Die Kelvinskala und der absolute Nullpunkt

Kelvinskala und absoluter Nullpunkt einfach erklärt

Bei einer Außentemperatur von $25$ Grad Celsius kannst du beruhigt mit einem T-Shirt nach draußen gehen. Wenn das Thermometer diese Temperatur anzeigt, kannst du dir gut vorstellen, wie es sich draußen anfühlt. Aber wie sieht es aus, wenn draußen $263{,}15$ Kelvin herrschen? Das klingt ziemlich heiß. Weißt du, ob du dann eine Jacke benötigst? Die Antwort lautet: Ja, auf jeden Fall. Warum das so ist, schauen wir uns im Folgenden an. Wir betrachten dazu die Kelvinskala etwas genauer.

Was ist die Kelvinskala?

Wir schauen uns zunächst das Grad Celsius an, das du schon kennst. Die Celsiusskala ist eine Temperaturskala. Die Temperatur wird hierbei in Grad Celsius, kurz $^\circ \pu{C}$, angegeben. Bei der Celsiusskala gibt es zwei Fixpunkte. Zum einen gibt es den Eispunkt. Das ist die Temperatur, bei der Wasser gefriert. Der Eispunkt liegt in der Celsiusskala per Definition bei $0\, ^\circ \pu{C}$. Der zweite Fixpunkt ist der Siedepunkt. Das ist die Temperatur, bei der Wasser siedet. Dieser liegt in der Celsiusskala per Definition bei $100\, ^\circ \pu{C}$. Die Temperaturdifferenz zwischen Eispunkt und Siedepunkt wurde also in $100$ Teile eingeteilt. Ein Teil entspricht dabei einer Temperaturdifferenz von genau einem Grad Celsius.

Die Kelvinskala ist, wie die Celsiusskala, eine Temperaturskala. Bei der Kelvinskala wird die Temperatur in Kelvin, kurz $\pu{K}$, angegeben – aber Achtung, sie wird nicht in Grad Kelvin, sondern nur in Kelvin angegeben.
Die Kelvinskala besitzt nur einen Fixpunkt. Das ist der absolute Nullpunkt. Dieser beschreibt die physikalisch tiefstmögliche Temperatur und hat in der Kelvinskala den Wert $0\,\pu{K}$.
Der Eispunkt hat in der Kelvinskala den Wert $273{,}15\,\pu{K}$. Der Siedepunkt von Wasser liegt bei $373{,}15\,\pu{K}$.
Wie du siehst, beträgt der Unterschied zwischen Eispunkt und Siedepunkt auch $100$ Einheiten. Daraus folgt, dass Temperaturunterschiede bei beiden Skalen den gleichen Wert haben.

Die folgende Tabelle zeigt dir einen Vergleich der beiden Skalen.

Als die Celsiusskala eingeführt wurde, war noch nicht bekannt, dass es einen absoluten Nullpunkt gibt. Er konnte also nicht berücksichtigt werden. Die Skala hilft uns im Alltag aber sehr. Zeigt das Thermometer Minusgrade, dann wissen wir, dass es glatt sein kann. Außerdem haben unsere Umgebungstemperaturen in der Skala relativ kleine Zahlenwerte. Die Kelvinskala hingegen wird in der Physik genutzt. Da es nur positive Werte gibt, lässt es sich besser mit ihr rechnen. Auch ist immer klar, wie weit ein Wert vom absoluten Nullpunkt entfernt ist. Kelvin ist zudem eine internationale $\pu{SI}$-Einheit. Das heißt, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der ganzen Welt arbeiten mit dieser Einheit.

Kelvinskala und absolute Temperatur

Da sich die Kelvinskala auf den physikalischen absoluten Nullpunkt bezieht, wird sie auch als absolute Temperatur bezeichnet. Eine Temperatur, die niedriger als der absolute Nullpunkt ist, ist aus physikalischer Sicht nicht möglich.

