Physik in unserem Leben/ Wärmeenergie, Temperatur

Der Tanz der Moleküle

Wahrscheinlich hast du selber mal getanzt. Wenn nicht, kannst du doch zu Hause ausprobieren, was in den nächsten Absätzen beschrieben wird. Beim Tanzen ist es oft so, dass man auch in beliebiger Richtung springt. Je weiter du springen willst, desto größer muss der Schwung sein. Dabei erreichst du bei der Bewegung eine Geschwindigkeit, die auch größer ist, wenn der Sprung auch größer ist. Wenn du größere Sprünge machst, dann brauchst du selbstverständlich mehr Platz. Also in einem Satz: wenn du mit deinem Körper weiter springst, dann brauchst du mehr Platz und die Geschwindigkeit ist größer. Genau das gleiche passiert mit den Atomen. Du hast vielleicht schon über Atome gehört. Dies sind sehr sehr kleine Teilchen, also sehr sehr kleine Körperchen, aus denen die Materie um uns herum besteht. Alles, was um uns herum Materie ist, besteht aus Atomen. Moleküle etwa bestehen aus zwei oder mehreren Atomen. Wie zwei Tanzpartner springen die Atome als Molekül gemeinsam durch die Gegend. Feste Körper wie ein Stuhl, ein Löffel, ein Auto oder ein Musikinstrument, ein Kristall bestehen aus sehr vielen Atomen, die relativ starr und dicht zueinander angeordnet sind - hier schwingen die Atome nur relativ zueinander. Flüssigkeiten und Gase wie Wasser und Luft bestehen aus einer ungeordneten Ansammlung von Atomen oder Molekülen, die sich leicht relativ zueinander bewegen können. Die Atome bewegen sich auch (fast) die ganze Zeit. Sie tanzen wie verrückt. Je wilder sie tanzen, desto mehr Platz brauchen sie. Wenn sie wilder tanzen, das heißt, wenn sie größere Sprünge machen, dann haben sie eine größere Geschwindigkeit, genau wie du, wenn du größere Sprünge machst.

Temperatur

Wenn die Moleküle eines Körpers oder einer Flüssigkeit oder der Luft schneller sind, dann sagt man, dass die Temperatur höher ist. Ja das hast du richtig verstanden. Die Temperatur, die wir messen, wenn wir zum Beispiel Fieber haben, zeigt eigentlich wie schnell sich die Atome bewegen. Seltsam aber wahr...

Celsiusskala

Das Symbol für die Temperatur ist T und sie wird im Alltag bei uns meist in °C (man sagt: Grad Celsius) gemessen. Man definiert eigentlich 0°C. Die Größe eine Grades ist die Gleiche wie für die Kelvinskala, die etwas weiter unten erläutert wird, die eigentliche Standardeinheit für Temperatur in der Physik. Die davon abgeleitete Celsiusskala lehnt sich eher an unseren täglichen Gebrauch von Wasser an:

Lass uns sagen, dass wir eine Säule oder ein Reagenzglas mit Quecksilber oder noch besser ein (Raum-) Quecksilberthermometer haben. Letzteres hast du hoffentlich schon mal gesehen. Wir tauchen es in klares Wasser (also ohne Salz oder was anderes). In irgendeiner Weise lassen wir das Wasser so kalt werden, bis es gerade Eis wird. Wir markieren, wie hoch das Quecksilber in unserem Reagenzglas oder in unserem Thermometer ist. Dann kochen wir das Wasser, bis es gerade zu brühen (brodeln) anfängt. Diesen Punkt auf dem Reagenzglas (oder dem Thermometer) markieren wir auch. Selbstverständlich ist die Temperatur für die beide Punkte verschieden. Den Abstand zwischen den Punkten teilen wir in 100 gleiche Teile. Jeder Teil entspricht jetzt 1°C. Der Punkt unten ist 0°C in der Skala und der Punkt oben 100°C.

Wärmeenergie

Stell dir jetzt vor, dass du zwei Körper hast, die die gleiche Temperatur haben, zum Beispiel zwei Äpfel. Ein Apfel sei größer als der andere. Wir wiegen die Äpfel und finden heraus, dass der größere zwei mal so viel wiegt wie der andere. Seine Masse also ist zweimal die Masse des anderen. Das heißt, er hat mehr Materie (sehe Kapitel über Gewicht), also mehr Atome (aber von der gleichen Art, das werden wir aber hier nicht weiter behandeln). Wenn zwei Körper der gleichen Art die gleiche Temperatur haben, dann sagen wir, dass der größere mehr Wärmeenergie hat. Die Wärmeenergie also ist sowohl von der Temperatur als auch von der Anzahl der Moleküle abhängig. Es gibt selbstverständlich die entsprechende Formel dafür!

E_th = c m T

wo c eine Konstante ist, m die Masse (in kg) und T die Temperatur (in Kelvin, siehe unten).

