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Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

Temperatur

Temperatur

Definition der Temperatur: Die Temperatur ist die thermodynamische Größe, die die thermische Energie eines Körpers in Beziehung zu einem anderen zeigt.

Obwohl die Definition der Temperatur einfach und knapp ist, können Sie die Temperatur auf eine umfassendere Weise erklären:

Wie ist die Temperatur?

Die Temperatur ist eine physikalische Größe der Materie, die die gängigen Begriffe Wärme und Kälte quantifiziert. Die Objekte mit niedriger Temperatur nehmen sie kalt wahr, während Objekte mit höheren Temperaturen für warm oder heiß gehalten werden. Dieses physiologische Gefühl von Kälte und Wärme wird erzeugt, wenn Wärmeenergie zwischen dem menschlichen Körper und anderen Körpern oder einfach der Umgebung, die ihn umgibt, ausgetauscht wird.

Aus physikalischer Sicht kann die Temperatur einer Substanz nach der molekularen Theorie als Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der sie bildenden Moleküle definiert werden. Andererseits kann die Temperatur gemäß der statistischen Mechanik als Ableitung der Energie in Bezug auf die Entropie bei konstantem Volumen definiert werden.

Temperatur ist in diesem Sinne eine Größe, die einen makroskopischen Zustand beschreibt und ausschließlich statistischen Charakter hat. Daher macht es keinen Sinn, von der Temperatur eines isolierten Materialteilchens zu sprechen, sondern von einer Menge, in der das Gesetz der großen Anzahl anwendbar ist.

Thermometer sind das Werkzeug zur quantitativen Messung der Temperatur, die in Bezug auf verschiedene Temperaturskalen (Celsius-Skala, Kelvin-Skala oder Fahrenheit-Skala) kalibriert werden kann.

Waage zur Messung der Temperatur

Da die Entropie als Größe, die den Grad der Unordnung eines thermodynamischen Systems ausdrückt, keine Dimensionen aufweist, zeigt die Definition der statistischen Mechanik, dass die Temperatur in denselben Einheiten wie die Energie gemessen werden kann. Traditionell wurden jedoch Temperaturskalen parallel zu den Energieeinheiten erstellt. Der Faktor, der den Übergang von einem Einheitensystem zu einer Temperatur ermöglicht, wird als Boltzmann-Konstante bezeichnet.

Die drei häufigsten Skalen zum Messen der Temperatur sind:

Fast jeder verwendet die Celsius-Skala (° C) zur Messung der meisten Temperaturen. Die Temperaturschwankung zwischen einem Grad und dem nächsten Grad in einer Celsius-Skala ist die gleiche wie in einer Kelvin-Skala. Der Unterschied zwischen der Celsius- und der Kelvin-Skala liegt in der Fixierung des Nullpunkts: Bei der Celsius-Skala entsprechen die 0ºC dem Gefrierpunkt von Wasser. Diese in der Kelvin-Skala ausgedrückte Temperatur entspricht 273,15 Kelvin (273,15 K). Der Nullpunkt der Kelvin-Skala, der 0-Kelvin-Wert, entspricht der Mindesttemperatur, bei der ein Körper theoretisch erreichen könnte. Kälter als der 0 Kelvin ist unmöglich.

Die Intervalle der Kelvin-Skala werden in Kelvin gemessen, zuvor wurden sie als Kelvin-Grad bezeichnet.

Es gibt jedoch einige Länder, insbesondere die Vereinigten Staaten, in denen die Fahrenheit-Skala immer noch im täglichen Leben verwendet wird. Es ist eine historische Temperaturskala, bei der der Gefrierpunkt von Wasser bei 32 ° F und die Siedetemperatur von Wasser bei 212 ° F liegen.

Temperaturmessung im internationalen Messsystem

Die Maßeinheit für die Temperatur im Internationalen Einheitensystem (SI) ist der Kelvin. Der Kelvin ist daher die von Wissenschaftlern verwendete Einheit. Es wird häufig als Kelvin-Grad bezeichnet.

Für praktische Zwecke der Temperaturmessung innerhalb der Wissenschaft definiert das Internationale Einheitensystem (SI) eine Skala und eine Einheit für die thermodynamische Temperatur, die auf dem Tripelpunkt von Wasser basiert. Der Tripelpunkt ist derjenige, bei dem der feste Zustand, der flüssige Zustand und der gasförmige Zustand einer Substanz im Gleichgewicht nebeneinander liegen. Sie wird mit einer Temperatur und einem Dampfdruck definiert. Der Tripelpunkt von Wasser ist ein zweiter, leicht reproduzierbarer Bezugspunkt.

Aus historischen Gründen wurde der Tripelpunkt von Wasser auf 273,16 Einheiten des Messbereichs festgelegt. Dieses Intervall wird als Kelvin (in Kleinbuchstaben) bezeichnet, das durch das Symbol K (großgeschrieben) zu Ehren des schottischen Physikers William Thomson (Lord Kelvin) dargestellt wird, der die Skala zum ersten Mal definierte. Es wurde zuvor als Kelvin-Grad bezeichnet.

