Alle Stoffe können in drei verschiedenen Zustandsformen erscheinen:
1. fest
2. flüssig
3. gasförmig
Erwärmen oder Abkühlen verändert den Zustand der Stoffe.
Beim Erwärmen von Stoffen wird generell eine Volumenzunahme beobachtet. Diese Erscheinung lässt sich mit Hilfe eines einfachen Versuchs nachprüfen: Man füllt einen Glaskolben mit Wasser. Beim Erhitzen des Glaskolbens steigt das Wasser im Glasröhrchen und beim Abkühlen fällt der Wasserspiegel wieder. Man stellt also fest, dass sich die Flüssigkeit ausdehnt. Die erwärmte Flüssigkeit benötigt mehr Volumen, und diesen Platz für die Volumenänderung findet das Wasser im Steigrohr und zeigt somit die Volumenänderung an. Die Volumenänderung steht also im direkten Zusammenhang mit der Erwärmung der Flüssigkeit (Abb. 1).
Abb. 1: Wasser dehnt sich bei Temperaturerhöhung aus.
Auch feste Körper ändern ihr Volumen bei Erwärmung. Wird erhitzte Flüssigkeit durch ein Rohr gegossen, dann verlängert sich das Rohr, und ein Zeiger, der für die Messung mit dem Rohr verbunden ist, zeigt die Längenänderung genau an (Abb. 2). Mit dieser Methode stellt man eine Längenveränderung der Festkörper beim Temperaturanstieg fest.
Abb. 2: Messung der Längenänderung eines Metallrohres bei Erwärmung.
In der Technik ist es lebenswichtig, dieses Verhalten von festen Stoffen zu berücksichtigen. Beim Brückenbau wird die temperaturabhängige Längenänderung der Fahrbahn eingeplant, um Risse oder Wellen auf der Fahrbahn zu vermeiden. Dehnungsfugen zwischen Brücke und Fahrbahn geben den nötigen Raum zur Ausdehnung (Abb. 3) und die Brücken sind wegen den Materialspannungen auf beweglichen Rollen gelagert.
Abb. 3: Dehnungsfuge
Feste und flüssige Stoffe dehnen sich aus. Es stellt sich die Frage, ob sich Gase genauso verhalten. Um das zu untersuchen, benutzt man einen Rundkolben, der Luft enthält. Der Kolben, mit einein Stopfen und einem Ausdehnungsrohr verschlossen, wird in ein mit Wasser gefülltes Becherglas getaucht. Durch Erhitzen der Luft im Glaskolben werden Luftblasen im Wasser sichtbar. Die Luft dehnt sich also durch das Erhitzen im Glaskolben aus und entweicht durch das Ausdehnungsrohr. Wird der Kolben abgekühlt, dann verringert sich das Luftvolumen im Glaskolben und Wasser wird in den Kolben aufgesogen. Bei der Abkühlung von Gasen verringert sich das Volumen - somit wird festgestellt, dass Gase ihr Volumen bei Temperaturveränderung ebenfalls wie feste und flüssige Körper ändern.
Festkörper, Flüssigkeiten und Gase dehnen sich bei Temperaturerhöhung aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen.
Um den Wärmezustand objektiv zu beschreiben, verwendet man die Temperatur. Die eigene Temperaturwahrnehmung ist für die Temperaturbestimmung nicht ausreichend. Der Mensch kann nur unterscheiden zwischen heiß, warm, lauwarm, kühl oder kalt und selbst diese Unterscheidungen sind abhängig von der jeweiligen Situation und seinem Empfinden. Duscht man sich vor dem Sprung ins Schwimmbecken kalt ab, dann wird die Wassertemperatur im Schwimmbecken als nicht so kalt empfunden. Springt man direkt ins Schwimmbecken, empfindet man das Wasser als wesentlich kälter. Die eigene Wahrnehmung ist unzuverlässig. Will man ein Messverfahren entwickeln, muss man die Eigenschaften der Stoffe kennen, die sich bei Erwärmen oder Abkühlen ändern. Stoffe reagieren mit einer Volumenänderung. Diese objektive Eigenschaft macht sich der Mensch für die Temperaturmessung zu Nutze. In Flüssigkeitsthermometern wird häufig das Material Quecksilber benutzt. Das Quecksilberthermometer besteht im Prinzip aus einem Glaskolben mit einem Steigrohr. Will man Temperaturen messen, dann braucht man zusätzlich eine Temperaturskala. Die Temperaturskala lässt sich nach dem Verfahren des schwedischen Physikers Anders Celsius (1701-44) erstellen. Celsius nutzte für die Einteilung der Temperaturskala zwei Temperaturpunkte. Der eine Temperaturpunkt ist der Schmelzpunkt des Eises, und der andere Temperaturpunkt ist der Siedepunkt des Wassers. Wird der Glaskolben mit Quecksilber gefüllt und in siedendes Wasser gestellt, dann nimmt das Quecksilber die Temperatur an und dehnt sich aus. Das Quecksilber hat dann die Temperatur des siedenden Wassers angenommen, wenn die Quecksilbersäule zum Stillstand kommt und sich nicht mehr weiter ausdehnt. Der erreichte Quecksilberstand in dem Flüssigkeitssteigrohr gibt den oberen Fixpunkt der Temperaturskala an. Wird danach der Glaskolben in Eiswasser gestellt, verringert sich das Quecksilbervolumen im Steigrohr und der erreichte Endpunkt ist der untere Fixpunkt der Temperaturskala. Auch hier muss solange gewartet werden, bis die Quecksilbersäule zum Stillstand kommt. Die Distanz zwischen oberem und unterem Fixpunkt wurde von Celsius in 100 gleiche Abstände unterteilt. Diese Skala kann nach unten oder oben weiter fortgeführt werden. Der Schmelzpunkt von Eis bekam somit die Bezeichnung „Null Grad Celsius" (0°C) und dem Siedepunkt wurde der Wert von 100°C (Celsius) zugeordnet.
