Temperatur - Physik

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, M-Niveau

Einleitung

Die Temperatur beschreibt, wie warm oder kalt ein Körper ist. In der Physik ist sie eine messbare Zustandsgröße. Du begegnest ihr jeden Tag: beim Wetter, beim Kochen, bei Fieber, im Kühlschrank oder im Physikexperiment.

Temperatur und Wärme sind nicht dasselbe. Die Temperatur beschreibt einen Zustand. Wärme ist Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds von einem wärmeren zu einem kälteren Körper übertragen wird.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du die Temperatur als physikalische Größe erklären, Celsius und Kelvin unterscheiden, einfache Temperaturen umrechnen, verschiedene Thermometer beschreiben und Temperaturmessungen planen und auswerten.

Grundlagen

Temperatur als Zustandsgröße

Das Formelzeichen der thermodynamischen Temperatur ist $T$. Die SI-Basiseinheit ist das Kelvin mit dem Einheitenzeichen $\mathrm{K}$. Im Alltag wird meist die Celsius-Temperatur mit dem Formelzeichen $\vartheta$ und der Einheit Grad Celsius ${}^{\circ }\mathrm{C}$ verwendet.

Ein großer Körper kann dieselbe Temperatur wie ein kleiner Körper haben. Die Temperatur hängt daher nicht einfach von der Stoffmenge ab. Sie beschreibt den thermischen Zustand eines Körpers.

Temperatur und Wärme

Berühren sich zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen, wird Energie übertragen. Wärme fließt dabei vom Körper mit der höheren Temperatur zum Körper mit der niedrigeren Temperatur. Der Vorgang endet, wenn beide Körper dieselbe Temperatur besitzen. Dann herrscht ein thermisches Gleichgewicht.

Beispiel: Ein kalter Metalllöffel wird in heißen Tee gelegt. Der Löffel wird wärmer und der Tee etwas kälter. Nach einiger Zeit nähern sich ihre Temperaturen an.

Temperatur im Teilchenmodell

Im Teilchenmodell bestehen Stoffe aus kleinsten Teilchen. Diese bewegen sich ständig oder schwingen um feste Plätze.

Bei höherer Temperatur besitzen die Teilchen im Mittel mehr Bewegungsenergie. In einem Festkörper schwingen sie stärker. In Flüssigkeiten und Gasen bewegen sie sich im Mittel schneller und ungeordneter.

Das Teilchenmodell erklärt auch die Wärmeausdehnung: Werden viele Stoffe erwärmt, vergrößern sich die mittleren Abstände zwischen ihren Teilchen. Der Stoff dehnt sich aus.

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Temperaturskalen

Celsius-Skala

Die Celsius-Skala ist im Alltag besonders verbreitet. Unter üblichen Bedingungen liegt der Gefrierpunkt von Wasser ungefähr bei $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ und der Siedepunkt ungefähr bei $100{}^{\circ }\mathrm{C}$. Der genaue Siedepunkt hängt vom Luftdruck ab.

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Kelvin-Skala

Die Kelvin-Skala beginnt am absoluten Nullpunkt. Dieser liegt bei $0\mathrm{K}$ beziehungsweise $-\mathrm{273,15}{}^{\circ }\mathrm{C}$. Kelvin wird ohne Gradzeichen geschrieben.

Für die Umrechnung gilt:

$T(\mathrm{K})=\vartheta {(}^{\circ }\mathrm{C})+\mathrm{273,15}$

$\vartheta {(}^{\circ }\mathrm{C})=T(\mathrm{K})-\mathrm{273,15}$

Beispiele:

Celsius-Temperatur	Kelvin-Temperatur
$20{}^{\circ }\mathrm{C}$	$\mathrm{293,15}\mathrm{K}$
$0{}^{\circ }\mathrm{C}$	$\mathrm{273,15}\mathrm{K}$
$-10{}^{\circ }\mathrm{C}$	$\mathrm{263,15}\mathrm{K}$

Eine Temperaturdifferenz von $1{}^{\circ }\mathrm{C}$ ist genauso groß wie eine Temperaturdifferenz von $1\mathrm{K}$.

