Die Temperatur einer Substanz ist der Grad ihrer Wärme oder Kälte. Eine heiße Substanz hat eine hohe Temperatur, eine kalte eine niedrige. Daher ist die Temperatur einer Substanz ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie ihrer Moleküle. Wärme fließt immer von einem Körper mit höherer Temperatur zu einem Körper mit niedrigerer Temperatur. Daher kann man auch sagen, dass die Temperatur eines Körpers die Eigenschaft ist, die den Wärmefluss bestimmt.
Dies lässt sich leicht wie folgt demonstrieren: Wenn zwei Objekte aus dem gleichen Material zusammengelegt werden, kühlt sich das Objekt mit der höheren Temperatur ab, während das kühlere Objekt wärmer wird, bis ein Punkt erreicht ist, ab dem keine weiteren Veränderungen mehr auftreten.
Thermisches Gleichgewicht
Wärmeenergie fließt von einem Körper höherer Temperatur zu einem Körper niedrigerer Temperatur. Anders ausgedrückt: Wärme fließt von einem heißeren zu einem kälteren Körper. Die Wärmeenergie fließt so lange vom heißeren zum kälteren Körper, bis die Temperatur beider Körper gleich ist. In diesem Stadium befinden sich die beiden Körper im thermischen Gleichgewicht. Erreichen zwei Körper die gleiche Temperatur, befinden sie sich im thermischen Gleichgewicht, da dann keine Wärme mehr von einem Körper zum anderen fließt. Die so erreichte Temperatur wird Gleichgewichtstemperatur genannt.
Daher können wir jetzt sagen, dass die Temperatur die Größe ist, die für beide Systeme gleich ist, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden.
Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
Der NULLSTE Hauptsatz der Thermodynamik besagt: „Wenn sich zwei Systeme jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten befinden, müssen sie sich auch untereinander im thermischen Gleichgewicht befinden und alle die gleiche Temperatur haben, unabhängig von der Art des Systems.“
Dieses Gesetz kann wie folgt umformuliert werden:
Wenn drei oder mehr als drei Systeme vorhanden sind, die zusammen in thermischem Kontakt und auch im thermischen Gleichgewicht stehen, dann befinden sich alle beiden Systeme zusammen im Gleichgewicht miteinander.
Temperaturskala
Einer der ersten Versuche, eine standardisierte Temperaturskala zu entwickeln, fand bereits in der Vergangenheit statt. Galen schlug in seinen medizinischen Schriften eine standardisierte „neutrale“ Temperatur vor, die sich aus gleichen Mengen kochenden Wassers und Eises zusammensetzte; oberhalb dieser Temperatur lagen jeweils vier Grad Hitze und vier Grad Kälte. Die ersten Geräte zur Temperaturmessung waren sogenannte Thermoskope. Sie bestanden aus einem Glaskolben mit einem langen Rohr, das in einen Behälter mit gefärbtem Wasser mündete; Galilei soll jedoch 1610 Wein verwendet haben. Ein Teil der Luft im Kolben wurde vor dem Eintauchen in die Flüssigkeit herausgedrückt, wodurch die Flüssigkeit in das Rohr stieg. Erhitzte oder kühlte die verbleibende Luft im Kolben, schwankte der Flüssigkeitsstand im Rohr entsprechend der Temperaturänderung. Eine eingravierte Skala auf dem Rohr ermöglichte die quantitative Messung der Schwankungen. Die Luft im Kolben wird als thermometrisches Medium bezeichnet, d. h. als Medium, dessen Eigenschaften sich mit der Temperatur ändern.
1641 wurde für Ferdinand II., Großherzog der Toskana, das erste versiegelte Thermometer entwickelt, das Flüssigkeit statt Luft als Messmedium verwendete. Sein Thermometer bestand aus einem versiegelten Alkohol-in-Glas-Gerät mit 50-Grad-Markierungen am Schaft, jedoch ohne Fixpunkt zur Nullstellung der Skala. Diese Thermometer wurden als „Spiritusthermometer“ bezeichnet.
Robert Hook, Kurator der Royal Society, verwendete 1664 einen roten Farbstoff im Alkohol. Seine Skala, bei der jedes Grad eine gleich große Volumenzunahme darstellte, die etwa 1/500 des Volumens der Thermometerflüssigkeit entsprach, benötigte nur einen Fixpunkt. Er wählte den Gefrierpunkt von Wasser. Mit dieser Skalierung zeigte Hook, dass eine Standardskala für Thermometer unterschiedlicher Größe festgelegt werden konnte. Hooks ursprüngliches Thermometer wurde als Standard des Gresham College bekannt und von der Royal Society bis 1709 verwendet.
