Wann bleibt die temperatur in der physik gleich

Temperatur und Wärme

Physik

Basiswissen

Zwei Liter kochendes Wasser haben dieselbe Temperatur wie ein Liter kochendes Wasser. Mit zwei Litern könnte man aber sehr viel mehr Schnee schmelzen als mit einem Liter. Was die zwei Liter mehr haben ist Wärmeenergie.

Was wird hier erklärt?

◦ Hier geht es darum, was Temperatur und Wärme meinen.
◦ Es werden auch die Formelzeichen und Einheiten erwähnt.

Woran merkt man, dass es einen Unterschied gibt?

◦ Ein Liter kochendes Wasser hat eine Temperatur und eine Wärme.
◦ Zwei Liter kochendes Wasser hat diesselbe Temperatur aber mehr Wärme.
◦ Statt Wärme könnte man in der Physik besser von Wärmemenge sprechen.

Was meint Wärme?

◦ Angenommen, ein Koch will Schokolade in einem Wasserbad schmelzen.
◦ Dazu legt er Schokolade in einen Metalltopf.
◦ Den Metalltopf lässt er in heißem Wasser schwimmen.
◦ Nach einiger Zeit wird die Schokolade schmelzen.
◦ Es ist klar, dass man mit zwei Litern heißem Wasser ...
◦ viel mehr Schokolade schmelzen kann als mit einem Liter Wasser.
◦ Das was die zwei Liter mehr haben als einer ist die Wärmemenge.
◦ Zwei Liter kochendes Wasser haben aber nicht mehr Temperatur.
◦ Zwei Liter kochendes Wasser haben dieselbe Temperatur...
◦ wie ein Liter kochendes Wasser (extrinsische Größe).
◦ Wärme ist eine Menge, die etwas bewirken kann.

Was meint Temperatur?

◦ Die Temperatur sagt mir, in welche Richtung Wärme fließt.
◦ Bringt man zwei Körper, Flüssigkeiten oder Gase zusammen, ...
◦ dann fließt die Wärme immer von hoher Richtung niedriger Temperatur.
◦ Je größer der Temperaturunterschied zwischen den zwei Dingen ist, ...
◦ desto schneller fließt die Wärme (wenn ansonsten alles gleich bleibt).
◦ Temperatur sagt also, wie stark und in welche Richtung Wärme fließen würde.

Was ist Temperatur im Teilchenmodell?

◦ Die Temperatur kann man sich gut im Teilchenmodell vorstellen.
◦ Holz, Wasser, Luft, Metall besteht aus kleinsten Teilchen.
◦ Diese Teilchen sind nie ganz in Ruhe, sie sind immer in Bewegung:
◦ Bei festen Körpern zittern und schwingen sie an ihren festen Stellen.
◦ Bei Flüssigkeiten schwimmen sie untereinander umher.
◦ Bei Gasen fliegen sie frei durch die Gegend.
◦ Je mehr Temperatur ein Körper hat,
◦ desto stärker ist die Bewegung.

Was ist Wärme im Teilchenmodell?

◦ Die Wärme stellt man sich genauso über Teilchen in Bewegung vor.
◦ Die Wärme sagt aber nicht nur, wie stark sich die Teilchen bewegen.
◦ Die Wärme sagt auch noch, wie viele Teilchen dazu gehören.
◦ Darüber kommt der Mengengedanke ins Spiel:
◦ In der Wärme steckt, wie viele Teilchen bei welcher Temperatur.

Wie fließt Wärme im Teilchenmodell?

