Grundlagen der Physik

Thermometer und Temperaturskalen

Artikel über Thermometer und Temperaturskalen

1. Thermometer

Das Gerät zur Temperaturmessung ist ein Thermometer. Es gibt viele verschiedene Arten von Thermometern, aber das Funktionsprinzip ist immer gleich. Üblicherweise verwendet man thermometrische Objekte, also Materialien, deren Eigenschaften sich mit der Temperatur verändern. Ändert sich die Temperatur eines Objekts, ändern sich auch seine Form und Größe. Die meisten Thermometer nutzen Objekte, die sich bei Temperaturänderungen ausdehnen oder zusammenziehen. Häufig verwendete Thermometer bestehen aus Glasröhrchen, in deren Mitte sich Alkohol oder Quecksilber befindet. Steigt die Temperatur, dehnt sich der Alkohol oder das Quecksilber aus, sodass die Quecksilbersäule länger wird. Umgekehrt verkürzt sich die Quecksilbersäule bei sinkender Temperatur. Auf der Außenseite des Glasröhrchens befindet sich eine Skala. Der Wert am oberen Ende der Quecksilbersäule gibt die Temperatur des zu messenden Objekts an.

Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Artikel über den nullten Hauptsatz der Thermodynamik

Bislang haben wir nur das thermische Gleichgewicht beobachtet, das zwei sich berührende Objekte erfahren.

Um das Konzept des thermischen Gleichgewichts besser zu verstehen, betrachten wir drei Objekte (Objekt A, Objekt B und Objekt C). Objekt B und Objekt C berühren sich beispielsweise nicht, Objekt A hingegen steht mit Objekt B und Objekt C in Kontakt. Siehe Abbildung unten. Da sich alle Objekte außer Objekt A und Objekt B im thermischen Gleichgewicht befinden, gilt dies auch für Objekt A und Objekt C. Befinden sich die Objekte B und C, die sich nicht berühren, ebenfalls im thermischen Gleichgewicht? Logisch betrachtet, ja, obwohl sie sich nicht berühren. Objekt A und Objekt B befinden sich im thermischen Gleichgewicht, das heißt, die Temperatur von Objekt A entspricht der Temperatur von Objekt B.

Definition von Temperatur und thermischem Gleichgewicht

Artikel über die Definition von Temperatur und thermischem Gleichgewicht

Definition der Temperatur

Hast du schon einmal Eis berührt? Was fühlst du, wenn deine Hände Eis berühren? Und was, wenn du Feuer berührst? Eis fühlt sich kalt an, Feuer heiß. Was bedeuten die Begriffe heiß, warm, kühl und kalt?

Das Temperaturkonzept basiert auf der Wärme und Kälte, die wir mit unserem Tastsinn wahrnehmen. Basierend auf unserer Tastwahrnehmung sagen wir, dass ein Objekt heißer oder kälter als ein anderes ist. Heiße Objekte haben höhere Temperaturen, kalte Objekte niedrigere. Je kälter ein Objekt ist, desto niedriger ist seine Temperatur. Umgekehrt gilt: Je heißer ein Objekt ist, desto höher ist seine Temperatur. Die Temperatur ist das Maß für die Wärme oder Kälte eines Objekts. Im Rahmen der kinetischen Gastheorie werden Sie die Definition von Temperatur genauer verstehen: Was geschieht mit den Molekülen eines Objekts, sodass es sich heiß, warm, kühl oder kalt anfühlt?

Aggregatzustände (basierend auf mikroskopischen Eigenschaften)

Artikel über Aggregatzustände (basierend auf mikroskopischen Eigenschaften)

Im Alltag begegnen wir häufig drei verschiedenen Aggregatzuständen: festen Stoffen (z. B. Steinen, Eisen usw.), Flüssigkeiten (Wasser, Benzin usw.) und Gasen (Luft usw.). Die drei Aggregatzustände lassen sich anhand ihrer Fähigkeit unterscheiden, Form und Größe beizubehalten.

Feststoffe behalten in der Regel ihre Form und ihr Volumen bei. Flüssigkeiten hingegen passen sich dem Behälter an, in dem sie sich befinden. Füllt man beispielsweise Wasser in ein Glas, verändert es seine Form. Füllt man Wasser in eine Badewanne, verändert es seine Form. Das Volumen einer Flüssigkeit bleibt im Normalfall konstant. Stellt man ein Glas Wasser in eine Badewanne, bleibt die Wassermenge im Glas. Die Form des Wassers kann sich ändern, aber die Größe bleibt gleich. Man sollte jedoch bedenken, dass sich die Anzahl der Feststoffe und Flüssigkeiten bei Einwirkung einer ausreichend starken Kraft verändern kann.

Atomtheorie und kinetische Theorie

Artikel über die Atomtheorie und die kinetische Theorie

Atomtheorie

Jahrtausendelang glaubten die alten Griechen, dass jeder reine Stoff (wie Gold, Eisen usw.) aus Atomen besteht. Ihrer Ansicht nach kann man einen reinen Stoff in kleine Teile zerlegen, diese wiederum weiter zerteilen usw., bis man schließlich die kleinsten, unteilbaren Teile erhält. Diese kleinsten, unteilbaren Teile nennt man Atome. Atom bedeutet im Griechischen „unteilbar“.

Damals ging man davon aus, dass das Atom unteilbar sei. Später entdeckten Wissenschaftler jedoch Elektronen und Atomkerne (Protonen und Neutronen), wodurch sich die Annahme, Atome seien unteilbar, als falsch erwies. Atome bestehen also aus Elektronen (negativ geladen) und Atomkernen. Die Elektronen umkreisen den Atomkern. Im Inneren des Atomkerns befinden sich Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral).

