Temperaturmessung und Temperaturskalen einfach erklärt

Stell dir vor, du springst im Sommer in einen See. Du rufst: "Das Wasser ist total kalt!" Aber dein Freund springt hinterher und sagt: "Spinnst du? Das ist super warm!"

Wer von euch hat nun recht? Die Antwort ist: Beide! Menschen fühlen Temperaturen sehr unterschiedlich. Um aber in der Wissenschaft oder beim Wetterbericht genau zu wissen, wie warm oder kalt es wirklich ist, können wir uns nicht auf unser Gefühl verlassen. Wir brauchen ein Gerät, das uns immer die exakte Wahrheit sagt. In dieser Lektion lernst du alles über die Temperaturmessung und Temperaturskalen, wie wir Temperaturen unbestechlich messen und welche genialen Skalen sich Forscher dafür ausgedacht haben!

Vorwissen

• Der Zahlenstrahl und negative Zahlen: Zahlen können kleiner als null sein. Je weiter eine Zahl im Minus-Bereich liegt, desto kleiner ist sie.

  Beispiel: $-10$ ist kleiner (und bei Temperaturen kälter) als $-2$.

• Ausdehnung (Alltagswissen): Dinge brauchen manchmal mehr Platz, wenn sie warm werden.

  Beispiel: Ein Luftballon, der in der prallen Sonne liegt, wird praller und größer.

Aufgabentyp 1: Objektive Temperaturmessung

Unser Körper ist ein schlechtes Messgerät. Wie wir heiß und kalt empfinden, nennt man subjektiv. Das bedeutet: Es hängt von der Person ab und davon, was sie vorher gemacht hat.

Um die Temperatur objektiv zu messen – also so, dass das Ergebnis für alle Menschen auf der Welt gleich und genau ist – benutzen wir Thermometer.

Aber wie funktioniert ein Thermometer? Viele Thermometer (wie Flüssigkeitsthermometer oder Bimetallthermometer) nutzen einen einfachen Trick der Natur: Stoffe dehnen sich aus, wenn sie erwärmt werden.

In einem normalen Thermometer ist eine farbige Flüssigkeit. Wird es wärmer, braucht die Flüssigkeit mehr Platz. Sie dehnt sich aus und steigt im Röhrchen nach oben. Wird es kälter, zieht sie sich zusammen und sinkt. So können wir an einer Skala genau ablesen, wie warm es ist.

Aufgabentyp 2: Die Celsius-Skala verstehen

Damit wir die Höhe der Flüssigkeit im Thermometer in Zahlen ausdrücken können, brauchen wir eine Skala. Die bekannteste ist die Celsius-Skala, benannt nach dem Forscher Anders Celsius.

Er suchte sich zwei Dinge aus der Natur, die immer bei der exakt gleichen Temperatur passieren. Diese nennt man Fixpunkte:

1. Schmelzendes Eis: Die Temperatur, bei der Wasser gefriert oder Eis schmilzt, legte er als $\textcolor{#08BFFF}{0 \text{ °C}}$ fest.
2. Siedendes Wasser: Die Temperatur, bei der Wasser kocht und zu Dampf wird, legte er als $\textcolor{#FF7D57}{100 \text{ °C}}$ fest.

Den Abstand zwischen diesen beiden Fixpunkten hat er einfach in 100 gleich große Teile zerschnitten. Jeder dieser Schritte ist genau ein Grad Celsius ($1 \text{ °C}$).

Aufgabentyp 3: Die Kelvin-Skala und der absolute Nullpunkt

Du weißt, dass es im Winter sehr kalt werden kann, vielleicht sogar $-10 \text{ °C}$. Aber gibt es eigentlich eine Grenze? Kann etwas unendlich kalt werden?

Die Antwort der Physik ist: Nein! Es gibt eine absolute Untergrenze für die Temperatur. Nichts im gesamten Universum kann kälter werden als $\textcolor{#08BFFF}{-273,16 \text{ °C}}$. Diese magische Grenze nennt man den absoluten Nullpunkt der Temperatur.

Weil diese Zahl so wichtig ist, hat der Forscher Lord Kelvin eine eigene Skala erfunden: die Kelvin-Skala.

• Er sagte: „Wir fangen einfach ganz unten an!“ Der absolute Nullpunkt ist bei ihm genau $\textcolor{#08BFFF}{0 \text{ K}}$ (Null Kelvin).
• Da die Kelvin-Skala die gleichen Schrittgrößen hat wie die Celsius-Skala, verschieben sich nur die Zahlen.

Wenn wir also Wasser beim Gefrierpunkt betrachten ($0 \text{ °C}$), sind wir auf der Kelvin-Skala schon $273,16$ Schritte nach oben gegangen. Das bedeutet: Der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei genau $273,16 \text{ K}$.

Wichtige Erkenntnisse

• Subjektiv vs. Objektiv: Unser Gefühl für warm und kalt ist subjektiv. Thermometer messen die Temperatur objektiv und genau.
• Ausdehnung: Viele Thermometer funktionieren, weil sich Flüssigkeiten oder Metalle ausdehnen, wenn sie wärmer werden.
• Celsius-Skala: Die Fixpunkte sind schmelzendes Eis ($0 \text{ °C}$) und siedendes Wasser ($100 \text{ °C}$). Dazwischen liegen 100 gleiche Teile.
• Absoluter Nullpunkt: Die kälteste mögliche Temperatur im Universum ist $\textcolor{#08BFFF}{-273,16 \text{ °C}}$.
• Kelvin-Skala: Sie beginnt beim absoluten Nullpunkt ($0 \text{ K}$). Wasser gefriert bei $273,16 \text{ K}$.