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Einführung in die Wärmelehre - Temperatur und Wärme

Allgemeines

Mit Hilfe menschlicher Sinnesorgane kann Temperatur/Wärme als kalt, warm oder heiß empfunden werden. Als physikalisches Messgerät eignet sich der Mensch aufgrund der subjektiven Wahrnehmung von Wärme aber nicht. Daher haben "Forscher" Temperaturskalen entwickelt (z.B. Celsius), mit deren Hilfe Temperaturen objektiv aufgrund physikalischer Eigenschaften exakt messbar sind. Diese Eigenschaft (Körper dehnen sich in der Regel bei steigender Temperatur aus) ist die physikalische Grundlage, auf der die Thermometerbasieren.

Wärme- und Temperaturempfinden des Menschen

Es gib viele Experimente, die uns zeigen, dass Temperatur bzw. Wärme eine subjektive Empfindung ist. Nehmen wir beispielsweise drei Bechergläser, gefüllt mit kaltem, lauwarmen und heissen Wasser. Zuerst tauchen wir den einen Zeigefinger in das kalte Wasser und den anderen Zeigefinger in das Glas mit dem heißen Wasser. Nach ca. 30 Sekunden nehmen wir beide Zeigefinger aus den Gläsern und halten beide Finger in das Glas mit dem lauwarmen Wasser. Bei Finger werden uns bei diesem Experiment eine unterschiedliche Wahrnehmung der Temperatur des lauwarmen Wassers beweisen.

Dieses Experiment zeigt uns mehrere Phänomene, zum einen beweist uns dieses Experiment, dass "Wärme" beim Menschen eine Empfindung ist, die wir je nach Wahrnehmung als kalt, warm oder heiß bezeichnen. Zum Anderen zeigt uns dieses Experiment auch, dass der Mensch bzw. die menschlichen Sinne als Wahrnehmungs- bzw. Messinstrument ungeeignet sind. Unser menschliches Temperatur- bzw. Wärmeempfinden ist kein objektives, wissenschaftliches Messinstrument.

Diese menschliche Subjektivität führte dazu, dass viele Wissenschaftler nach Messgeräten forschten, die Wärme- bzw. Temperatur exakt messen können und für die menschlichen Sinne erkennbar macht.

Temperaturmessung

Bereits in der Antike fiel auf, dass sich Gegenstände bei Temperaturerhöhung in der Regel ausdehnen und sich beim Abkühlen wieder zusammenziehen. Diese Eigenschaft hat man verwendet, um den "Grad" der Erwärmung eines Körpers zu bestimmen, beispielsweise durch die Betrachtung des Volumens, dass der Körper bei bestimmten Temperaturen einnimmt.

Auf diesem Prinzip basieren alle Thermometer, die eingesetzt werden. Damit auf der ganzen Welt überall eine "vergleichbare" Temperatur gemessen wird, musste noch eine offiziell gültige Temperaturskala entwickelt werden. Hierfür war ein Medium notwendig, dass leicht erhältlich war und nicht giftig ist. Diese Eigenschaft erfüllt das Wasser mehr als die meisten anderen Stoffe. Daher wurde zur Entwicklung einer Temperaturskala Wasser verwendet. Der Schmelztemperatur und Siedetemperatur von (reinem) Wasser wurde hierfür als sogenannte Fixpunkte verwendet. Mit Hilfe dieser beiden "Messpunkte" (Schmelz- und Siedetemperatur) kann eine Temperaturskala erstellt werden, die vom subjektiven, menschlichen Empfinden unabhängig ist.

Über die Jahrhunderte wurden mehrere Temperaturskalen "erschaffen", wobei jede Temperatur einer Skala in die entsprechende Temperatur der anderen Skala umgerechnet werden kann. Heute werden nur noch zwei Temperaturskalen verwendet, die Temperaturskala in Celsius und Fahrenheit. Wie ein paar Zeilen vorher erwähnt, hat man die beiden Fixpunkte von Wasser verwendet. Bei der Celsiusskala wird die Differenz zwischen beiden "Temperaturen" in 100 gleiche Teile geteilt.  Bei der Temperaturskala nach Fahrenheit wurde diese Differenz in 180 gleiche Teile unterteilt.

Da wir in Europa nach der Celsius-Skala messen, gilt folgendes: 1°C  (1 Grad Celsius) ist der 100. Teil des Anstandes zwischen den beiden Fixpunkten von Wasser (die beiden Fixpunkte liegen bei 0°C und 100°C).


Temperatur und Wärme(menge)

Wie im ersten Experiment mit dem Becherglas gezeigt, sind Temperatur und Wärme(menge) nicht das Gleiche. An einem zweiten Experiment kann man dies aber noch deutlicher zeigen. Man nimmt zwei (gleichgroße) Bechergläser, füllt das eine mit 200 ml Wasser und das andere mit 400 ml. Anschließend erhitzt man (mit einer Heizplatte) das Becherglas bis das Wasser siedet (und stoppt dabei die Zeit bis das Wasser siedet).

Wir beobachten dadurch, dass es unterschiedlich lange dauert, bis beide Wassermengen sieden und somit die gleiche Temperatur erreichen. Die Heizplatte hat bei beiden Experimenten die gleiche Temperatur und trotzdem sieden beide Wassermengen nach unterschiedlichen Zeiträumen. Von der Heitzplatte wird (gleiche) "Energie" an das Wasser übertragen. Die 400 ml Wasser hat im Vergleich zu den 200 ml eine größere Stoffmenge, daher muss mehr "Energie" übertragen werden bis zum Sieden. Daher dauert das Erwärmen der 400 ml-Wassermenge länger bis es siedet (als die 200 ml). Diese "Energie", die übertragen wird (um die Siedetemperatur) wird als Wärmemenge bezeichnet.





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