Absolute Temperatur

Absolute Temperatur Übung

• Beschreibe, was in einem Gas bei Erwärmung passiert.

  Tipps

  Welcher Aggregatszustand ist in der Abbildung dargestellt?

  Wie kann das Verhalten der Stoffteilchen bei unterschiedlichen Temperaturen verdeutlicht werden?

  Welche Folge hat eine Erwärmung demnach für die Teilchen selbst und den Stoff insgesamt?

  Lösung

  Die gezeigten Teilchen befinden sich im gasförmigen Aggregatzustand. Das erkennt man daran, dass sie sich frei bewegen können und dabei den ganzen zur Verfügung stehenden Raum ausnutzen.

  Die Abbildung zeigt das Resultat einer Erwärmung des Gases: Die Geschwindigkeiten der Teilchen sind größer geworden. Das erkennt man an den längeren Pfeilen. Können sich die Teilchen frei ausbreiten, so vergrößert das Gas sein Volumen.

  In der Abbildung bleiben die schnelleren Teilchen jedoch auf den gleichen Raum beschränkt, dadurch wächst der Druck im Gas an.

• Definiere den absoluten Nullpunkt.

  Tipps

  Mit Hilfe des absoluten Nullpunktes wurde eine neue Temperaturskala eingeführt.

  Auf dieser Skala gibt es keine negativen Werte, auf der Celsius-Skala hingegen schon.

  Lösung

  Der absolute Nullpunkt ist die Temperatur, bei der sich die Teilchen in den Stoffen nicht mehr bewegen würden. Er kann nie erreicht werden, jedoch wird beständig versucht, experimentell so nah wie möglich an den absoluten Nullpunkt heranzukommen.

  Der absolute Nullpunkt liegt bei rund -273° Celsius. Selbst in den leeren Teilen des Weltraumes liegt die Temperatur aber einige Grad darüber! Der absolute Nullpunkt wurde in der Physik außerdem verwendet, um eine neue Temperaturskala einzuführen. Auf der Kelvin-Skala liegt der Wert von 0 Kelvin beim absoluten Nullpunkt.

  Wichtiger Hinweis zu den Einheiten. Es heißt Grad-Celsius [C°] und Kelvin [K]!

• Analysiere die Kelvin-Skala.

  Tipps

  Wo liegt der Nullpunkt der Kelvin-Skala? Wie viel Grad Celsius entspricht dieser?

  Der absolute Nullpunkt ist 0 Kelvin. Er liegt bei rund -273°C.

  Addiere zu den gegebenen Werten 273, um die Temperaturwerte in Kelvin umzurechnen.

  Beachte dabei insbesondere die Vorzeichen bei negativen Celsiuswerten.

  Lösung

  Auf der Kelvin-Skala sind alle Werte der Celsius-Skala um rund 273 verschoben. Das heißt, Temperaturangaben in Kelvin sind immer um diesen Wert höher als in Grad Celsius. Um Grad Celsius in Kelvin umzurechnen, muss also jeweils 273 zum Celsius-Wert addiert werden.

  In der Physik werden Temperaturdifferenzen häufig in Kelvin angegeben, bestimmte Bereiche wie die Astronomie verwenden fast ausschließlich die Kelvin-Skala. Da aber beide Skalen dieselbe Einteilung haben, ist zumindest eine Temperaturänderung in Kelvin immer genauso groß wie in Grad Celsius.

  Es gibt noch andere Temperaturskalen. Zum Beispiel die Fahrenheitskala, die als einen Fixpunkt die menschliche Körpertemperatur gewählt hat. Schau dir diese anderen Temperaturskalen doch auch mal an, wenn du magst. Das ist sehr spannend und erleichtert auch den Umgang mit den verschiedenen Temperaturangaben.

• Sage voraus, was bei dem Versuch passieren wird.

  Tipps

  Durch die Bestrahlung wird die Luft im Ballon erwärmt.

  Der Ballon hat eine flexible Hülle, er folgt den Volumenänderungen des Gases in seinem Innern.

  Lösung

  Die Animation zeigt, was mit dem Ballon passiert. Die Temperatur steigt durch die Zunahme der Strahlung. Der Ballon wird größer und platzt dann sogar.

  Bei Erwärmung dehnt sich der Ballon aus, da das Volumen der Luft in seinem Innern ständig zunimmt. Das liegt daran, dass sich die Luftteilchen immer schneller bewegen und dafür mehr Platz benötigen. Irgendwann hält die Ballonhaut dem Druck durch die Luftteilchen nicht mehr stand und zerreißt.

• Gib den Wert für den absoluten Nullpunkt möglichst genau an.

  Tipps

  Gesucht ist hier der genaue Wert, nicht der gerundete von -273°C, den wir für die Rechnungen verwendet haben.

  Lösung

  Die absolute Temperatur beziehungsweise der absolute Nullpunkt liegt bei -273,16°C.

  Ein wirklich beeindruckender Wert und eine wichtige Größe in unserem Universum!

• Beurteile die Aussagen zur absoluten Temperatur.

  Tipps

  Bei Temperaturen unterhalb des absoluten Nullpunktes hätten die Teilchen in einem Stoff negative Geschwindigkeiten.

  Beachten die Reihe der Aggregatszustände.

  Was sagt die Quantenmechanik über das Erreichen des absoluten Nullpunktes aus?

  Eine Skala muss in Abschnitte einteilbar sein.

  Lösung

  Beschäftigt man sich tiefer mit der absoluten Temperatur und dem absoluten Nullpunkt, stößt man bereits in ein neueres Forschungsgebiet der Physik vor: die Quantenphysik.

  Man stellt sich den absoluten Nullpunkt so vor, dass die Teilchen in einem Stoff sich nicht mehr bewegen. Gase würde es in diesem Zustand nicht mehr geben, da alle Stoffe bereits den festen Aggregatzustand erreicht hätten.

  Stoffe können nicht kälter als 0 Kelvin sein. Ihre Teilchen hätten dann negative Geschwindigkeiten, da sie bereits am absoluten Nullpunkt zum Stillstand gekommen wären.

  Obwohl man sich den absoluten Nullpunkt demnach vorstellen kann, ist er weder theoretisch noch experimentell erreichbar. Wollte man ihn experimentell erreichen, bräuchte man zum Kühlen einen Stoff unterhalb des absoluten Nullpunktes. Aber auch die Quantenmechanik verbietet es theoretisch, dass dieser Zustand erreicht werden kann. Das liegt daran, dass nie alle Teilchen gleichzeitig im Zustand absoluter Ruhe verharren würden.

  Die Kelvin-Skala besitzt neben dem absoluten Nullpunkt noch einen weiteren Fixpunkt. Sonst könnte sie nicht in fest definierte Abschnitte unterteilt werden. Dies ist der Tripelpunkt des Wassers, der bei 0,01°C liegt.