Temperatur und Thermodynamik

Temperatur und ThermodynamikEine der Haupteigenschaften, die auf dem Gebiet der Thermodynamik untersucht werden, ist die Temperatur. In der Thermodynamik sind Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Materiebereichen besonders wichtig. Diese Unterschiede sind diejenigen, die die Bewegung von Wärme von einer Region zur anderen ermöglichen. Die Wärme ist die Übertragung von Wärmeenergie.

Spontan fließt die Wärme nur aus den Bereichen höherer Temperatur in den Bereichen niedrigerer Temperatur. Wie es im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in der Clausius-Aussage steht. Wenn also keine Wärme zwischen zwei Objekten übertragen wird, liegt dies daran, dass beide Objekte die gleiche Temperatur haben.

Gemäß dem Ansatz der klassischen Thermodynamik variiert die Temperatur eines Objekts proportional zur Geschwindigkeit der darin enthaltenen Partikel. Sie hängt nicht von der Anzahl der Teilchen (der Masse) ab, sondern von ihrer Durchschnittsgeschwindigkeit: Je höher die Temperatur, desto höher ist die Durchschnittsgeschwindigkeit. Daher hängt die Temperatur direkt von der durchschnittlichen kinetischen Energie der Partikel ab, die sich im Verhältnis zum Massenmittelpunkt des Objekts bewegen.

Die Temperatur ist eine intensive Variable, da sie unabhängig von der Menge der im Inneren eines Objekts enthaltenen Partikel ist, sei es Atomen, Molekülen oder Elektronen. Diese Eigenschaft hängt nicht von der Stoffmenge oder der Materialart ab.

Temperatur und Wärmeenergie

Die Moleküle aller materiellen Substanzen (Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase) befinden sich aufgrund ihrer vielfältigen Wechselwirkungen im Körper ständig in einem Zustand der Vibration oder Bewegung. Aufgrund dieser zufälligen Bewegung besitzen die Atome und Moleküle der Materie eine gewisse innere Energie, da sie kinetische Energie in Form von Bewegung und auch potentielle Energie aufgrund der zwischen den Teilchen ausgeübten Kräfte besitzen.

Innere Energie wird auch als thermische Energie von Körpern bezeichnet. 

Andererseits ist die Temperatur die Größe, mit der der Durchschnittswert der thermischen Energie eines Körpers erfasst werden kann.

Temperaturmessung

Um die Temperatur eines Systems zu bestimmen, muss es sich im thermodynamischen Gleichgewicht befinden. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Temperatur nur dann mit der Position variiert, wenn für jeden Punkt ein kleiner Bereich um ihn herum vorhanden ist, der als thermodynamisches System im Gleichgewicht behandelt werden kann. In der statistischen Thermodynamik spricht man von Freiheitsgraden anstelle von Partikeln.

Im Bereich der Thermodynamik wird gesagt, dass sich ein System im Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts befindet, wenn es nicht in der Lage ist, spontan eine Zustandsänderung oder einen thermodynamischen Prozess zu erfahren, wenn es bestimmten Randbedingungen ausgesetzt ist.

Wärmebilanz

In einem grundlegenderen Ansatz wird die empirische Definition der Temperatur von den Bedingungen des thermischen Gleichgewichts abgeleitet, die im Null-Prinzip der Thermodynamik ausgedrückt werden.

Wenn sich zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht befinden, haben sie die gleiche Temperatur. Die Erweiterung dieses Prinzips als Äquivalenzbeziehung zwischen mehreren Systemen rechtfertigt grundsätzlich die Verwendung des Thermometers und legt die Prinzipien seines Aufbaus für seine Messung fest. Obwohl der Nullsatz der Thermodynamik die empirische Definition vieler Temperaturskalen ermöglichen würde, wählt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik eine einzige Definition als die bevorzugte: die absolute Temperatur, die als thermodynamische Temperatur bezeichnet wird.

Diese Funktion entspricht der Änderung der inneren Energie in Bezug auf Änderungen der Entropie eines Systems. Sein natürlicher, innerer oder Nullpunkt ist der absolute Nullpunkt, bei dem die Entropie eines Systems minimal ist. Obwohl dies die absolute Minimaltemperatur ist, die das Modell beschreibt, legt der dritte Hauptsatz der Thermodynamik nahe, dass der absolute Nullpunkt von keinem physikalischen System erreicht werden kann.

Wie wird die Temperatur gemessen?

Derzeit gibt es mehrere Möglichkeiten, die Temperatur zu messen. Normalerweise hängen die verschiedenen Systeme von der Anwendung ab oder davon, ob sehr hohe oder sehr tiefe Temperaturen gemessen werden müssen. Das bekannteste und verwendete Werkzeug ist jedoch das Thermometer.

Schwankungen des thermischen Zustands eines Körpers verursachen Änderungen in einigen makroskopischen Eigenschaften (Dehnung, Entwicklung des elektrischen Widerstands, Erzeugung von elektromotorischen Kräften, Druck- oder Volumenänderungen in einem Gas usw.). Folglich erlauben die Schwankungen dieser Eigenschaften die Verwendung für den Bau von Instrumenten, die Temperaturschwankungen erfassen.

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Geändert am: 9. November 2016