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Temperatur (Teil II)

Warm oder Kalt – erst Thermometer ermöglichen eine objektive Temperaturmessung

Das Wohlbefinden eines Menschen wird maßgeblich durch seine Umgebungstemperatur bestimmt. Mit Hilfe spezieller Sinnesorgane kann der Mensch Wärme und Kälte wahrnehmen und dadurch die körpereigene Temperatur regeln. Die Temperaturempfindung der Menschen ist bekannterweise sehr subjektiv. Wann also ist ein Körper kalt, oder ab wann ist er warm oder sogar heiß? Mit der Definition der Temperatur und vor allem mit der Messung durch Thermometer wurde die subjektive Wärmeempfindung der Menschen ersetzt.

Celsius- und Fahrenheit-Skala

Celsius- und Fahrenheit-Skala

Die weltweit gebräuchlichste Temperaturskala wurde von Anders Celsius eingeführt.

© display-Magazin

Temperatur und Wärme sind zwei Begriffe, die in der Alltagssprache oft synonym verwendet werden. In der Physik haben diese Begriffe jedoch ganz unterschiedliche Bedeutungen. Die Temperatur ist definiert als eine massenunabhängige Zustandsgröße, die den Durchschnitt der kinetischen Energie aller Teilchen angibt. Die Einheit hierfür ist Kelvin [K]. Während die Wärme die Summe der Energien aller Teilchen ist und somit die Einheit Joule [J] hat. Im Gegesatz zur Temperatur ist diese masseabhängig, aber mit der Temperatur über die Wärmekapazität verbunden. Im physikalischen Sinne ist deshalb 100 mL Wasser von 20°C «wärmer» als 50 mL des selben Wassers, obwohl beide die gleiche Temperatur haben.

Temperaturskalen

Um Temperaturen quantitativ zu erfassen, benötigt man eine Temperaturskala. Diese kann durch mindestens zwei willkürlich wählbare Eichpunkte, die auch Fixpunkte genannt werden, festgelegt werden. Durch diese Willkür sind unterschiedliche Temperaturskalen entstanden, von denen heute noch drei in Gebrauch sind. Die bei uns im Alltag am häufigsten verwendete Skala ist die bekannte Celsius-Skala [°C] . In den angelsächsischen Ländern wird dagegen häufig die Fahrenheit-Skala [°F] benutzt. Wissenschaft und Technik bedienen sich neben der Celsius- vor allem der Kelvin-Skala [K], die ihren Nullpunkt bei der tiefsten theoretisch denkbaren Temperatur, dem absoluten Nullpunkt, hat. 1

Methoden zur Temperaturmessung

Viele physikalische Eigenschaften eines Körpers oder eines physikalischen Systems, wie z.B. Volumen, Druck oder elektrischer Widerstand, sind eindeutig von der Temperatur abhängig und können deshalb zur Temperaturmessung eingesetzt werden.

Celsius-Skala

Diese weltweit gebräuchlichste Temperaturskala wurde im Jahre 1742 von dem schwedischen Astronomen Anders Celsius eingeführt. Dabei wird der Gefrierpunkt des Wassers als 0 Grad und der Siedepunkt als 100 Grad festgelegt. Der Abstand zwischen dem Eispunkt und dem Siedepunkt (Temperaturfixpunkte)  wird dabei in 100 gleiche Teile geteilt (Fundamentalabstand). Ein solcher Teil heißt Grad (= 1 °C). Die höchste bisher auf der Erde gemessene Lufttemperatur (San Luis Potosi, Mexiko) betrug +58 °C, die niedrigste (Wostok, Antarktis) lag bei -88°C. 4

Messung durch Kontakt

Die meisten bekannten Thermometer, wie z. B. Quecksilber oder Alkoholthermometer müssen in Kontakt mit dem Messobjekt gebracht werden, d. h. sie müssen es berühren. Der übliche Arbeitsbereich reicht von -100–1500 °C. 2 Bei Messungen mit massebehafteten Sensoren ist besonders die Wärmeleitung zu berücksichtigen. Man muss genügend lange warten, bis diese Temperaturangleichung im Rahmen der gewünschten Messgenauigkeit eingetreten ist. Andererseits können dabei andere Einflüsse wirksam werden, z.B. Wärmestrahlung oder eigener Atem. Die Messgenauigkeit wird bei den feinsten Methoden durch die Brownsche Molekularbewegung begrenzt, bei der Lufttemperatur aber meist durch lokale Turbulenzen. Die Temperaturerfassung durch Kontakt ist im Wesentlichen in drei Teilbereiche aufgeteilt:

  • mechanisch – Thermometer,...
  • elektrisch – Thermoelemente,...
  • erfahrungsgestützt – tabellierte Stoffdaten,... 3

Kontaktlose Temperaturmessung

Die kontaktlose Temperaturmessung ist die bevorzugt eingesetzte Technik zur Messung kleiner, bewegter oder unzugänglicher Objekte in dynamischen Prozessen, die ein schnelles Ansprechverhalten erfordern sowie bei Temperaturen über 1000 °C. 2 Mit Hilfe eines Pyrometers wird die Wärme(Infrarot)- strahlung gemessen. Durch diese ist auch eine Thermografie möglich, also eine Farbanzeige oder Hell-Dunkel Darstellung der Temperatur von Flächen und Räumen. Eine weitere Art der Temperaturmessung durch elektromagnetische Strahlung auch anderer Wellenlängenbereiche bieten sogenannte Bolometer. 3

Wärmeleitung und Temperaturempfinden

Stehen zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Wärmekontakt, so wird nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik solange Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis beide im thermischen Gleichgewicht stehen und die gleiche Temperatur angenommen haben. Es gibt dabei drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung:

  • Wärmeleitung
  • Konvektion
  • Wärmestrahlung

Der Mensch kann Temperaturen nur im Bereich um 30 °C fühlen. Genau genommen nimmt man nicht Temperaturen wahr, sondern die Größe des Wärmestroms durch die Hautoberfläche, weshalb man auch von einer gefühlten Temperatur spricht. 3

Celsius Temperaturen verschiedener Objekte im Vergleich

Sonnenkorona

Sonnenkorona

Die Sonnenkorona ist die sehr dünne "Atmosphäre" der Sonne, deren schwaches Leuchten man
freiäugig nur bei einer totalen Sonnenfinsternis sieht.

© Wikipedia (GNU
Lizenz freie Dokumentation
)

Temperatur [°C] Objekt
> 1.000.000 Sonnenkorona
30.000 Chromosphäre der Sonne
7.000 Erdkern
5.800 Oberfläche der Sonne
3.000 Flamme eines Schweißbrenners
2.500 Glühdrähte der Lampen
700 - 1.250 Magma
950 Flamme eines Gasherdes
800 Streichholzflamme
230 Bügeleisen
36-37 Körpertemperatur
-78,5 Trockeneis
-273,15 absoluter Nullpunkt

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