Wärmelehre / Thermodynamik
Temperatur, Teilchenmodell und der absolute Nullpunkt
Was Temperatur wirklich misst, warum es nach unten eine Grenze gibt und weshalb Wasser sich seltsam verhält.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
Fass gleichzeitig ein Holzbrett und einen Metallgriff an, beide seit Stunden im selben Zimmer. Das Metall fühlt sich kälter an. Ein Thermometer widerspricht: Beide haben dieselbe Temperatur.
Unser Temperaturempfinden ist also kein Messgerät, sondern ein Wärmeflussmelder. Genau deshalb brauchte die Physik eine Größe, die unabhängig vom Gefühl ist, und ein Modell, das erklärt, was beim Erwärmen im Inneren eines Körpers eigentlich passiert.
Das kannst du nach diesem Kapitel
die Temperatur als Maß für die mittlere Teilchenbewegung deuten.
die Celsius- und die Kelvin-Skala vergleichen und umrechnen.
den absoluten Nullpunkt mit dem Teilchenmodell begründen.
die Wärmeausdehnung fester Körper, Flüssigkeiten und Gase erklären.
Längenänderungen berechnen und technische Folgen benennen.
die Anomalie des Wassers beschreiben und ihre Bedeutung für die Natur beurteilen.
Das Teilchenmodell
Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen (Atome, Moleküle), die ständig in Bewegung sind:
- In Festkörpern schwingen sie um feste Plätze im Gitter.
- In Flüssigkeiten bewegen sie sich frei, bleiben aber dicht beieinander.
- In Gasen fliegen sie weitgehend unabhängig durch den Raum.
Diese Bewegung hört nie auf. Man nennt sie Brownsche Bewegung, und man kann sie unter dem Mikroskop indirekt sehen: Ein Rußteilchen in Wasser zittert unaufhörlich, weil es von allen Seiten von Wassermolekülen angestoßen wird.
Vergleiche die drei Kästen Teilchen für Teilchen: Sie sind überall gleich groß. Was sich ändert, ist einzig ihre Anordnung und ihre Bewegung. Im Gas ist zwischen den Teilchen fast nur Leere, deshalb füllt es jeden Raum aus, und deshalb werden aus 1 Liter Wasser rund 1700 Liter Dampf. Wer sich merkt „beim Erwärmen werden die Teilchen größer“, hat genau das Gegenteil des Modells verstanden.
Temperatur ist ein Maß für die Teilchenbewegung
Erwärmt man einen Körper, bewegen sich seine Teilchen schneller. Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische der Teilchen.
Zwei Wörter darin sind wichtig:
- mittlere, weil nicht alle Teilchen gleich schnell sind. Es gibt immer langsamere und schnellere; die Temperatur beschreibt den Durchschnitt.
- kinetische Energie, nicht Geschwindigkeit. Bei gleicher Temperatur sind leichtere Teilchen schneller unterwegs als schwere.
Daraus folgt sofort etwas Wichtiges: Die Temperatur hängt nicht von der Stoffmenge ab. Ein Tropfen kochendes Wasser und ein voller Topf haben beide , obwohl im Topf viel mehr Energie steckt.
Die Pfeile sind maßstäblich, und das ist die Überraschung: 300 °C mehr bedeuten nur das 1,45-Fache an Tempo. Der Grund steht im Bild. Man muss von −273 °C aus zählen, nicht von null Grad Celsius. „Mittlere“ Geschwindigkeit heißt dabei: Einzelne Teilchen sind schneller, einzelne langsamer.
Zwei Temperaturskalen
Celsius-Skala ( in ): Anders Celsius legte zwei leicht reproduzierbare Punkte fest, den Gefrierpunkt () und den Siedepunkt des Wassers () bei Normaldruck, und teilte dazwischen in hundert Teile.
Das ist praktisch, aber willkürlich: Der Nullpunkt ist kein besonderer Zustand der Natur, sondern eine Eigenschaft eines bestimmten Stoffes.