◦ Das soll an einem Beispiel erklärt werden.
◦ Stellen wir uns zwei etwa apfelgroße Metallwürfel vor.
◦ Der eine Würfel habe eine Temperatur von 0 Grad Celsius.
◦ Der andere Würfel habe eine Temperatur von 80 Grad Celsius.
◦ Wir legen jetzt den heißen Würfel oben auf den kalten Würfel drauf.
◦ An der Berührungsfläche berühren sich die Teilchen der zwei Würfel.
◦ Beim heißen Würfel zittern oder schwingen die Teilchen sehr stark.
◦ Beim kalten Würfel zittern oder schwingen die Teilchen weniger.
◦ Ab und zu stoßen ein "heißes" und ein "kaltes" Teilchen zusammen.
◦ Physikalisch ist das ein "Stoß". Man kann Formeln für den Stoß benutzen.
◦ Am Ende wird immer herauskommen, dass die schnellen Teilchen etwas ...
◦ "Geschwindigkeit" an die langsamen Teilchen abgeben.
◦ Das heißt auch, dass sich die Temperaturen mit der Zeit ausgleichen.
◦ Es fließt also Wärme vom heißen hin zum kalten.

Was ist das "thermische Gleichgewicht"?

◦ Wenn zwei Körper in Kontakt sind und beide die gleiche Temperatur haben, ...
◦ dann fließt im Schnitt bei den Stößen genauso viel Wärme vom einen ...
◦ zum anderen wie umgekehrt. Es gibt keinen netto-Wärmefluß mehr.
◦ Das nennt man thermisches Gleichgewicht.

Kann Wärme auch anders fließen?

◦ Ja, Wärme kann auch noch über Strahlung fließen.
◦ Die Sonnenstrahlen lassen Wärme von der Sonne zu uns "fließen".
◦ Strahlung verhält sich zwar teilchenartig, besteht aber nicht aus Teilchen.

Bisher verstanden?

◦ Wenn dir jetzt der Unterschied zwischen Temperatur und Wärme ...
◦ etwas anschaulicher und klarer ist, dann betrachte dir die Formalismen.

Formelzeichen für Temperatur

◦ Gibt man die Temperatur in Kelvin an, ein großes => T
◦ Gibt man die Temperatur in Celsius an, ein kleines => t
◦ Gibt man die Temperatur in Celsius an, ein kleines => theta

Formelzeichen für die Wärme

◦ Ist üblicherweise das große => Q
◦ Auch üblich ist das große E mit "Wärme" klein unten rechts

Einheiten für die Temperatur

◦ In der Physik üblich => Kelvin
◦ Im Alltag üblich => Grad Celsius

Einheiten für die Wärme

◦ Die Wärme ist ein Sonderfall der Energie.
◦ Die Einheit der Wärme ist also auch die Einheit der Energie.
◦ Die in der Physik übliche Einheit für die Wärme ist das => Joule

Die spezifische Wärmekapazität

◦ Jeder Stoff hat seine eigene => spezifische Wärmekapazität.
◦ Sie sagt, wie viel Wärme ein Kilogramm braucht,
◦ um ein Grad mehr Temperatur zu kriegen.

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Wann findet ein Wärmeaustausch statt?

Wann immer Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen in physischem Kontakt sind oder sich im Bereich von Strahlungseinflüssen befinden, findet ein Wärmeaustausch statt. Wärmedämmung ist die Verringerung dieses Wärmeaustauschs.

Warum bleibt die Temperatur beim Schmelzen immer gleich?

Ist die Schmelztemperatur erreicht, so bleibt die Temperatur konstant, obwohl weiterhin pro Zeiteinheit ein fester Energiebetrag zugeführt wird. Die Bindungen zwischen den Teilchen werden "gelockert", der potentielle Anteil der inneren Energie nimmt zu.

Warum ändert sich die Temperatur während der Aggregatzustandsänderung nicht?

Erstarrungstemperaturen sind druckabhängig. Deshalb bleibt die Temperatur bei Aggregatzustandsänderung auch nur dann konstant, wenn gleichzeitig der Druck konstant bleit. Würde man zum Beispiel Wasser in einem Schnellkochtopf zum Kochen bringen, dann bleibe die Temperatur beim Sieden nicht mehr konstant.

Warum kann die Temperatur nicht unendlich kalt werden?

Per Definition kann nichts kälter werden als der absolute Nullpunkt der Kelvin-Skala. Erreicht man diese Temperatur, haben die Atome jegliche Wärmeenergie verloren. Tiefer kann man nichts abkühlen. Trotzdem gibt es Systeme, die Werte unter null Kelvin erreichen: negative absolute Temperaturen.