Damit du eine kleine Idee bekommst, was das heißen sollte, stell dir vor, dass du in einem Tanzklub bist. Ist das das gleiche, wenn nur zwei Personen auf der Piste ganz wild tanzen und das gleiche wenn 100 genau so wild tanzen? Also, im zweiten Fall gibt es die gleiche „Temperatur“ (jede Person tanzt genau so wild) aber viel mehr „Energie“ oder?

Ausdehnung

Wie schon gesagt, je höher die Geschwindigkeit ist, desto größer sowohl die Temperatur als auch der Platz, den die Atome brauchen. Wenn du also einen Körper hast und die Temperatur höher wird, dann braucht jedes Atom mehr Platz und deshalb auch der ganze Körper. Also bei wachsender Temperatur dehnen sich die Körper aus. Es gibt Ausnahmen zu dieser Regel (wir werden schon den Fall vom Wasser in einem anderen Kapitel sehen), die Gründe aber dafür sind sehr kompliziert und hängen davon ab, aus welchen Atomen oder Molekülen ein Stoff zusammengesetzt ist und wie diese aufeinander wirken - auch auf der Tanzfläche kann man sich vorstellen, daß die Leute zusammenstoßen, wenn sie wild tanzen. Da ist nicht komplett egal, wie diese auf einen Zusammenstoß reagieren.

Kelvinskala

Außer dem Celsiusgrad gibt es auch andere Einheiten (zum Beispiel in USA die Einheit Fahrenheit). Für Betrachtungen in der Physik und für Formeln ist praktisch nur die Einheit Kelvin relevant. In der Skala Kelvin entspricht ein Grad genau ein Grad Celsius. Das heißt, eine Erhöhung der Temperatur um ein Grad Celsius ist auch eine Erhöhung von ein Grad Kelvin. Der Unterschied liegt darin, wo der Nullpunkt steht. Wie gesagt, beim Celsiusskala steht er an der Stelle, die das Thermometer zeigt, wenn das Wasser gerade zum Eis wird. Der Bezug zum Wasser ist also relevant für die Skala. Hat man kein Wasser, ist ein allgemeinerer Bezug viel nützlicher. Wir haben schon gesagt, dass die Atome tanzen, und dass die Temperatur zeigt, wie schnell sie tanzen. Es gibt aber eine gewisse Temperatur, in der sie sehr nah zueinander sind und nicht mehr tanzen oder sich überhaupt bewegen können. Diese Temperatur ist der Nullgrad in der Kelvinskala. Dieser Nullpunkt ist vorteilhaft für die meisten Formeln, die mit Temperatur zu tun haben. Du hast schon mal im Winter gehört, dass die Temperatur -5°C ist. In der Kelvinskala gibt es keine negative Temperatur, wie bei Celsiusskala. Der Nullpunkt für die Kelvinskala wurde gemessen und steht etwa auf -273°C (also 0 K= -273°C). Das heißt also, dass 0°C =273 K, 220°C =493 K, -10°C=263 K, 130 K=-143°C.

Damit du es ein bisschen verstehst, können wir es mit einem Höhenunterschied erklären. Du hast vielleicht schon mal gehört, dass Teile der Niederlande (etwa 1/3) sich unter dem Meeresspiegel liegen (deshalb heißen sie ja Niederlande). Der tiefste Punkt, nennen wir ihm Punkt F, ist etwa 7 Meter unter dem Meeresspiegel. Lass uns jetzt sagen, dass der höchste Punkt eines Gebäudes, nennen wir ihn Punkt G, am Hafen von Amsterdam (eine Hafenstadt in der Niederlande) 3 Meter höher als der Meeresspiegel ist (nennen wir M einen Punkt auf dem Meeresspiegel). Also, wenn wir den Meeresspiegel als Bezugspunkt benutzen, dann ist die Höhe h₁ von G 3 Meter. Lass uns jetzt sagen, dass die Straße vor dem Haus ein Meter höher als M ist (Punkt S). Wenn wir die Straße als Bezugspunkt benutzen, ist jetzt die Höhe h₂ von G 2 Meter. Wenn wir als Bezugspunkt den Punkt F benutzen, dann ist die Höhe h₃ 10 Meter.

Wenn wir den Meeresspiegel als Bezugspunkt benutzen, dann gibt es sowohl positive (z.B. Punkt G: 3m) als auch negative (z.B. Punkt F: -7m) Höhe. Wenn wir aber Punkt F als Bezugspunkt benutzen, dann gibt es keine negative Höhe (es gibt keinen Punkt am Land, der tiefer als der tiefster Punkt ist...). Punkt F also hat dann die Höhe 0, Punkt M (Meeresspiegel) 7m, S 8m und G 10m. Genauso ist es mit der Celsius und Kelvinskala. Sie benutzen zwar den gleichen Maßstab (also 1°C=1 K, das entspricht 1m im Beispiel mit der Höhe), der Bezugspunkt ist aber unterschiedlich.