Kelvin-Skala ( in ): Ihr Nullpunkt liegt beim absoluten Nullpunkt, dem tiefstmöglichen Zustand überhaupt. Die Schrittweite ist dieselbe wie bei Celsius, deshalb ist die Umrechnung einfach:
🔴 Bei Temperaturdifferenzen sind beide Skalen gleich: Eine Erwärmung um ist eine Erwärmung um . Das ist ein häufiger Stolperstein bei Rechnungen.
Man schreibt „", nicht „".
Der absolute Nullpunkt
Kühlt man ein Gas ab, sinkt sein . Trägt man den Druck über der Temperatur auf, ergibt sich eine Gerade. Verlängert man sie über den gemessenen Bereich hinaus, trifft sie die Temperaturachse bei
Bei dieser Temperatur wäre der Druck null, also gäbe es keine Teilchenstöße mehr, also keine Teilchenbewegung.
Und genau deshalb kann es nicht kälter werden: Weniger als „keine Bewegung" gibt es nicht. Der absolute Nullpunkt ist keine willkürliche Marke, sondern eine echte untere Grenze.
🔴 Zwei ehrliche Zusätze: Erstens ist der Wert extrapoliert, also über den Messbereich hinaus verlängert; kein Gas bleibt bis dahin gasförmig. Zweitens lässt sich der absolute Nullpunkt nie erreichen, sondern nur beliebig gut annähern; der bisherige Rekord liegt bei wenigen Milliardstel Kelvin darüber.
Nach oben gibt es übrigens keine entsprechende Grenze.
Der durchgezogene Teil ist gemessen, der gestrichelte nur verlängert. Genau darin liegt die Stärke des Arguments: Man muss den absoluten Nullpunkt nicht erreichen, um zu wissen, wo er liegt, die Messwerte zeigen von selbst dorthin. Dort wäre der null: Kein Teilchen stieße mehr an die Wand.
Wärmeausdehnung
Schnellere Teilchen brauchen mehr Platz: Sie schwingen mit größerer Auslenkung und drängen ihre Nachbarn weiter weg. Deshalb dehnen sich fast alle Stoffe beim Erwärmen aus.
Feste Körper. Die Längenänderung ist der Ausgangslänge und der Temperaturänderung proportional:
ist der Längenausdehnungskoeffizient, eine Stoffeigenschaft (Aluminium , Stahl , Glas ).
Die Zahlen wirken winzig, die Wirkung ist es nicht: Eine lange Stahlbrücke wird bei Temperaturunterschied um fast länger. Deshalb gibt es Dehnungsfugen in Brücken und Gleisen, deshalb sind Rohrleitungen mit Bögen verlegt, und deshalb hängen Freileitungen im Sommer tiefer durch.
Flüssigkeiten dehnen sich stärker aus als Festkörper. Genau darauf beruht das Flüssigkeitsthermometer.
Gase dehnen sich am stärksten aus, und zwar alle gleich stark, unabhängig vom Stoff. Das ist ein starker Hinweis darauf, dass die Ausdehnung an der Teilchenbewegung liegt und nicht an den Eigenheiten des Stoffes.
Bimetallstreifen. Zwei fest verbundene Metalle mit verschiedenem krümmen sich beim Erwärmen, weil eine Seite sich stärker ausdehnt. Anwendung: Thermostat, Blinkerrelais, Temperaturschalter im Bügeleisen.
Δl ist im Bild rund hundertfach überzeichnet, sonst sähe man nichts; die ehrliche Zahl steht darunter. Beim Bimetall entscheidet die Frage, welche Schicht außen liegt: Die stärker ausgedehnte muss den längeren Weg zurücklegen, also liegt sie außen an der Krümmung.
Die Anomalie des Wassers
Wasser hält sich nicht an die Regel. Zwischen und zieht es sich beim Erwärmen zusammen, statt sich auszudehnen. Erst oberhalb von verhält es sich normal.
Bei hat Wasser deshalb sein kleinstes Volumen und damit seine größte .
Zwei Folgen, die kaum zu überschätzen sind:
Eis schwimmt. Beim Gefrieren ordnen sich die Wassermoleküle in ein Gitter mit größeren Abständen. Eis hat deshalb eine kleinere Dichte () als flüssiges Wasser und schwimmt oben.