Phasenübergänge Kritische Temperatur Tripelpunkt

Artikel über Phasenübergänge, kritische Temperatur, Tripelpunkt

In der Diskussion des idealen Gasgesetzes wurde erklärt, dass dieses das Verhalten realer Gase nur dann genau beschreibt, wenn Druck und Dichte nicht zu hoch sind. Bei ausreichend hohem Druck und hoher Dichte liefert das ideale Gasgesetz ungenaue Ergebnisse, ebenso wenn sich die Temperatur dem Siedepunkt nähert. Dies hängt mit den Wechselwirkungen zwischen den Gasteilchen zusammen. Der Gasdruck ist umgekehrt proportional zum Gasvolumen. Bei hohem Druck verringert sich das Gasvolumen. Dadurch verringert sich der Abstand zwischen den Gasteilchen. Je geringer der Abstand, desto stärker ziehen sich die Moleküle an. Das ist vergleichbar mit einem Eisenstück, das von einem Magneten angezogen wird. Ist der Abstand groß genug, kann der Magnet das Eisen nicht anziehen. Ist der Abstand jedoch gering, wird das Eisen angezogen.

Van-der-Waals-Zustandsgleichung

Van der Waals ist der Name des niederländischen Physikers J. D. van der Waals (1837–1923). Die Van-der-Waals-Zustandsgleichung ist eine Zustandsgleichung für Gase, ähnlich der Zustandsgleichung eines idealen Gases. Der Unterschied besteht darin, dass die Zustandsgleichung eines idealen Gases keine genauen Ergebnisse liefert, wenn Druck und Dichte eines realen Gases ausreichend hoch sind. Die Van-der-Waals-Zustandsgleichung hingegen ermöglicht genauere Ergebnisse.

Die Existenz dieser Gleichung geht auf Van der Waals zurück, der die Grenzen der Zustandsgleichung eines idealen Gases erkannte. Waals modifizierte die Zustandsgleichung des idealen Gases, indem er mehrere Faktoren hinzufügte, die auch die realen Gasbedingungen beeinflussen, insbesondere bei hohem Druck und hoher Dichte.

Verdampfung

Der Verdunstungsprozess lässt sich mithilfe der kinetischen Gastheorie erklären. Wie Gasteilchen bewegen sich auch Wassermoleküle. Der Unterschied besteht darin, dass Wassermoleküle nicht verstreut werden können, da die Anziehungskräfte zwischen ihnen sie zusammenhalten. Im Gegensatz dazu sind die Anziehungskräfte zwischen Gasteilchen schwach, sodass diese nicht verschmelzen können. Wassermoleküle besitzen eine Geschwindigkeit. Es gibt Wassermoleküle mit hoher und solche mit niedriger Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeitsverteilung der Wassermoleküle ähnelt der Maxwell-Verteilung.

Verdunstung tritt ein, wenn die Geschwindigkeit der Wassermoleküle so groß ist, dass die Anziehungskräfte zwischen ihnen nicht mehr ausreichen, um sie zusammenzuhalten. Ähnlich wie bei Raketen, die ins Weltall fliegen, ist die Geschwindigkeit einer Rakete so hoch, dass die Erdanziehungskraft sie nicht mehr auf der Erde halten kann. Nur Moleküle mit hoher Geschwindigkeit können sich von den Anziehungskräften zwischen den Molekülen lösen. Moleküle mit geringer Geschwindigkeit bleiben wie Wassermoleküle zusammen.

Sieden

Sieden ist der Übergang von einer Flüssigkeit in ein Gas. Es tritt ein, wenn der Sättigungsdampfdruck dem Luftdruck entspricht (Luftdruck = Atmosphärendruck). Wir betrachten hier nur das Sieden von Wasser. Der Sättigungsdampfdruck von Wasser ist direkt proportional zur Wassertemperatur: Je höher die Wassertemperatur, desto höher der Sättigungsdampfdruck. Beim Erhitzen von Wasser bilden sich üblicherweise kleine Bläschen am Boden des Gefäßes. Das Vorhandensein von Bläschen zeigt den Übergang von einer Flüssigkeit in ein Gas an. Ist der Sättigungsdampfdruck in der Blase geringer als der äußere Luftdruck, schrumpft die Blase und zerfällt, bevor sie die Oberfläche erreicht. Die Blasen zerfallen, weil die Auftriebskraft der äußeren Luft größer ist als die Auftriebskraft des Dampfes in der Blase. Da der äußere Luftdruck höher ist als der Dampfdruck in der Blase, wirkt die äußere Luft mit größerer Kraft (P = F / A).

Luftfeuchtigkeit

Die Luftfeuchtigkeit gibt den Anteil an Wasserdampf in der Luft an. Bei Regen ist die Atmosphäre sehr feucht, da viel Wasserdampf in der Luft enthalten ist. Umgekehrt ist die Luft trocken, wenn der Wasserdampfgehalt sehr gering ist. Der Anteil an Wasserdampf in der Luft wird durch die relative Luftfeuchtigkeit ausgedrückt.

Die relative Luftfeuchtigkeit ist das Verhältnis des Wasserdampfpartialdrucks zum Sättigungsdampfdruck von Wasser bei einer bestimmten Temperatur (Wasserdampf ist Wasserdampf). Die relative Luftfeuchtigkeit wird in Prozent angegeben und mathematisch wie folgt formuliert: