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Temperaturmessung Physik

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Temperaturmessung Physik

Im täglichen Leben spielt die Temperatur eine große Rolle: Du schaust auf die Außentemperatur, um zu entscheiden, was Du anziehst, stellst die Temperatur am Kühlschrank ein, bei der Deine Lebensmittel gelagert werden sollen und erhitzt Wasser auf eine bestimmte Temperatur, um es zum Kochen zu bringen.

Aber welchen Prinzipien unterliegt die Temperaturmessung und wie kannst Du Temperaturen überhaupt beschreiben?

Temperaturmessung Physik: Definition und Einheiten

Anhand der Temperatur kannst Du nicht nur sagen, ob etwas „kalt“ oder „warm“ ist, sondern den entsprechenden Zustand auch durch eine konkrete Zahl beschreiben. Diese wird je nach verwendeter Temperaturskala in der Einheit Grad Celsius, Kelvin oder Grad Fahrenheit gemessen.

Temperatur sollte allerdings nicht mit Wärme verwechselt werden. Den genauen Unterschied zwischen Temperatur und Wärme kannst Du in der gleichnamigen Erklärung nachlesen.

Um einen genauen Temperaturwert anzugeben, benötigst Du mindestens einen Bezugspunkt. Beispielsweise kannst Du den Schmelzpunkt von Wasser als Referenzpunkt nehmen und die Raumtemperatur in Deinem Zimmer in Bezug zu diesem angeben. Alternativ kannst Du als Bezugspunkt auch Deine Körpertemperatur nehmen und relativ dazu andere Temperaturen bestimmen. Dabei erhältst Du allerdings auch jeweils andere Werte.

Temperaturskalen

Der Temperaturwert hängt also davon ab, relativ zu welcher Temperatur Du ihn misst. Da sich dabei unterschiedliche Möglichkeiten ergeben, existieren unterschiedliche Temperaturskalen zur Angabe der Temperatur.

Um eine Temperaturskala zu definieren, benötigst Du zwei unterschiedliche Temperaturen als Bezugspunkte. Einen davon wählst Du als Nullpunkt der Skala. Den Abstand zwischen dem Nullpunkt und dem zweiten Bezugspunkt teilst Du dann in Skalenteile auf.

Bezugspunkte sollten möglichst genau reproduzierbar sein. Beispielsweise ist die aktuelle Außentemperatur kein sonderlich guter Bezugspunkt, da er sich nicht leicht nachstellen lässt.

Während der Jahrhunderte wurden dabei unterschiedliche Temperaturskalen vorgestellt, von denen sich insgesamt drei durchgesetzt haben. Diese sind jeweils nach dem Forschenden benannt, der sie etabliert hat und haben unterschiedliche Einsatzbereiche.

Beispielsweise werden in den Wissenschaften Temperaturen in Kelvin angegeben – dies entspricht auch der SI-Einheit der Temperatur. Dabei hat die Kelvin-Skala den Vorteil, dass ihr Nullpunkt auf den absoluten Nullpunkt fällt und deshalb keine negativen Temperaturen auftreten. Die Celsius-Skala kennst Du wiederum aus Deinem alltäglichen Leben, denn auf ihr werden im deutschsprachigen und europäischen Raum Temperaturen gemessen. Im Gegensatz dazu gibt es auch die Fahrenheit-Skala, die hauptsächlich in den USA, Australien und Großbritannien verwendet wird.

Fahrenheit Skala

Die Fahrenheit-Skala wurde von Daniel Gabriel Fahrenheit im Jahr 1714 eingeführt. Dabei wählte er als Nullpunkt (0 °F) die niedrigste Temperatur, die im Winter 1708/1709 in Danzig gemessen wurde und etwa -17,8 °C entspricht. Als weitere Bezugspunkte wählte er den Gefrierpunkt von Wasser, den er auf 32 °F setzte, und die Körpertemperatur bei 96 °F:

BezugspunktTemperatur in °FTemperatur in °C
Tiefste Temperatur in Danzig in 1708/1709(Nullpunkt)0-17,8
Gefrierpunkt von Wasser320
Körpertemperatur eines Menschen9635,6

Mit genaueren Messmethoden konnte die Körpertemperatur eines Menschen in Fahrenheit auf 35,6 °C festgelegt werden. Dieser Wert liegt allerdings weit unterhalb der normalen, durchschnittlichen Körpertemperatur.

Obwohl Fahrenheit selbst den Nullpunkt seiner Skala mit einer Mischung aus Wasser, Eis und Ammoniumchlorid reproduzieren konnte, konnte dieser im weiteren Verlauf nicht mehr genau nachgestellt werden. Außerdem erwies sich auch die Körpertemperatur als ein ungenauer Bezugspunkt, sodass die Definition einer neuen Temperaturskala benötigt wurde. Dabei setzte sich in großen Teilen der Welt die Celsius-Skala durch.

Celsius-Skala

Die Celsius-Skala wurde kurz nach der Fahrenheit-Skala im Jahr 1742 von Anders Celsius vorgestellt. Sie verwendet den Gefrierpunkt von Wasser bei 0 °C als Nullpunkt und den Kondensationspunkt von Wasser bei 100 °C als zweiten Bezugspunkt. Damit ist sie in 100 Grad unterteilt.

Ursprünglich lag der Gefrierpunkt bei 100 °C und der Siedepunkt von Wasser bei 0 °C. Erst einige Jahre später wurde die Skala durch Carl von Linné umgedreht.

So wie in Deutschland wird die Celsius-Skala auch in den meisten anderen Ländern im Alltag verwendet, da sie fest reproduzierbare Bezugspunkte besitzt. Allerdings weist sie auch negative Werte auf, die zwar im Hinblick auf das Wetter oder Lebensmittelkühlung äußerst praktisch sein können, jedoch weniger praktisch in Berechnungen sind. Deswegen wird in den Wissenschaften die Kelvin-Skala genutzt.

Kelvin-Skala und der absolute Nullpunkt

Die Kelvin-Skala wurde 1848 von William Thomson als absolute Temperaturskala vorgeschlagen, die unabhängig von Materialeigenschaften bestehen soll. Deswegen wird die in Kelvin gemessene Temperatur als absolute Temperatur bezeichnet.

Übrigens wurde William Thompson 1892 in den Adelsstand erhoben und erhielt Titel Lord Kelvin. Die SI-Einheit Kelvin wurde ihm zu Ehren benannt.

Die absolute Temperaturskala hat ihren Ursprung im absoluten Nullpunkt. Der Bezugspunkt entspricht dem Tripelpunkt von Wasser.

Am Tripelpunkt liegt das Wasser sowohl als Eis als auch als flüssiges Wasser oder Wasserdampf vor. Dazu wird eine Temperatur von 273,16 K (oder 0,01 °C) und ein Druck von etwa 0,611 kPa benötigt.

Der absolute Nullpunkt ist der tiefste, theoretisch erreichbare Temperaturwert. Er liegt bei 0 K oder -273,15 °C.

Da der Nullpunkt der Skala mit dem tiefstmöglichen Temperaturwert übereinstimmt, sind die in Kelvin angegebenen Temperaturen stets positiv. Dies erleichtert einerseits Berechnungen, andererseits erschwert es allerdings den Umgang mit dieser Einheit im Alltag.

Am absoluten Nullpunkt ist die gesamte Teilchenbewegung eingefroren. Das System besitzt nur noch eine winzige Menge an Restenergie – die sogenannte Nullpunktenergie – die nach der Quantenmechanik aus der Heisenbergschen Unschärferelation folgt. Dies ist die niedrigste Energie, die ein physikalisches System haben kann.

Allerdings ist es sehr schwer, die Energie eines Systems bis auf die Nullpunktenergie abzusenken. Dies liegt daran, dass fast alle Stoffe – bis auf Helium – in diesen Temperaturbereichen als Kristalle vorliegen. Während in idealen Kristallen Teilchen perfekt angeordnet sind, weisen reale Kristalle Fehlstellen auf. Diese können in Form von Verunreinigungen durch andere Atome auftreten oder wenn Stellen mehrfach oder gar nicht besetzt werden:

Solange aber der Kristall nicht ideal angeordnet ist, ist seine Energie erhöht – denn jede Abweichung vom idealen Verhalten resultiert in nicht-ausgeglichenen Anziehungs- und Abstoßungskräften. Demnach kann ein realer Kristall auch nicht auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden.

Könntest Du aber nicht doch den absoluten Nullpunkt erreichen, wenn Du den realen Kristall „aufräumst“?

Theoretischer weise würde dies gehen. Dazu würdest Du den Kristall schmelzen und erneut auskristallisieren lassen – in der Hoffnung, dass er bei diesem Mal in einer idealen Anordnung kristallisiert. Allerdings stehen die Chancen dafür gar nicht gut. Wahrscheinlicher ist nämlich, dass wieder neue Fehlstellen hinzukommen, während andere ausgebessert werden.

Um also eine ideale Anordnung durchs Schmelzen und anschließendes Auskristallisieren zu erreichen, würdest Du diesen Ablauf theoretischer Weise unendlich mal wiederholen – aber selbst dann ist eine ideale Anordnung nicht garantiert. Darauf basiert auch der dritte Hauptsatz der Thermodynamik, der 1906 von Walter Nernst aufgestellt wurde:

Der absolute Nullpunkt ist nicht durch eine endliche Anzahl an Schritten erreichbar.

Mehr dazu findest Du in der Erklärung der Hauptsätze der Thermodynamik!

Wie auch vorhergesagt wurde, ist es bisher noch niemandem gelungen, den absoluten Nullpunkt zu erreichen. Allerdings kamen Forschende schon sehr nah dran. Und wie Du bereits vermuten kannst, weist Materie bei diesen unfassbar tiefen Temperaturen interessante Eigenschaften auf. Beispielsweise können Gase im sogenannten Bose-Einstein-Kondensat kondensieren – einem Aggregatzustand, der zwar Eigenschaften einer Flüssigkeit, jedoch keine Viskosität besitzt. Metalle hingegen erhalten supraleitende Fähigkeiten.

Supraleitung bedeutet, dass elektrischer Strom praktisch widerstandsfrei geleitet wird.

Aber wenn der absolute Nullpunkt sowieso nicht erreicht werden kann, weshalb wurde er dann überhaupt eingeführt?

Bereits 1699 fand Guillaume Amontons heraus, dass sich das Volumen und die Temperatur eines Gases proportional zueinander verhalten. Dies wurde im Gesetz von Amontons zusammengefasst.

Du interessierst Dich für das Gesetz von Amontons? Dann schau doch in der entsprechenden Erklärung vorbei!

Da das Volumen allerdings niemals negativ werden kann, folgerte er aus der Proportionalität, dass es einen Nullpunkt der Temperatur geben müsste, an dem das Volumen verschwindet. Da bei tieferen Temperaturen das Volumen negativ werden würde, schloss er, dass dieser Nullpunkt nicht unterschritten werden kann – also ist er absolut.

Durch Lord Kelvin wurde der absolute Nullpunkt auf -273,15 °C festgelegt, sodass die absolute Temperaturskala um 273,15 Einheiten gegenüber der Celsius-Skala verschoben ist. Damit kannst Du Celsius und Kelvin ineinander umrechnen, wenn Du diese Zahl dem entsprechenden Temperaturwert hinzuaddierst oder von diesem subtrahierst.

Temperaturmessung Beispiel für die Umrechnung

Wie Du alle Temperatureinheiten ineinander umrechnen kannst, zeigt Dir die folgende Tabelle:

in Celsiusin Kelvinin Fahrenheit
von Celsius
von Kelvin
von Fahrenheit

Die häufigste Umrechnung, die Dir dabei in der Physik begegnen wird, ist die Umrechnung zwischen Grad Celsius und Kelvin.

Aufgabe 1:

In der Physik bezeichnest Du eine Temperatur von häufig als Raumtemperatur. Rechne dies in die SI-Einheit Kelvin um.

Lösung:

Da die Kelvin-Skala um den Wert 273,15 gegenüber der Celsius-Skala verschoben ist, addierst Du diesen Wert zur Celsius-Temperatur. Dies entspricht folgender Umrechnung aus der obigen Tabelle:

Hier setzt Du statt 1 °C die gegebene Raumtemperatur ein und berechnest das Ergebnis in Kelvin:

Damit ist die Raumtemperatur in SI-Einheiten.

Fährst Du in ein Land, wo Temperaturen in Grad Fahrenheit angegeben werden, kann dies schnell verwirrend wirken. An einem warmen Sommertag kann es nämlich auch mal dazu kommen, dass das Thermometer sogar über 90 Grad anzeigt.

Aufgabe 2:

Du machst im Ausland Urlaub. Auf Deiner Terrasse befindet sich ein Thermometer, das Dir die Temperatur der Außenluft angeben soll. Dabei liest Du den Wert ab. Wie viel Grad Celsius entspricht das?

Lösung:

Deine Aufgabe besteht darin, Grad Fahrenheit in Grad Celsius umzurechnen. Dazu benutzt Du folgende Umrechnung aus der Tabelle:

Dort setzt Du statt 1 °F die gemessene Temperatur ein und berechnest das Ergebnis:

Also beträgt die Außentemperatur an Deinem Urlaubsort 32 °C.

Manchmal rechnest Du jedoch nicht mit Temperaturen, sondern mit Temperaturdifferenzen. Da die Abstände der Skalenteile auf der absoluten Temperaturskala und der Celsius-Skala gleich groß sind, entspricht eine Temperaturdifferenz von 1 °C einer Temperaturdifferenz von 1 K.

Im Gegensatz dazu entspricht eine Temperaturdifferenz von 1 °F einer Temperaturdifferenz von 0,556 °C.

Aufgabe 3:

Mit dem Wasserkocher erhitzt Du Wasser von einer Ausgangstemperatur auf . Rechne diese Werte in Kelvin um und gib jeweils die Temperaturdifferenz in Grad Celsius und Kelvin an. Interpretiere anschließend Dein Ergebnis.

Lösung:

Zur Umrechnung in Kelvin benutzt Du jeweils die obere Umrechnung:

Nun berechnest Du die Temperaturdifferenzen:

Die Differenz ist also in beiden Fällen gleich. Also spielt es keine Rolle, ob Du Temperaturdifferenzen in Grad Celsius oder Kelvin angibst.

Du kannst also die Temperatur in Grad Celsius messen und anstelle von 1 °C Differenz genauso mit 1 K Differenz umgehen. Doch wie genau funktioniert die Temperaturmessung und auf welchen Prinzipien beruht sie?

Temperaturmessung Methoden

Temperaturmessung spielt in Technik und Alltag eine wesentliche Rolle. Die Messung erfolgt dabei indirekt – mit einem Thermometer oder einem Thermoelement – über die Messung einer anderen physikalischen Größe.

Temperatur Messgerät

Zur Messung von Temperaturen werden Thermometer oder Thermoelemente verwendet.

Ein Thermoelement besteht aus zwei Leitern, die jeweils aus einem anderen Material bestehen. Zur Messung werden beide Leiter mit der Messstelle und einer Vergleichsstelle in Kontakt gebracht und die Temperaturdifferenz dieser Stellen wird als Thermospannung gemessen.

Thermospannungen treten in metallischen Leitern auf, sofern ein Temperaturgefälle besteht. Dies wird als Seebeck-Effekt bezeichnet.

Die Temperatur der Vergleichsstelle ist dabei bekannt. Beispielsweise kannst Du als Vergleichsstelle Eiswasser bei 0 °C nutzen.

Da die Thermospannung proportional zur Temperaturdifferenz ist, kannst Du aus der bekannten Vergleichstemperatur und gemessenen Thermospannung die zu messende Temperatur ermitteln. Dabei können Thermoelemente, je nach verwendetem Material, über einen sehr breiten Temperaturbereich eingesetzt werden.

Alternativ zum Thermoelement kannst Du zur Temperaturmessung auch ganz klassisch das Thermometer nutzen.

Mit dem Thermometer kannst Du Temperaturen messen. Es besteht aus einem Temperatursensor und einer Anzeige, z. B. in Form einer Skala.

Das Thermometer findet seit seiner Erfindung im 17. Jahrhundert nicht nur im Alltagsleben, sondern auch in der Meteorologie, Technik und der Medizin Verwendung.

Temperaturmessung Prinzipien

Auch mit dem Thermometer wird die Temperatur nicht direkt gemessen, sondern indirekt über eine andere Größe bestimmt. Dazu gibt es verschiedene Bauformen, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basieren.

Ausdehnungsthermometer

Wenn Du Dir schon mal bei Deiner Großmutter Fieber messen lassen hast, bist Du vielleicht einem Flüssigkeitsthermometer begegnet. Dieses besteht aus einem Glasrohr mit einer Celsius-Skala, in dem ein weiteres Glasröhrchen gelagert ist. Dieses ist mit einer Flüssigkeit gefüllt:

Das Flüssigkeitsthermometer beschränkt sich allerdings nicht nur auf altmodische Fiebermessgeräte. Vielmehr war dies bis in jüngste Vergangenheit der Standard zur Temperaturmessung.

Wird die Flüssigkeit durch Temperaturerhöhung erwärmt, so dehnt sich ihr Volumen aus. Dadurch steigt der Füllstand des inneren Röhrchens. Beim Temperaturabfall sinkt der Füllstand, da sich die Flüssigkeit beim Abkühlen zusammenzieht.

Früher wurde in Thermometern flüssiges Quecksilber eingesetzt. Da dies jedoch sehr giftig ist, wurde es allmählich durch gefärbten Alkohol ersetzt. Aufgrund der Dichteanomalie kann hier allerdings kein Wasser verwendet werden. Mehr zur Anomalie des Wassers kannst Du in der entsprechenden Erklärung nachlesen.

Über die Steighöhe h des Füllstandes kannst Du auf der Skala die entsprechende Temperatur in Grad Celsius ablesen:

Dabei ist die Steighöhe proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur vor der Messung und der gemessenen Temperatur.

Einem ähnlichen Prinzip folgt auch das Gasthermometer. Hier wird allerdings anstatt einer Flüssigkeit ein Gas verwendet, das ein fast ideales Verhalten aufweist (beispielsweise Helium). Genau wie beim Flüssigkeitsthermometer dehnt sich das Gas dann bei Erwärmung aus und zieht sich beim Abkühlen wieder zusammen.

Da Gase jedoch meist farblos sind, ist die Steighöhe im Röhrchen nicht so leicht erkennbar. Deswegen wird die Gassäule häufig durch ein Quecksilbertröpfchen abgeschlossen. Die Temperatur kann somit über die Lage des Quecksilbertröpfchens abgelesen werden.

Es gibt auch Gasthermometer, die bei konstantem Volumen arbeiten. In diesem Fall wird die Temperatur über den Gasdruck ermittelt.

Ausdehnungsthermometer nutzen also aus, dass sich das Volumen eines Materials linear mit Temperaturänderungen verändert. Darüber hinaus gibt es aber auch noch andere physikalische Prinzipien, die zur Temperaturmessung genutzt werden können.

Wenn Du Dich näher für das Thema Volumenveränderung von Körpern bei Temperaturänderung interessierst, dann schau doch in der zugehörigen Erklärung vorbei!

Elektrische Messung

Beispielsweise wird in Thermoelementen die Temperatur über elektrische Spannung gemessen.

Im Folgenden ist der Aufbau eines Thermoelements schematisch dargestellt:

Die beiden Leiter, die jeweils aus unterschiedlichen Metallen (Metall A und Metall B) bestehen, sind an einer Stelle elektrisch miteinander verbunden. Diese Verbindungsstelle dient zur Messung der gefragten Temperatur. Die anderen Enden der Leiter werden an der sogenannten Vergleichsstelle an ein Spannungsmessgerät angeschlossen.

Die Vergleichsstelle wird so gewählt, dass sie eine bekannte Temperatur hat. Dies ist wichtig, um anschließend die Temperatur der Messstelle zu ermitteln. Aufgrund des Temperaturgefälles baut sich in jedem Leiter eine Thermospannung zwischen diesen beiden Stellen auf. Da die Leiter jedoch aus unterschiedlichen Metallen bestehen, hat diese für jeden Leiter einen anderen Betrag.

Mit dem Spannungsmessgerät wird dann die Differenz der Thermospannungen gemessen. Diese ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle. Aus der Spannungsdifferenz und der Vergleichstemperatur kannst Du dann die gesuchte Temperatur ermitteln.

Damit die Spannungsdifferenz überhaupt gemessen werden kann, werden zwei unterschiedliche Metalle verwendet. Bei gleichem Metall hätten die Thermospannungen denselben Betrag und würden sich somit gegenseitig aufheben.

Neben Thermoelementen nutzen auch Widerstandsthermometer aus, dass sich die elektrischen Eigenschaften von Metallen in Abhängigkeit von der Temperatur ändern.

Mit zunehmender Temperatur nimmt die elektrische Leitfähigkeit von Metallen ab. Dadurch steigt der elektrische Widerstand.

Zur Temperaturmessung wird ein elektrischer Leiter mit konstantem Strom durchflossen und die Spannung über diesem Widerstand gemessen. Ändert sich nun der Widerstand durch Temperaturänderung, so ändert sich auch die gemessene Spannung. Über das Ohmsche Gesetz kannst Du dann den neuen Widerstand ermitteln. Aus diesem kann wiederum die Temperatur bestimmt werden.

Das ganze funktioniert auch umgekehrt mit Strommessung bei konstanter Spannung.

Widerstandsthermometer bieten den Vorteil, dass sie einen sehr weiten Temperaturbereich abdecken. Andererseits benötigen sie auch immer wieder Zeit, sich der gefragten Temperatur anzupassen. Dadurch könnte sich die Messung verzögern.

Die bisher vorgestellten Messgeräte haben eines gemeinsam: Die Temperatur wird durch den direkten Kontakt mit dem entsprechenden Objekt gemessen. Im Gegensatz dazu gibt es auch noch berührungslose Thermometer, bei denen auf den direkten Kontakt verzichtet wird.

Berührungslose Thermometer

Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet Wärme in Form von elektromagnetischer Strahlung aus. Diese heißt deswegen auch Wärme- oder Infrarotstrahlung.

Mehr zur Wärmestrahlung erfährst Du in der entsprechenden Erklärung. Außerdem kannst Du in der Erklärung „Schwarzer Körper“ oder das „Wiensche Verschiebungsgesetz“ nachlesen, wie die Wellenlänge der Wärmestrahlung von der Temperatur abhängt!

Messgeräte, die eine berührungslose Temperaturmessung ermöglichen, werden Strahlungsthermometer oder Pyrometer genannt. Sie messen die vom zu messenden Objekt ausgehende Wärmestrahlung und dienen daher zur Bestimmung der Oberflächentemperatur.

Der bekannteste Vertreter dieser Art ist das Infrarot-Thermometer. Dieses misst Infrarotstrahlung, die von einem Objekt ausgeht und wandelt diese in ein elektrisches Signal um. Das Signal wird im weiteren Verlauf verarbeitet und die Temperatur des Objekts auf dem Display ausgegeben:

Damit Du mit dem Infrarotthermometer auch die richtige Oberfläche triffst, enthält dieses einen eingebauten Laser. Dieser ist allerdings nur zum „zielen“ da. Die Infrarotstrahlung an sich ist hingegen unsichtbar.

Infrarotstrahlung wird allerdings nicht nur von Infrarotthermometern, sondern auch von Wärmebildkameras gemessen.

Da sowohl die Intensität als auch die konkrete Wellenlänge der Infrarotstrahlung von der Temperatur des betrachteten Objekts abhängig ist, wandelt die Wärmebildkamera die gemessene Strahlungsverteilung in eine Temperaturverteilung um. Daraus ergibt sich das entsprechende Bild:

Aus der dazugehörigen Skala kannst Du dann Schlüsse über die Temperatur der einzelnen Bereiche schließen. In diesem Fall ist das Fell des Hundes beispielsweise viel kühler als die Augen, Ohrenspitzen oder der Mund.