Gewässer frieren von oben zu. Wasser von ist am dichtesten und sinkt auf den Grund. Darüber schichtet sich kälteres Wasser, und ganz oben bildet sich Eis, das wie eine Dämmschicht wirkt.
Deshalb frieren tiefe Seen nie bis zum Grund durch, und deshalb überleben Fische den Winter. Würde Eis sinken, würde jeder See von unten her zufrieren, und Leben im Wasser wäre in kalten Regionen unmöglich.
Die dritte Folge kennt jeder, der eine Flasche im Gefrierfach vergessen hat: Weil Eis mehr Platz braucht, sprengt gefrierendes Wasser Flaschen und Wasserleitungen. Dieselbe sprengt in der Natur Felsen (Frostverwitterung).
Zwei Diagramme mit zwei sehr verschiedenen Maßstäben: Oben der große Unterschied zwischen Eis und Wasser, unten die winzige Feinstruktur mit dem Maximum bei 4 °C. Die untere Achse beginnt erst bei 999,6 kg/m³, zwischen 0 °C und 4 °C ändert sich die nämlich nur um 0,013 %. Ohne den Hinweis auf die gedehnte Achse läse man aus dem unteren Bild einen viel größeren Effekt heraus, als es ihn gibt.
Temperaturen umrechnen und Differenzen bilden
a) Rechne um: , und in Kelvin.
b) Rechne um: und in Grad Celsius.
c) Ein Körper wird von auf erwärmt. Wie groß ist die Temperaturänderung in und in ?
- 1
a) Immer addieren (in Schulaufgaben oft mit gerundet):
- 2
b) Umgekehrt abziehen:
ist ungefähr Körpertemperatur, der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff.
- 3
c) In Celsius:
In Kelvin: Erst umrechnen, dann subtrahieren:
- 4
Warum beide Zahlen gleich sind: Die werden zu beiden Temperaturen addiert und heben sich beim Subtrahieren wieder auf. Der Zahlenwert einer Differenz ist deshalb in beiden Skalen identisch.
🔴 Praktische Folge: In Formeln, in denen eine Temperaturdifferenz steht (etwa der Wärmeausdehnung oder der Grundgleichung der Wärmelehre), darf man direkt mit Celsius-Differenzen rechnen. Wo eine absolute Temperatur steht (etwa in den Gasgesetzen der Oberstufe), muss man in Kelvin umrechnen.
a) , , b) , c) und , zahlengleich.
Wärmeausdehnung einer Brücke
Eine Stahlbrücke ist bei genau lang. Im Sommer erreicht der Stahl , im Winter . ()
a) Wie lang ist die Brücke im Sommer?
b) Wie groß ist der Gesamtunterschied zwischen Sommer und Winter?
c) Welche Konsequenz hat das für den Bau?
- 1
a) Temperaturdifferenz bestimmen:
(Die Differenz ist in und dieselbe.)
- 2
Längenänderung berechnen:
Die Einheit kürzt sich weg, übrig bleibt .
Länge im Sommer: .
- 3
b) Vom Winter zum Sommer sind es :
Die Brücke ist im Sommer also gut zehn Zentimeter länger als im Winter.
- 4
c) Man muss diese Bewegung zulassen. Wäre die Brücke an beiden Enden starr eingespannt, entstünden gewaltige : Der Stahl müsste um zusammengedrückt werden, und die dafür nötige Kraft läge im Bereich mehrerer Meganewton. Das Bauwerk würde sich verformen oder reißen.
Deshalb baut man:
- Dehnungsfugen an den Brückenenden (die kammartigen Spalte, über die man beim Darüberfahren rumpelt),
- Rollen- oder Gleitlager an einem Auflager, damit sich die Brücke frei bewegen kann,
- bei Rohrleitungen Dehnungsbögen statt gerader Strecken.
Bei Eisenbahngleisen wurde früher aus demselben Grund ein Spalt gelassen (das typische Rattern). Heute verschweißt man Gleise durchgehend und hält sie durch das Schotterbett und hohe Vorspannung in Position; bei extremer Hitze können sie sich trotzdem verwerfen, was zu Langsamfahrstellen führt.
a) b) rund Unterschied c) Dehnungsfugen und bewegliche Lager sind zwingend, sonst zerstört die Ausdehnung das Bauwerk.
Typischer Fehler
„Ein Topf mit einem Liter kochendem Wasser ist heißer als eine Tasse mit kochendem Wasser, weil mehr drin ist."
Beide haben genau dieselbe Temperatur, nämlich . Die Temperatur misst die mittlere kinetische eines Teilchens, nicht die Gesamtenergie.
Was tatsächlich verschieden ist, ist die thermische Energie, also der gesamte Energieinhalt. Im Topf sind fünfmal so viele Teilchen, also steckt darin auch etwa fünfmal so viel Energie.
Der Unterschied wird sofort praktisch:
- Die Verbrennungsgefahr beim Berühren hängt von der Temperatur ab, deshalb ist beides gleich gefährlich beim ersten Kontakt.
- Die Schadenshöhe hängt von der Energie ab, deshalb verbrüht ein umgekippter Topf viel schlimmer als eine Tasse.
- Zum Abkühlen braucht der Topf viel länger, weil mehr Energie abgeführt werden muss.
Die saubere Trennung:
| Temperatur | Thermische Energie | |
|---|---|---|
| misst | mittlere Energie je Teilchen | Energie aller Teilchen |
| Einheit | oder | Joule |
| hängt von der Menge ab | nein | ja |
Dieselbe Unterscheidung begegnet dir gleich wieder bei der Grundgleichung der Wärmelehre: Dort steht die ausdrücklich in der Formel, die Temperatur dagegen nur als Differenz.
Übung 1
leichta) Rechne in Kelvin um: , , .
b) Rechne in Grad Celsius um: , .
c) Warum gibt es keine Temperatur unter ?
Tipp anzeigen
c) Was würde weniger als „keine Teilchenbewegung" bedeuten?
Lösung anzeigen
a) · ·
b) ·
c) Weil die Temperatur die mittlere kinetische der Teilchen misst. Bei wäre diese Energie null, die Teilchenbewegung also vollständig zum Erliegen gekommen.
Eine Temperatur darunter müsste eine negative kinetische Energie bedeuten, und die gibt es nicht: ist nie negativ. Der absolute Nullpunkt ist deshalb eine echte untere Grenze und keine Frage besserer Kühltechnik.
(Nach oben gibt es keine solche Grenze, denn Geschwindigkeiten können immer weiter wachsen.)
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht bei der Temperaturumrechnung
Gegeben sind drei Celsius-Werte (, und ) und zwei Kelvin-Werte ( und ). Gesucht ist jeweils die andere Skala, dazu in c) eine Begründung für die untere Grenze.
- 2
Die Umrechnung als Verschiebung des Nullpunkts
Der absolute Nullpunkt liegt bei . Deshalb gilt (Kelvin aus Celsius) und (Celsius aus Kelvin). Es wird addiert oder subtrahiert, nie multipliziert.
- 3
a) und b) Die fünf Werte umrechnen
Zu jedem Celsius-Wert addieren, von jedem Kelvin-Wert abziehen.
· · · ·
Zwischenergebnis
Alle fünf Werte umgerechnet, siehe Rechnung.
- 4
c) Ergebnis deuten: warum es unter null Kelvin nichts gibt
Die Temperatur misst die mittlere kinetische Energie der Teilchen. Bei wäre diese Energie null, die Teilchenbewegung also vollständig zum Erliegen gekommen. Eine Temperatur darunter müsste eine negative kinetische Energie bedeuten, und ist nie negativ.
Übung 2
mittelEine Aluminiumstange ist bei genau lang. ()
a) Wie lang ist sie bei ?
b) Eine gleich lange Stahlstange () wird ebenso erwärmt. Um wie viel unterscheiden sich die Längenänderungen?
c) Erkläre damit die Wirkungsweise eines Bimetallstreifens.
