
Die Teilchen sind in dauernder heftiger,
regelloser Eigenbewegung.
•
Zwischen den Teilchen wirken praktisch
keine Kohäsionskräfte.
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Didaktische Hinweise
Lehrplanbezüge (Bayern)
Haupt-/Mittelschule
5 PCB
8.1.3 Temperatur und Wärme
Temperatur als Maß für warm und kalt
Realschule
9 Physik I (3-stündig)
Ph 9.1 Wärmelehre
Innere Energie, Wärme, Temperatur
Temperatur als Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers
9 Physik II/III (2-stündig)
Ph 9.1 Wärmelehre
Innere Energie, Wärme, Temperatur
Temperatur als Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers
Gymnasium
8 Physik (2, NTG 2 + Profil)
Ph 8.2 Wärmelehre
Temperatur als Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen
Lernziele
Die Schüler/innen sollen kennen lernen und verstehen
•
die Unzulänglichkeit der Wärmeempfindung des Menschen zur Messung der Temperatur;
•
den Schutz vor sehr hohen und sehr niedrigen Temperaturen:
•
dass man im täglichen Leben oftmals mit hohen und niedrigen Temperaturen in Berührung
kommt;
•
dass Wasser, je nach Zufuhr oder Abgabe von Wärme, drei verschiedene Aggregatszustände
haben kann:
•
die Umwandlung von Wärme in andere Energieformen;
•
die Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme;
•
wie man das Teilchenmodell zur Erklärung von physikalischen Tatsachen anwenden kann;
•
dass zur Eichung von Temperaturmessgeräten der Eispunkt und der Siedepunkt von Wasser
verwendet wird;
•
die Temperaturenskalen, vor allem die Celsius-Skala;
•
die technische Herstellung von Thermometern;
•
den absoluten Nullpunkt bei der Temperaturmessung und die Kelvin-Skala.
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Anregungen
Die Sendung gliedert sich klar in folgende Abschnitte:
00’15" – 05’43"
Zuerst wird über das Wärmeempfinden des Menschen berichtet. Es wird gezeigt, wie wichtig das
Wärmeempfinden des Menschen im täglichen Leben ist (Abschnitt I).
05’43" – 08’23"
Die technischen Anwendungen der Energieumwandlung im Zeitalter der Industrialisierung bis heute.
Der Bau von Dampfmaschinen und die daraus folgende Entwicklung der Dampflokomotiven werden
in diesem Abschnitt II behandelt.
08’23" – 09’38"
Mit dem Teilchenmodell ist es möglich, sich Vorgänge im Mikrokosmos zu erklären. Dieses Modell ist
gerade im Bereich der Wärmelehre sehr hilfreich (Abschnitt III).
09’38" – 14’23"
Im Abschnitt IV wird ausführlich über die Messung der Temperatur, dass heißt über den Versuchsaufbau, die Versuchsdurchführung und das Versuchsergebnis berichtet. Der Bau und das Kalibrieren von Flüssigkeitsthermometern ist ausführlich dargestellt.
14:23" – 15:30"
Bei der von Lord Kelvin eingeführten Temperaturskala machte man sich die Überlegungen zu Nutze,
dass es keine tiefere Temperatur als -273°C geben kann. Diese Temperaturskala ist die so genannte
Kelvin-Skala. Der absolute Nullpunkt hat die Temperatur von 0°K -Kelvin - (Abschnitt V).
15:30" – 16:00"
Tobi Tüftler
Einsatz im Unterricht:
Der Abschnitt I bietet sich für den Einstieg in den Themenbereich an, da er auf die Schwierigkeiten
bei der Festlegung des Begriffes Temperatur und vor allem auf die Temperaturmessung hinweist.
Der Abschnitt II bietet sehr kompakt zum einen die Entwicklung der Dampfmaschine und zum anderen die Anwendungen der heutigen Zeit, wie Heizung und Kühlschrank.
Das Teilchenmodell wird im Abschnitt III behandelt. Auf diesen Abschnitt sollte man nicht verzichten.