Der Vorteil einer berührungslosen Messung liegt einerseits darin, dass jede Oberfläche gemessen werden kann – auch schwer zugängliche Oberflächen oder bewegte Objekte. Aus diesem Grund wurde das Infrarot-Thermometer auch zum Beginn der Corona-Pandemie sehr beliebt, denn es ermöglichte eine Fiebermessung ganz ohne Hautkontakt!

Temperaturmessung Physik - Das Wichtigste

  • Temperaturen werden in der Einheit Grad Celsius, Kelvin oder Grad Fahrenheit – je nach verwendeter Temperaturskala – angegeben.
  • Eine Temperaturskala hat stets zwei unterschiedliche Temperaturen als Bezugspunkte. Der Abstand zwischen Nullpunkt und zweitem Bezugspunkt wird in Skalenteileaufgeteilt.
    • Die Fahrenheit-Skala orientiert sich am Gefrierpunkt von Wasser und der Körpertemperatur.
    • Die Celsius-Skala verwendet den Gefrier- und den Kondensationspunkt von Wasser.
    • Die absolute Temperaturskala entspringt dem absoluten Nullpunkt und bezieht sich auf den Tripelpunkt von Wasser.
  • Der absolute Nullpunkt (bei 0 K oder -273,15 °C) ist der tiefste, theoretisch erreichbare Temperaturwert.

    • Allerdings kannst Du ihn nicht in einem Prozess mit einer endlichen Anzahl an Schritten erreichen.

  • Temperaturen können mit Thermoelementen oder Thermometern gemessen werden.
    • Thermoelemente messen Thermospannungen aufgrund eines Temperaturgefälles (Seebeck-Effekt)
    • Thermometer bestehen aus einem Temperatursensor und einer Anzeige.
  • Mit dem Ausdehnungsthermometer bestimmst Du die Temperatur eines Objekts aus seiner thermischen Ausdehnung.
  • Widerstandsthermometer nutzen aus, dass die elektrische Leitfähigkeit – und damit der Widerstand – von Metallen von ihrer Temperatur beeinflusst wird.
  • Eine berührungslose Temperaturmessung ist bei Strahlungsthermometern möglich.

Nachweise

  1. Giancoli (2019). Physik (4. aktualisierte Auflage). Pearson Deutschland GmbH
  2. Oberholz, ed. (2013). DORN-BADER Physik in einem Band. Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH
  3. Arthur von Oettingen, ed. (1894). Ostwald’s Klassiker der exakten Wissenschaften. Engelmann.
  4. wetter.net: Fahrenheit-Skala. (27.06.2022)
  5. William Thomson (1848). On an Absolute Thermometric Scale founded on Carnot’s Theory of the Motive Power of Heat, and calculated from Regnault’s Observations. Philosophical Magazine.
  6. guenther.eu: Thermoelemente. (30.06.2022)
  7. tec-science.com: Wie funktioniert ein Widerstandsthermometer? (30.06.2022)
  8. optris.de: Berührungslose Temperaturmessung. (30.06.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Temperaturmessung Physik

Temperaturen kannst Du mit Ausdehnungsthermometern (Flüssigkeits- oder Gasthermometer), Thermoelementen oder Widerstandsthermometern und mit Strahlungsthermometern, wie dem Infrarot-Thermometer, messen.

Temperatur wird mit Thermoelementen oder Thermometern gemessen.

Die gängigen Einheiten der Temperatur sind Grad Celsius oder Grad Fahrenheit (im angloamerikanischen Raum). In den Wissenschaften hingegen wird die Temperatur in Kelvin angegeben. Dies stellt auch die SI-Einheit der Temperatur dar.

Finales Temperaturmessung Physik Quiz

Frage

Erkläre die Bedeutung der Temperatur.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße, die Auskunft darüber gibt, wie warm oder kalt ein Körper ist.

Frage anzeigen

Frage

Benenne drei gängigsten Skalen der Temperaturmessung.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Kelvin Skala (absolute Temperaturskala)
  • Celsius Skala
  • Fahrenheit Skala
Frage anzeigen

Frage

Erläutere, wie Du eine Temperaturskala definieren kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

Um eine Temperaturskala zu definieren, benötigst Du zwei unterschiedliche Temperaturen als Bezugspunkte. Einen davon wählst Du als Nullpunkt der Skala. Den Abstand zwischen dem Nullpunkt und dem zweiten Bezugspunkt teilst Du dann in Skalenteile auf.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Bezugspunkte der Kelvin-Skala.