Tipp anzeigen
c) Was passiert, wenn zwei fest verbundene Streifen sich unterschiedlich stark ausdehnen?
Lösung anzeigen
a)
Neue Länge: .
b)
Unterschied: . Aluminium dehnt sich fast doppelt so stark aus wie Stahl.
c) Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei fest miteinander verbundenen Metallstreifen mit verschiedenem , zum Beispiel Aluminium und Stahl.
Beim Erwärmen möchte die Aluminiumseite deutlich länger werden als die Stahlseite. Weil beide fest verbunden sind, können sie sich nicht gegeneinander verschieben. Der einzige Ausweg ist eine Krümmung: Der Streifen biegt sich zur Seite des Metalls mit dem kleineren Ausdehnungskoeffizienten, also zum Stahl hin.
Beim Abkühlen läuft es umgekehrt, bei Unterschreiten der Ausgangstemperatur krümmt er sich zur anderen Seite.
Anwendung: Die Krümmung schaltet einen Kontakt. So arbeiten Thermostate (Bügeleisen, Heizung, Kaffeemaschine), Überlastschutzschalter und das Blinkerrelais im Auto. Ein Bimetall ist damit ein einfacher, robuster Temperaturschalter ganz ohne Elektronik.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht bei der Längenausdehnung
Gegeben: bei , Erwärmung auf , und . Gesucht: die neue Länge, der Unterschied beider Stangen und die Erklärung des Bimetalls.
- 2
a) Die Temperaturdifferenz bilden
. Eine Temperaturdifferenz darf man in Kelvin angeben, ohne zu addieren, denn beim Subtrahieren fällt der Nullpunkt heraus.
Zwischenergebnis
- 3
Die Längenänderung als Anteil der Ausgangslänge
Es gilt : Die Längenänderung wächst mit der Ausgangslänge, mit der Temperaturdifferenz und mit der Stoffeigenschaft .
- 4
a) und b) Beide Längenänderungen
Ausdehnungskoeffizient mal Ausgangslänge mal Temperaturdifferenz, für beide Metalle getrennt.
;
Zwischenergebnis
gegen , Unterschied
- 5
c) Ergebnis deuten: warum sich ein Bimetall krümmt
Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei fest verbundenen Metallen mit verschiedenem . Beim Erwärmen möchte die Aluminiumseite deutlich länger werden als die Stahlseite; weil sie sich nicht gegeneinander verschieben können, bleibt nur eine Krümmung, zur Seite mit dem kleineren Ausdehnungskoeffizienten, also zum Stahl hin.
Übung 3
schwera) Beschreibe die Anomalie des Wassers.
b) Erkläre damit, warum ein See von oben zufriert.
c) Warum platzen Wasserleitungen bei Frost?
d) Ein Schüler sagt: „Eis ist kälter als Wasser, deshalb schwimmt es oben." Nimm Stellung.
Tipp anzeigen
d) Prüfe, ob Temperatur überhaupt darüber entscheidet, ob etwas schwimmt.
Lösung anzeigen
a) Zwischen und zieht sich Wasser beim Erwärmen zusammen, statt sich auszudehnen. Erst oberhalb von verhält es sich wie andere Stoffe. Bei hat Wasser deshalb sein kleinstes Volumen und seine größte .
Zusätzlich hat Eis mit eine deutlich kleinere Dichte als flüssiges Wasser.
b) Kühlt ein See im Herbst ab, sinkt das jeweils dichteste Wasser nach unten. Das ist Wasser von , und es sammelt sich am Grund.
Kühlt die Oberfläche weiter unter ab, wird dieses Wasser leichter und bleibt oben liegen; es sinkt nicht mehr. Bei bildet sich dort Eis, das ebenfalls oben schwimmt.
Die Eisschicht wirkt danach als Wärmedämmung: Sie behindert die weitere Abgabe von an die kalte Luft. Deshalb frieren tiefe Seen nie bis zum Grund durch, und am Grund bleiben rund erhalten. Fische und andere Wasserlebewesen überleben dort den Winter.