Wichtiges Merkmal der absoluten Temperatur ist gerade dieser Fixpunkt. Solange der absolute Nullpunkt als unterer Fixpunkt dient, sind auch andere Definitionen der absoluten Temperatur möglich. In den vereinigten Staaten wird beispielsweise auch die Rankine-Skala verwendet, bei der die Skaleneinteilung der Skaleneinteilung der Einheit Fahrenheit entspricht.

Kelvinskala umrechnen

Wie rechnen wir die Kelvinskala in Grad Celsius um? Und wie rechnen wir einen Wert in Grad Celsius in einen Wert in Kelvin um? Dafür betrachten wir noch einmal die Grafik weiter oben im Text. Dabei sehen wir, dass die beiden Skalen lediglich gegeneinander verschoben sind. Die Werte auf der Kelvinskala sind immer $273{,}15$ größer als auf der Celsiusskala. Das heißt, wir müssen beim Umrechnen von $^\circ\,\pu{C}$ in $\pu{K}$ Folgendes rechnen:

$\dfrac{T_K}{\pu{K}} = \dfrac{T_C}{^\circ\,\pu{C}} + 273{,}15 $

Hierbei ist $T_K$ die Temperatur in $\pu{K}$ und $T_C$ die Temperatur in $^\circ \pu{C}$.
Betrachten wir den umgekehrten Fall. Wir haben eine Temperatur in $\pu{K}$ gegeben und wollen sie in $^\circ \pu{C}$ umrechnen. Dafür müssen wir Folgendes rechnen:

$\dfrac{T_C}{^\circ\,\pu{C}}= \dfrac{T_K}{\pu{K}} - 273{,}15 $

Schauen wir uns ein Beispiel an. Im Gefrierfach herrscht eine Temperatur von $-18^\circ\,\pu{C}$. Wie viel sind das in $\pu{K}$?

$\dfrac{T_K}{\pu{K}}= \dfrac{-18\,^\circ \pu{C}}{^\circ\,\pu{C}} + 273{,}15 $

$\Leftrightarrow T_K= 255{,}15\,\pu{K}$

Es herrschen also $255,15\,\pu{K}$ im Gefrierfach.
Als nächstes Beispiel wollen wir den absoluten Nullpunkt in $^\circ \pu{C}$ umrechnen. Dafür rechnen wir:

$\dfrac{T_C}{\,^\circ \pu{C}} = \dfrac{0\,\pu{K}}{\pu{K}} - 273{,}15 $

$\Leftrightarrow T_C = -273{,}15\,^\circ \pu{C} $

Der absolute Nullpunkt liegt also bei $-273{,}15\,^\circ \pu{C}$.
Betrachten wir nun das Beispiel vom Beginn. Die Außentemperatur beträgt $263{,}15\,\pu{K}$. Benötigst du eine Jacke, wenn du rausgehen willst? Rechnen wir den Wert in $\,^\circ \pu{C}$ um.

$\dfrac{T_C}{\,^\circ \pu{C}}= \dfrac{263{,}15\,\pu{K}}{\pu{K}} - 273{,}15 $

$\Leftrightarrow T_C = -10\,^\circ \pu{C} $

Weißt du jetzt, warum du bei $263{,}15$ Kelvin eine Jacke anziehen solltest?

Zusammenfassung – die Kelvinskala und der absolute Nullpunkt

Wir haben die Kelvinskala kennengelernt. Wir haben geklärt, was der Fixpunkt der Kelvinskala ist wie die Kelvinskala verwendet wird. Zudem sind wir auf die Unterschiede von Celsius- und Kelvinskala eingegangen sowie auf die Umrechnung von einer zur anderen Einheit.
Außerdem haben wir die absolute Temperatur einfach erklärt. Um dein Wissen gleich anwenden zu können, findest du zusätzlich zum Video noch Übungen und Arbeitsblätter zur Kelvinskala.