Antwort anzeigen

Antwort

Die absolute Temperaturskala entspringt am absoluten Nullpunkt (0 K oder -273,15 °C). Der zweite Bezugspunkt ist der Tripelpunkt von Wasser (273,16 K oder 0,01 °C).

Frage anzeigen

Frage

Gib an, durch welche Punkte die Celsius-Skala definiert ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Gefrierpunkt von Wasser bei 0°C und Kondensationspunkt von Wasser bei 100°C

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Zusammenhang zwischen der absoluten Temperaturskala und der Celsius-Skala.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Celsius-Skala ist genau um 273,25 Einheiten zur Kelvin Skala verschoben. Die Temperaturänderung von 1K ist genauso groß wie die Temperaturänderung von 1 °C.

Frage anzeigen

Frage

Erläutere, warum die Fahrenheit-Skala nicht die beste Option zur Messung von Temperaturen darstellt.

Antwort anzeigen

Antwort

Sowohl die Körpertemperatur als auch die winterliche Außentemperatur in Danzig erwies sich als ein ungenauer Bezugspunkt, der sich nicht leicht reproduzieren lässt.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Funktionsweise eines Thermoelements.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Thermoelement besteht aus zwei Leitern, die jeweils aus einem anderen Material bestehen und an einer Stelle elektrisch miteinander verbunden sind. An dieser Stelle wird die Temperatur gemessen. Die anderen Enden der Leiter werden an der sogenannten Vergleichsstelle an ein Spannungsmessgerät angeschlossen. Diese hat eine bekannte Temperatur.


Aufgrund des Temperaturgefälles baut sich in jedem Leiter eine Thermospannung zwischen diesen beiden Stellen auf (Seebeck-Effekt). Da die Leiter jedoch aus unterschiedlichen Metallen bestehen, hat diese für jeden Leiter einen anderen Betrag. Mit dem Spannungsmessgerät wird die Differenz dieser Thermospannungen gemessen. Da sie proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Vergleichsstelle ist, kannst Du daraus die gesuchte Temperatur ermitteln.

Frage anzeigen

Frage

Nenne zwei Arten von Thermometern, die sich dem Prinzip der Volumenänderung bei Temperaturänderung bedienen.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Flüssigkeitsthermometer
  • Gasthermometer
Frage anzeigen

Frage

Gib den Zusammenhang zwischen elektrischem Widerstand und Temperatur des Metalls an.

(Qualitative Beschreibung reicht hier aus.)

Antwort anzeigen

Antwort

Mit zunehmender Temperatur nimmt die elektrische Leitfähigkeit von Metallen ab. Dadurch steigt der elektrische Widerstand.

Frage anzeigen

Frage

Begründe, weshalb der absolute Nullpunkt nicht durch eine endliche Anzahl an Schritten erreichbar ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Um den absoluten Nullpunkt zu erreichen, müsste die Energie des Systems bis auf die Nullpunktsenergie gesenkt werden. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn die Atome im Kristall auf definierten Plätzen angeordnet sind. Diese ideale Anordnung erreichst Du wiederum nicht in einer endlichen Anzahl an Schmelz- und Kristallisationsvorgängen.

Frage anzeigen

Frage

Welche SI-Einheit hat Temperatur?

Antwort anzeigen

Antwort

Kelvin

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, was für die Angabe von Temperaturdifferenzen zutrifft.

Antwort anzeigen

Antwort

Temperaturdifferenzen sind in Grad Celsius und in Kelvin gleich.

Frage anzeigen

Frage

Stelle die Funktionsweise eines Infrarot-Thermometers dar.

Antwort anzeigen

Antwort

Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet Wärme in Form von elektromagnetischer Strahlung (Wärme- oder Infrarotstrahlung) aus, die vom Infrarot-Thermometer als elektrisches Signal gemessen wird. Dieses wird im weiteren Verlauf verarbeitet und die Temperatur des Objekts auf dem Display ausgegeben.

Frage anzeigen
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