Das Fieberthermometer ist prinzipiell so aufgebaut wie oben bereits beschrieben, nur kann hier zusätzlich die maximale Temperatur gespeichert werden. Nach dem Messen zieht sich der Quecksilberfaden wieder zusammen. Damit die maximale Temperatur ablesbar bleibt, hat das Steigrohr beim Fieberthermometer eine schmale Verengung (Abb. 4). Dort reißt der Faden beim Abkühlen durch die Volumenverringerung der Quecksilberflüssigkeit ab und verhindert deren Rückzug. Der untere Teil zieht sich in das Vorratsgefäß zurück und der obere Teil bleibt stehen. Die maximale Temperatur ist auf diese Weise als Information gespeichert. Für die nächste Messung muss das Quecksilber aus dem oberen Teil des Steigrohres durch die Verengung zurückgeschlagen werden, bis es vollständig aus dem Steigrohr verschwunden ist.
Abb. 4: Die Verengung verhindert den Rückgang der Quecksilberflüssigkeit nach dem Messen der maximalen Temperatur.
Da der Gefrierpunkt von Quecksilber bei -39°C und der Siedepunkt bei 357°C liegt, können Quecksilberthermometer im Temperaturbereich von -30°C bis 300°C benutzt werden. Zur Messung von tiefen Temperaturen benutzt man Alkohol oder Pentan ab Thermometerflüssigkeit. Das Alkoholthermometer ist zwischen -100°C und 50°C, das Pentanthermometer bis zu -200°C verwendbar.
Alle Körper in den drei Zustandsformen haben gemeinsam, dass sich Ihr Volumen bei der Temperaturerhöhung vergrößert, aber die Volumenveränderung ist von Stoff zu Stoff unterschiedlich. Die unterschiedliche Ausdehnung verschiedener Feststoffe wird bei Bimetallstreifen ausgenutzt.
Zwei Metallstreifen sind miteinander verbunden. Bei Temperaturerhöhung dehnt sich das eine Metall stärker aus als das andere und verbiegt somit den Doppelstreifen. Diese Eigenschaft wird z. B. für Thermostate bei Bügeleisen oder Heizgeräten ausgenutzt. Bei Temperaturerhöhung verbiegt sich der Bimetallstreifen und unterbricht z. B. einen Stromkreis, der das Bügeleisen oder Heizgerät mit Strom versorgt (Abb. 5).
Die Temperatur wird generell mit θ (theta) bezeichnet und der Abstand zwischen zwei Werten (Differenz) mit dem Zeichen Δ (delta). Die Temperaturdifferenz wird somit mit Δθ lies: delta theta) benannt und es gilt: Δθ = θ2 - θ1
Wenn z. B. die Temperatur von θ1 = 50°C auf θ2 = 60°C angestiegen ist, dann beträgt die Temperaturdifferenz Δθ =1O K. Die Temperaturdifferenzen werden generell nach dem englischen Physiker Lord Kelvin benannt und in der Einheit Kelvin (K) angegeben. Eine Temperaturdifferenz von 1K entspricht 1°C. Im oben angeführten Beispiel spricht man von einer Temperaturdifferenz von 10 K (Kelvin).
Abb. 5: Die Verengung verhindert den Rückgang der Quecksilberflüssigkeit nach dem Messen der maximalen Temperatur.
Kategorie: Energie und Elektrizität Nach oben