Wäre Eis dichter als Wasser, würde es absinken, neues Oberflächenwasser gefrieren und der See von unten her komplett durchfrieren. In kalten Regionen wäre Leben im Wasser dann unmöglich.
c) Beim Gefrieren ordnen sich die Wassermoleküle in ein regelmäßiges Gitter mit größeren Abständen als im flüssigen Zustand. Dasselbe Wasser braucht als Eis etwa mehr Platz.
In einem geschlossenen Rohr kann es nicht ausweichen. Es entstehen enorme Drücke von mehreren hundert Bar, die selbst Stahl- und Kupferrohre aufreißen. Bemerkt wird der Schaden meist erst beim Auftauen, wenn das Wasser aus dem Riss austritt.
Derselbe Vorgang sprengt in der Natur Felsen (Frostverwitterung) und ist einer der wirksamsten Verwitterungsprozesse überhaupt.
d) Die Begründung ist falsch, auch wenn die Beobachtung stimmt. Ob ein Körper schwimmt, entscheidet allein der Vergleich der Dichten (Kapitel Auftrieb), nicht die Temperatur.
Der Gegenbeweis ist einfach: Kaltes Wasser von ist kälter als warmes von und schwimmt trotzdem nicht obenauf wie ein Feststoff, sondern mischt sich. Und heißes Wachs schwimmt auf Wasser, obwohl es wärmer ist.
Richtig: Eis schwimmt, weil seine Dichte () kleiner ist als die von Wasser (). Dass Eis dabei auch kälter ist, ist eine Begleiterscheinung und keine Ursache.
Diese Unterscheidung ist ein gutes Beispiel für Didaktikkonzept-Denken: Zwei Dinge treten gemeinsam auf, aber nur eines davon ist der Grund.
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Was die Anomalie genau besagt
Zwischen und zieht sich Wasser beim Erwärmen zusammen, statt sich auszudehnen. Erst oberhalb von verhält es sich wie andere Stoffe. Bei hat Wasser deshalb sein kleinstes Volumen und seine größte Dichte.
- 2
b) Warum ein See von oben zufriert
Kühlt ein See im Herbst ab, sinkt das jeweils dichteste Wasser nach unten. Das ist Wasser von , und es sammelt sich am Grund. Kühlt die Oberfläche weiter ab, wird dieses Wasser leichter und bleibt oben liegen; bei bildet sich dort Eis, das ebenfalls oben schwimmt.
- 3
c) Warum Wasserleitungen bei Frost platzen
Beim Gefrieren ordnen sich die Wassermoleküle in ein regelmäßiges Gitter mit größeren Abständen als im flüssigen Zustand. Dasselbe Wasser braucht als Eis etwa mehr Platz, und in einem geschlossenen Rohr kann es nicht ausweichen.
- 4
d) Ergebnis deuten: richtige Beobachtung, falsche Begründung
Die Begründung ist falsch, auch wenn die Beobachtung stimmt. Ob ein Körper schwimmt, entscheidet allein der Vergleich der Dichten, nicht die Temperatur. Eis schwimmt, weil seine Dichte () kleiner ist als die von Wasser ().
Zusammenfassung
Alle Teilchen eines Stoffes sind ständig in Bewegung, und die Temperatur misst deren mittlere kinetische . Deshalb hängt sie nicht von der Stoffmenge ab: Ein Tropfen und ein Topf kochendes Wasser haben dieselbe Temperatur, aber sehr verschiedene Energieinhalte. Die Celsius-Skala hat einen willkürlichen Nullpunkt, die Kelvin-Skala den absoluten Nullpunkt, an dem die Teilchenbewegung zum Erliegen käme und unter den es deshalb nicht gehen kann. Weil schnellere Teilchen mehr Platz brauchen, dehnen sich Körper beim Erwärmen aus, bei festen Körpern nach , und die Technik muss diese Bewegung mit Dehnungsfugen zulassen. Wasser bildet die große Ausnahme: Es hat bei seine größte , weshalb Eis schwimmt und Seen von oben zufrieren.