(Diese Skala wurde in den ersten verständlichen meteorologischen Aufzeichnungen verwendet.) Im Jahr 1702 stützte der Kopenhagener Astronom Ole Roemer seine Skala auf zwei Fixpunkte: Schnee (oder zerstoßenes Eis) und den Siedepunkt von Wasser, und er zeichnete mit diesem Thermometer die Tagestemperaturen in Kopenhagen in den Jahren 1708 und 1709 auf.
Bereits 1724 verwendete Gabriel Fahrenheit, ein Instrumentenbauer aus Dänzig und Amsterdam, Quecksilber als thermometrische Flüssigkeit. Quecksilber dehnt sich bei hoher und gleichmäßiger Wärme aus, haftet nicht am Glas und bleibt über einen weiten Temperaturbereich flüssig. Seine silbrige Oberfläche erleichtert die Ablesung.
Fahrenheit beschrieb, wie er die Skala seines Quecksilberthermometers kalibrierte:
„Wenn man das Thermometer in eine Mischung aus Ammoniaksalz oder Meersalz, Eis und Wasser hält, findet man einen Punkt auf der Skala, der mit Null bezeichnet wird. Ein zweiter Punkt wird erreicht, wenn man die gleiche Mischung ohne Salz verwendet. Dieser Punkt wird mit 30 bezeichnet. Ein dritter Punkt, bezeichnet mit 96, wird erreicht, wenn man das Thermometer in den Mund nimmt und so die Temperatur eines gesunden Menschen misst.“
Auf dieser Skala maß Fahrenheit den Siedepunkt von Wasser mit 212. Später korrigierte er den Gefrierpunkt von Wasser auf 32, sodass der Bereich zwischen Siede- und Gefrierpunkt von Wasser durch die rationalere Zahl 180 dargestellt werden konnte.
Die auf dieser Skala gemessenen Temperaturen werden in Grad Fahrenheit (°F) angegeben. 1745 beschrieb Carl von Linné aus Uppsala, Schweden, eine Skala, bei der der Gefrierpunkt von Wasser bei 0 und der Siedepunkt bei 100 liegt. Dadurch entstand eine Celsius-Skala (hundert Schritte); jeder Schritt wurde als „Grad“ bezeichnet. Anders Celsius (1701–1744) verwendete die umgekehrte Skala, bei der 100 den Gefrierpunkt und 0 den Siedepunkt von Wasser darstellte – natürlich lagen immer noch 100 Grad zwischen den beiden Fixpunkten.
1948 wurde die Celsius-Skala zugunsten einer neuen Skala in Grad Celsius (°C) aufgegeben. Die Celsius-Skala wird durch die folgenden zwei Elemente definiert, die später in diesem Aufsatz erläutert werden:
- Der Tripelpunkt von Wasser ist mit 0,01° definiert
- Ein Grad Celsius entspricht der gleichen Temperaturänderung wie ein Grad auf der idealen Gasoberfläche.
Auf der Celsius-Skala beträgt der Siedepunkt von Wasser bei normalem atmosphärischem Druck 99,975 °C, im Gegensatz zu den 100 Grad, die auf der Celsius-Skala definiert sind.
Zur Umrechnung von Celsius in Fahrenheit: mit 1,8 multiplizieren und 32 addieren. °F = 1,8°C + 32 °K = °C + 273.
1780 zeigte der französische Arzt JAC Charles, dass alle Gase bei gleichem Temperaturanstieg die gleiche Volumenzunahme aufweisen. Da der Ausdehnungskoeffizient von Gasen nahezu gleich ist, ist es möglich, eine Temperaturskala mit einem einzigen Fixpunkt anstelle von zwei Fixpunktskalen wie Fahrenheit und Celsius zu erstellen. Dies führt uns zurück zu einem Thermometer, das ein Gas als thermometrisches Medium verwendet.