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Weitere Temperaturskalen

In einigen Ländern wird die Fahrenheit-Skala verwendet. Für den Physikunterricht sind vor allem Celsius und Kelvin wichtig.

Temperatur messen

Das Thermometer

Ein Thermometer nutzt eine Eigenschaft, die sich mit der Temperatur verändert. Eine Skala oder eine elektronische Anzeige ordnet dieser Veränderung einen Temperaturwert zu.

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Thermometerarten und Messprinzipien

Thermometerart	Messprinzip	Typische Anwendung
Flüssigkeitsthermometer	Eine Flüssigkeit dehnt sich beim Erwärmen aus und steigt in einem dünnen Röhrchen.	Raum, Labor, Außentemperatur
Bimetallthermometer	Zwei verbundene Metalle dehnen sich unterschiedlich stark aus. Der Streifen krümmt sich.	Backofen, Heizung, Kühlschrank
Elektronisches Thermometer	Ein elektrischer Widerstand oder eine Spannung verändert sich mit der Temperatur.	Fiebermessung, Wetterstation, Technik
Infrarotthermometer	Die vom Körper ausgesandte Wärmestrahlung wird ausgewertet.	Berührungslose Oberflächenmessung

Die Animation zeigt, wie eine Bimetallspirale auf Erwärmung reagiert.

Ein Infrarotthermometer misst die Oberflächentemperatur berührungslos. Glänzende oder spiegelnde Oberflächen können das Messergebnis beeinflussen.

Eine Wärmebildkamera stellt unterschiedliche gemessene Strahlungsintensitäten als Farben dar. Die Farben sind künstlich zugeordnet und keine sichtbaren Farben der Temperatur.

Richtig messen

1. Messbereich: Prüfe, ob das Thermometer für die erwartete Temperatur geeignet ist.
2. Messkontakt: Der Fühler muss an der richtigen Stelle sein und darf nicht durch Deine Hand erwärmt werden.
3. Wartezeit: Lies den Wert erst ab, wenn sich die Anzeige kaum noch verändert.
4. Ablesefehler: Lies eine Skala möglichst senkrecht ab.
5. Messwert: Notiere Zahlenwert, Einheit und bei Experimenten auch die Messunsicherheit.

Einfaches Schulexperiment: Temperaturausgleich

Material: Zwei Becher, warmes Wasser, kaltes Wasser, ein größerer Behälter, zwei Thermometer und eine Uhr.

1. Miss die Anfangstemperatur des warmen und des kalten Wassers.
2. Stelle beide Becher dicht nebeneinander in den größeren Behälter.
3. Miss die Temperaturen in gleichen Zeitabständen.
4. Trage beide Messreihen in ein Temperatur-Zeit-Diagramm ein.
5. Erkläre, warum sich die Temperaturen annähern.

Sicherheit: Verwende nur handwarmes oder mäßig warmes Wasser. Arbeite vorsichtig mit Glasthermometern und verwende keine beschädigten Geräte.

Der absolute Nullpunkt

Der absolute Nullpunkt ist die kleinste mögliche thermodynamische Temperatur. Er liegt bei $0\mathrm{K}$ beziehungsweise $-\mathrm{273,15}{}^{\circ }\mathrm{C}$. Reale Systeme können diesem Wert sehr nahekommen, ihn aber nicht durch einen endlichen Abkühlungsvorgang erreichen.

Das Diagramm zeigt, wie man bei Gasen aus Messwerten auf den absoluten Nullpunkt schließen kann.

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Temperatur im Alltag und in der Technik

Temperaturmessungen helfen beim Regeln, Überwachen und Schützen.

Bereich	Bedeutung der Temperatur
Wetter	Vergleich von Lufttemperaturen und Beobachtung von Tagesverläufen
Medizin	Kontrolle der Körpertemperatur
Haushalt	Regeln von Kühlschrank, Backofen und Heizung
Verkehr	Warnung vor Glätte oder Überhitzung
Industrie	Überwachung von Maschinen und Produktionsprozessen
Forschung	Untersuchung von Stoffeigenschaften und Zustandsänderungen

Ein Minimum-Maximum-Thermometer speichert die niedrigste und höchste Temperatur eines Zeitraums.

