Temperatur und Teilchenmodell

Wärmelehre

Temperatur und Teilchenmodell

  • Wie entstand eigentlich die CELSIUS-Skala?
  • Woher kennt man den absoluten Nullpunkt?
  • Was geschieht in Körpern, wenn man sie erwärmt?
  • Wie wird Wärme zwischen Körper übertragen?

Anders CELSIUS (1701 - 1744)

Anders CELSIUS (1701 - 1744)
von Olof Arenius [Public domain], via Wikimedia Commons

Anders CELSIUS war ein schwedischer Astronom, *27.11.1701 Uppsala, +25.4.1744 Uppsala. CELSIUS war ein sehr vielseitiger Wissenschaftler, der sich auf den verschiedensten Gebieten Verdienste erwarb.

CELSIUS war ab 1730 Professor für Astronomie in Uppsala und seit 1740 dort Direktor der neuen, ersten Sternwarte Schwedens.

Er beteiligte sich 1736-1737 an der Expedition von P.L.M. de Maupertuis nach Lappland zur Gradmessung (Messung eines Meridianbogens) zwischen Tornea und Pello (Westbottnien), deren Ergebnisse die Abplattung der Erde bestätigten.

Ihm gelang die Bestimmung der Polhöhe nach der Methode von P. N. Horrebow.

Er beobachtete den täglichen Gang der magnetischen Deklination und stellte Gleichzeitigkeiten magnetischer Störungen zwischen Schweden und England fest. Dabei registrierte er auch den Zusammenhang zwischen dem Nordlicht und den Änderungen des Erdmagnetfelds.

CELSIUS führte Kalenderberechnungen durch und befürwortete die Einführung des Gregorianischen Kalenders.

Er beobachtete die Saturnmonde und bestimmte als erster mit Messinstrumenten die Helligkeit von Sternen.

Im Jahre 1742 schlug er für die Temperaturmessung eine 100teilige Thermometereinteilung (CELSIUS-Skala) vor. Die ursprüngliche CELSIUS-Skala hatte den Siedepunkt des Wassers bei 0°C, den Schmelzpunkt des Eises bei 100°C (C. von Linné kehrte die Skala um).

Thermometergeschichte

Bereits im Mittelalter wurde erkannt, dass man in der Wärmelehre zwischen zwei grundlegend verschiedenen Größen zu unterscheiden hat:

  • Temperatur:
Größe, die den Wärmezustand eines Körpers beschreibt (heiß, kalt . . .)
Die Temperatur ist eine Intensitätsgröße.
  • Wärmemenge:
Größe, welche die Menge der Energie ("Innere Energie") beschreibt, die z.B. auf einen Körper übergegangen ist.
Die Wärmemenge ist eine Quantitätsgröße.

Da das menschliche Wärmeempfinden nicht sehr zuverlässig zur Temperaturbestimmung ist (subjektive Wärmeempfindung), suchte man bereits in dieser Zeit nach objektiven Methoden zur Temperaturmessung. Dabei machte man sich die Ausdehnung von Gasen und Flüssigkeiten bei Erwärmung zu Nutze.

Galilei (1596) wird das erste Gerät zur Temperaturmessung zugeschrieben. Das sogenannte Thermoskop besteht aus einem luftgefüllten Glaskolben A mit angesetzter Glasröhre B. Diese Röhre taucht mit ihrem offenen Ende in ein mit gefärbtem Wasser gefülltes Vorratsgefäß C.
Erwärmt sich die Luft im Glaskolben, so dehnt sich diese aus und drückt die Wassersäule in der Glasröhre nach unten. Die Höhe des Wasserpegels wird zur Temperaturanzeige herangezogen.

In Florenz beschäftigte sich die dortige Akademie Mitte des 17. Jahrhunderts mit der Konstruktion von Thermometern. Man baute z.T. sehr kunstvolle, aber etwas unhandliche Thermometer mit Vorratsgefäß und langem Steigrohr (Bild rechts), das nun im Gegensatz zu Galilei abgeschlossen war. Als Füllung wählte man im Allgemeinen Weingeist. Auch Quecksilber diente schon als Thermometerflüssigkeit, da es die günstige Eigenschaft hat, bei tiefen Wintertemperaturen und hohen Sommertemperaturen flüssig zu sein.
Es erwies sich als besonders schwierig, die Anzeigen der verschiedenen Thermometer (bei manchen wurden die langen Steigröhren gewunden, um kleinere Baulängen zu erreichen - Bild unten) in Einklang zu bringen, da noch keine allgemein anerkannte Temperaturskala existierte.

 

Um 1715 baute der Danziger Glasbläser Daniel Gabriel Fahrenheit Quecksilberthermometer, die in ihrer Anzeige übereinstimmten, was für die damalige Zeit ein großer Fortschritt war. Zusätzlich übernahm er eine Temperaturskala, die später nach ihm benannt wurde und die in Amerika heute noch benutzt wird.
Als Nullpunkt seiner Skala wählte er die tiefste Temperatur des strengen Winters von 1709 in Danzig, die er später durch eine bestimmte Mischung aus Eis, festem Salmiak und Wasser wieder herstellen konnte. Mit der Wahl dieses Nullpunktes hoffte Fahrenheit negative Temperaturen vermeiden zu können. Als zweiten "Fixpunkt" seiner Skala soll Fahrenheit seine eigene Körpertemperatur gewählt haben, dem er willkürlich die Zahl 100 zuordnete.

Im Jahr 1742 schlägt der schwedische Astronom Anders CELSIUS vor, die von Fahrenheit eingeführte Skala durch eine besser zu handhabende Skala (die schließlich nach ihm benannt wurde) zu ersetzen. Er wählt zwei Fixpunkte, die überall auf der Welt gut zu reproduzieren sind:

  • Die Schmelztemperatur des Eises soll 0°C sein.
  • Die Siedetemperatur des Wasser soll 100°C sein

Hinweis: Diese beiden Temperaturen hängen auch vom Luftdruck ab, dies soll aber vorerst vernachlässigt werden.

Den Abstand dieser beiden Marken bei einem Thermometer nennt man Fundamentalabstand. Er wird in 100 gleich Teile geteilt, einem Teilabschnitt ordnet man die Temperaturdifferenz 1°C zu.


 

In dem folgenden Bild sind die Celsius- und die Fahrenheit-Skala gegenübergestellt. Der Siedepunkt des Wassers liegt bei 212°F und der Schmelzpunkt des Wassers bei 32°F. 100°F entspricht etwa der Körpertemperatur des Menschen.

Robert BROWN (1773 - 1858)

Original-Mikroskop von BROWN

Robert BROWN (1773 - 1858)
von Rudolph Hoffmann [Public domain], via Wikimedia Commons

Robert BROWN wurde 1773 in Schottland geboren.

Er studierte Medizin in Edinburgh und ging dann zum Militär.

In London lernte er den berühmten Botaniker BANKS kennen, mit dem er von 1801 - 1805 eine botanische Entdeckungsreise nach Australien unternahm.

Im Jahre 1827 entdeckte er in einer Suspension von Pollenkörnern die nach ihm benannte "BROWN'sche Bewegung". Die BROWN'sche Bewegung erfuhr durch EINSTEIN und SMOLUCHOWSKI 1905 ihre theoretische Deutung.

1831 erkannte er die regelmäßige Struktur in einer Zelle als Zellkern.

Robert BROWN verstarb am 10. Juni 1858 in London.

 
Druckversion

RSS - Temperatur und Teilchenmodell abonnieren