Bei einem Gasthermometer mit konstantem Volumen ist ein großer Kolben B mit Gas, beispielsweise Wasserstoff, unter einem festgelegten Druck über ein Rohr mit sehr kleinem Volumen mit einem quecksilbergefüllten „Manometer“ verbunden. (Der Kolben B ist der temperaturempfindliche Teil und sollte fast den gesamten Wasserstoff enthalten.) Durch Anheben oder Absenken des Quecksilberbehälters R kann der Quecksilberstand bei C angepasst werden. Der Druck des Wasserstoffgases, die Variable „x“ in der linearen Beziehung zur Temperatur, ist die Differenz zwischen den Standen D und C plus dem Druck über D. C. Chappuis führte 1887 umfangreiche Studien zu Gasthermometern mit konstantem Druck oder konstantem Volumen durch, wobei er Wasserstoff, Stickstoff und Kohlendioxid als thermometrisches Medium verwendete. Auf der Grundlage seiner Ergebnisse übernahm das Comité International des Poids et Measures die Wasserstoffskala mit konstantem Volumen, die auf Fixpunkten am Eispunkt (0 °C) und am Dampfpunkt (100 °C) basiert, als praktische Skala für die internationale Meteorologie. Experimente mit Gasthermometern haben gezeigt, dass die Temperaturskalen verschiedener Gase sehr geringe Unterschiede aufweisen. Somit ist es möglich, eine Temperaturskala zu erstellen, die unabhängig vom thermometrischen Medium ist, sofern es sich um ein Gas mit niedrigem Druck handelt. In diesem Fall verhalten sich alle Gase wie ein „ideales Gas“ und weisen eine sehr einfache Beziehung zwischen Druck, Volumen und Temperatur auf: pV = (konstant) T. Diese Temperatur wird als thermodynamische Temperatur bezeichnet und gilt heute als grundlegendes Temperaturmaß. Beachten Sie, dass es auf dieser Skala einen natürlich definierten Nullpunkt gibt – den Punkt, an dem der Druck eines idealen Gases Null beträgt, wodurch auch die Temperatur Null beträgt. Mit diesem Punkt auf der Skala muss nur noch ein weiterer Fixpunkt definiert werden.
1933 übernahm das Internationale Komitee für Maß und Gewicht diesen Fixpunkt als Tripelpunkt des Wassers, also als die Temperatur, bei der Wasser, Eis und Wasserdampf im Gleichgewicht sind; sein Wert wurde auf 273,16 festgelegt. Die Temperatureinheit auf dieser Skala heißt Kelvin, benannt nach Lord Kelvin (William Thompson, 1824–1907), und ihr Symbol ist K (kein Gradzeichen verwendet).
Um von Celsius in Kelvin umzurechnen, addieren Sie 273. K = °C + 273.
Die thermodynamische Temperatur ist die fundamentale Temperatur; ihre Einheit ist das Kelvin, das als Bruchteil 1/273,16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von Wasser definiert ist.
1871 schlug Sir William Siemens ein Thermometer vor, dessen thermometrisches Medium ein metallischer Leiter ist, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Das Element Platin oxidiert bei hohen Temperaturen nicht und weist über einen großen Temperaturbereich eine relativ gleichmäßige Widerstandsänderung auf. Das Platin-Widerstandsthermometer wird heute häufig als thermoelektrisches Thermometer eingesetzt und deckt den Temperaturbereich von etwa -260 °C bis 1235 °C ab.
Beziehung zwischen verschiedenen Temperaturskalen
Manchmal ist es erforderlich, den Temperaturwert von einer Temperaturskala in eine andere umzurechnen. Dazu ist eine Beziehung zwischen verschiedenen Temperaturskalen erforderlich. Die Beziehung zwischen verschiedenen Temperaturskalen lautet:
C-0/100 = F-32/180 = K-273/100 = Re-0/80 = Ra-491,67/180
Wobei C, F, K, Re, Ra die verschiedenen Temperaturskalen bezeichnen. 0, 32, 273, 0, 491,67 bezeichnet die unteren Fixpunkte verschiedener Temperaturskalen und 100, 180, 100, 80, 180 bezeichnet die Anzahl der Unterteilungen in verschiedenen Temperaturskalen.
Internationale Temperaturskala
Die erste international anerkannte Temperaturskala war die Internationale Temperaturskala ITS-27 von 1927. Ihr Zweck bestand darin, Verfahren zu definieren, mit denen spezifizierte, qualitativ hochwertige und dennoch praktikable Thermometrie so kalibriert werden konnte, dass die daraus erhaltenen Temperaturwerte präzise und konsistent von Gerät zu Gerät und von Sensor zu Sensor waren und sich gleichzeitig im Rahmen der verfügbaren Technologie den entsprechenden thermodynamischen Werten annäherten. Dieses Ziel gilt bis heute. Die ITS-27 reichte von knapp unterhalb des Siedepunkts von Sauerstoff (-200 °C) bis über den Gefrierpunkt von Gold (1065 °C). Es wurden Interpolationsformeln für Platin-Widerstandsthermometer spezifiziert, die bei 0 °C sowie bei den Siedepunkten von Sauerstoff, Wasser und Schwefel (445 °C) kalibriert waren. Über 660 °C wurde das Rh vs. Pt-Thermoelement Pt-10% für Messungen spezifiziert. Oberhalb des Goldpunkts wurde optische Pyrometrie eingesetzt und die Werte der Fixpunkte basierten auf den besten verfügbaren Gasthermometriedaten der damaligen Zeit.