Zusammenfassung

Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße. Sie wird mit Thermometern gemessen. Im Alltag nutzt Du meist Grad Celsius, in Naturwissenschaft und Technik häufig Kelvin. Wärme wird wegen eines Temperaturunterschieds übertragen. Im Teilchenmodell bedeutet eine höhere Temperatur im Allgemeinen eine größere mittlere Energie der Teilchen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt die Temperatur in der Physik? (Den thermischen Zustand eines Körpers) (!Die Masse eines Körpers) (!Die Farbe eines Körpers) (!Die elektrische Ladung eines Körpers)

In welche Richtung wird Wärme ohne weitere Einwirkung übertragen? (Vom wärmeren zum kälteren Körper) (!Vom kälteren zum wärmeren Körper) (!Immer nach oben) (!Immer zum größeren Körper)

Welche Einheit ist die SI-Basiseinheit der Temperatur? (Kelvin) (!Grad Fahrenheit) (!Joule) (!Watt)

Welcher Kelvin-Temperatur entsprechen 0 Grad Celsius? (273,15 K) (!0 K) (!100 K) (!373,15 K)

Wo liegt der absolute Nullpunkt? (Bei 0 K) (!Bei 0 Grad Celsius) (!Bei 100 K) (!Bei minus 100 Grad Celsius)

Welche Eigenschaft nutzt ein Flüssigkeitsthermometer? (Die temperaturabhängige Ausdehnung einer Flüssigkeit) (!Die Masseänderung einer Flüssigkeit) (!Die elektrische Ladung von Wasser) (!Die Farbe des Glases)

Warum krümmt sich ein Bimetallstreifen beim Erwärmen? (Die beiden Metalle dehnen sich unterschiedlich stark aus) (!Ein Metall verliert seine Masse) (!Beide Metalle schmelzen sofort) (!Der Luftdruck wird immer null)

Wie misst ein Infrarotthermometer? (Es wertet Wärmestrahlung aus) (!Es wiegt den Körper) (!Es misst nur den Luftdruck) (!Es zählt die Teilchen)

Wie groß ist der Temperaturunterschied zwischen 15 Grad Celsius und 25 Grad Celsius? (10 Kelvin) (!40 Kelvin) (!273,15 Kelvin) (!298,15 Kelvin)

Wann solltest Du einen Thermometerwert ablesen? (Wenn sich die Anzeige kaum noch verändert) (!Sofort nach dem Einschalten) (!Nur während Du den Fühler festhältst) (!Erst nachdem das Thermometer entfernt wurde)

Memory

Temperatur	Zustandsgröße
Kelvin	SI-Basiseinheit
Celsius	Alltagsskala
Thermisches Gleichgewicht	Gleiche Temperatur
Bimetall	Unterschiedliche Ausdehnung
Infrarotthermometer	Berührungslose Messung
Absoluter Nullpunkt	Null Kelvin

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Messprinzip
Flüssigkeitsthermometer	Ausdehnung einer Flüssigkeit
Bimetallthermometer	Krümmung zweier Metalle
Widerstandsthermometer	Änderung des elektrischen Widerstands
Thermoelement	Temperaturabhängige elektrische Spannung
Infrarotthermometer	Auswertung von Wärmestrahlung

...