Für das Thema Temperaturmessung als zentraler Abschnitt ist der Abschnitt IV. Dieser eignet sich
im Unterricht sehr gut, zum einen bei Ermangelung der Versuchsgeräte als anschauliche Darstellung
des Weges der Temperaturmessung und zum anderen ist dieser Abschnitt auch zur Wiederholung
und Auffrischung des Wissens der Schülerinnen und Schüler denkbar. Zum Abschnitt IV sollte unbedingt auch der Abschnitt V verwendet werden.
Arbeitsaufträge
Ein fiktives Interview mit Herrn Celsius
Sagen sie mal, Herr Celsius…
(aus STERN-MILLENNIUM)
STERN: Herr Professor Celsius, heutzutage scheint jeder Physiker seine eigene Thermometerskala
zu erfinden. 1742 haben auch Sie eine entwickelt, eingeteilt in hundert Grad.
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CELSIUS: Hundert Grade ergeben eine sehr schöne, gleichmäßige Einteilung der Instrumente. Den ken Sie nur, wie kompliziert das Rechnen ist, wenn man in Dutzend oder Schock zählt. Maße und
Gewichte sollte man nach dem Dezimalsystem ordnen. Und wie sie zustande kommen, muss jeder
verstehen können. Nicht wie bei der verschrobenen Skalierung, die Herr Fahrenheit ersonnen hat.
STERN: Was stört Sie denn an den Thermometern Ihres Kollegen?
CELSIUS: Lassen Sie mich zunächst sagen: Ganz allgemein stört mich, dass wir keine ideale Füllung für unsere Geräte haben. Im Norden meiner Heimat Schweden wird es oftmals so kalt, dass das
Quecksilber hart wird.
STERN: Wir wollten über Fahrenheit sprechen.
CELSIUS: Was mich ärgert, sind die sonderbaren Bezugspunkte seiner Skala. Zum Beispiel "blutwarm". Damit meint Fahrenheit die Temperatur, die ein gesunder menschlicher Körper haben soll.
STERN: Ist das denn nicht sehr einprägsam?
CELSIUS: Auf den ersten Blick. Aber er bezeichnet diese Temperatur nicht mit 100, nicht mit Null,
nein: 96 Grad sind es. Wenn Wasser gefriert, herrschen auch nicht null Grad Fahrenheit, sondern 32.
Seinen Nullpunkt hat er mittels einer gefrorenen Mischung aus Wasser und Salmiak bestimmt. Da
fragt man sich doch auch, was das soll.
STERN: Und wie haben Sie ihr Thermometer eingeteilt?
CELSIUS: So, wie es einzig Sinn macht: hundert Grad, wenn das Wasser friert. Null, wenn es kocht.
STERN: Werter Professor, Ihre Skala steht auf dem Kopf?
CELSIUS: In irgendwas muss ich mich ja von anderen Thermometerbauern unterscheiden dürfen!
Sollen doch andere mein großes Werk vom Kopf auf die Füße stellen, wenn sie meinen, sie müssten.
Bearbeiten des Arbeitsblatts.
Literatur
Steiner, Dietmar; Ernhofer, Rupert u. a. Newton – Physik I-III. München: Oldenbourg Schulbuchverlag, 2005.
Leopold, Hans und Zins, Rudolf: Physik 10. Bamberg: C.C. Buchner Verlag; 1984.
Bergmann, Ludwig und Schaefer, Clemens. Lehrbuch der Experimentalphysik. Mechanik - Akustik Wärme: Band 1. München: Walter de Gruyter; 2008.
Links
http://www.wissenschaft-im-dialog.de/aus-der-forschung/wieso/detail/browse/6/article/wo-wurdenjemals-die-hoechste-und-die-niedrigste-temperatur-gemessen-und-wie-macht-man-das-indiesen.html?tx_ttnews%5BbackPid%5D=88&cHash=f923863d1f
Messung höchster und tiefster Temperaturen
http://www.leifiphysik.de/web_ph08_g8/geschichte/02thermometer/thermometer_gesch.htm
Geschichte der Temperaturmessung
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