Kreuzworträtsel

Thermometer	Welches Gerät misst die Temperatur?
Kelvin	Wie heißt die SI-Basiseinheit der Temperatur?
Celsius	Welche Temperaturskala wird im deutschen Alltag meist verwendet?
Bimetall	Wie heißt die Verbindung aus zwei Metallen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung?
Nullpunkt	Wie heißt der tiefste Ausgangspunkt der Kelvin-Skala?
Gleichgewicht	Welcher Zustand herrscht bei gleicher Temperatur ohne weiteren Wärmeaustausch?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die Temperatur ist eine physikalische . Wärme wird wegen eines übertragen. Sie fließt vom wärmeren zum Körper. Die SI-Basiseinheit der Temperatur heißt . Im Alltag wird häufig die Einheit Grad verwendet. Der absolute Nullpunkt liegt bei . Ein Bimetall krümmt sich wegen der unterschiedlichen . Ein Infrarotthermometer misst die ausgesandte .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Temperaturtagebuch: Miss eine Woche lang morgens und nachmittags die Außentemperatur und stelle die Werte in einer Tabelle dar.
2. Thermometer-Suche: Fotografiere oder zeichne drei Thermometer aus Deinem Alltag und beschrifte ihren Einsatzort.
3. Temperaturskala: Gestalte ein Plakat mit typischen Temperaturen aus Alltag, Natur und Technik.
4. Begriffskarte: Erstelle eine übersichtliche Karte zu Temperatur, Wärme, Kelvin, Celsius und thermischem Gleichgewicht.

Standard

1. Messvergleich: Vergleiche ein Flüssigkeits-, Digital- und Infrarotthermometer und dokumentiere Unterschiede bei Anzeige und Messdauer.
2. Abkühlkurve: Miss die Temperatur eines warmen Getränks über 20 Minuten und zeichne ein Temperatur-Zeit-Diagramm.
3. Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video, das den Unterschied zwischen Temperatur und Wärme erklärt.
4. Kelvin-Rechner: Entwickle eine Tabelle oder ein kleines Programm zur Umrechnung zwischen Celsius und Kelvin.

Schwer

1. Messunsicherheit: Wiederhole dieselbe Temperaturmessung mehrfach, bestimme Mittelwert und Streuung und bewerte die Zuverlässigkeit.
2. Wärmebildanalyse: Untersuche ein Wärmebild und erkläre, warum Farbe, Oberfläche und Abstand die Deutung beeinflussen können.
3. Experimentplanung: Plane ein Experiment zum thermischen Gleichgewicht mit kontrollierten Bedingungen und begründe jede Messentscheidung.
4. Forschungsinterview: Befrage eine Fachperson aus Medizin, Wetterdienst, Handwerk oder Industrie zur Bedeutung präziser Temperaturmessungen.

Lernkontrolle

1. Temperatur und Wärme: Erkläre an einem selbst gewählten Alltagsbeispiel, warum Temperatur und Wärme nicht dasselbe sind.
2. Thermisches Gleichgewicht: Begründe, warum zwei Körper nach längerem Kontakt dieselbe Temperatur annehmen können.
3. Thermometerauswahl: Entscheide für Backofen, Fiebermessung und heiße Maschinenoberfläche jeweils über eine geeignete Thermometerart und begründe Deine Wahl.
4. Temperaturumrechnung: Rechne drei selbst gewählte Celsius-Werte in Kelvin um und prüfe, ob die Ergebnisse physikalisch sinnvoll sind.
5. Messfehler: Analysiere eine fehlerhafte Temperaturmessung und entwickle konkrete Verbesserungen.
6. Teilchenmodell: Nutze das Teilchenmodell, um Wärmeausdehnung und Temperaturänderung miteinander zu verbinden.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. die Temperatur als physikalische Zustandsgröße erklären kannst,
2. Temperatur und Wärme sicher unterscheidest,
3. Celsius- und Kelvin-Werte korrekt umrechnest,
4. den absoluten Nullpunkt einordnest,
5. Messprinzipien verschiedener Thermometer vergleichst,
6. eine Temperaturmessung planst, dokumentierst und auswertest,
7. Ergebnisse mit dem Teilchenmodell begründest,
8. Messfehler und Messunsicherheiten erkennst.

Verknüpfte Lernbereiche

Temperatur - Physik Temperatur Wärme Wärmelehre Thermodynamik Teilchenmodell Thermometer Kelvin Grad Celsius Absoluter Nullpunkt Wärmeausdehnung Messunsicherheit