Hey guys,

welcome to a new part of my series “Science for Everybody”. This article serves again a little bit to prepare future parts of the series.

Today’s topic

The topic of this article is the temperature. Everybody knows that it is sometimes warmer or colder. Below, we take a closer look at how we can imagine temperature in a physical-chemical way.

Temperature scales

Celsius‘ scale

Worldwide, the temperature is measured most of the time in degree Celsius (°C). The definition of this scale by Anders Celsius is given by the melting point of water at 0 °C and its boiling point at 100 °C.

Fahrenheit’s scale

Besides the Celsius scale, there is the scale of Daniel Gabriel Fahrenheit, which is used especially in the U.S. The original points for the definition were a freezing mixture consisting of water, ice and sea salt (0 °F = -17.8 °C) and the body temperature of a healthy human being (96 °F = 35.6 °C). The melting and boiling point of water are then 32 °F and 212 °F, respectively. Because of this rather “odd” values, the conversion between both scales is kind of complicated. A difference in temperature of 1 °C is larger than 1 °F because y °C = (y * 1.8 + 32) °F.

Kelvin’s scale

The most used unit of temperature in the international scientific unit system (“système international d’unités” – SI system) is the Kelvin (K). In contrast to the other scales, there is no “degree Kelvin”. The scale is named after William Thomson Baron Kelvin and is defined as follows: 0 K is the absolute zero and 273.16 K the triple point of water (i.e. there are ice, water and steam parallel existing at a certain temperature and pressure – you find a short explanation of equilibria in my article about ice-skating).
This value seems a bit weird at first, but it is chosen to get a temperature difference of 1 °C is as large as 1 K. Because the triple point of water is at 0.01 °C, the conversion is y °C = (y + 273.15) K.

Measurement of the temperature

I suppose every one of you to have basics on measuring temperatures. Common thermometers base on the fact that substances expand on heating and contract on cooling (we’ll see soon the reason for this). A liquid (formerly mercury, today e.g. colored alcohol) is molten in a scaled glass tube and one can see the actual temperature from the height of the liquid.
Alternatives are the measurement of thermal radiation (infrared radiation). Nature utilizes this for some reptiles – they are “seeing” temperature. Thermal images are commonly given in false colors where different temperatures are arbitrarily associated to different colors.
Then, there are so called thermocouples. Here, two wires of metals or alloys are put in contact. An electric signal can be measured, which is depending from rising or falling temperature.
A kind of special thermometer is based on temperature depending differences in the density of liquids: the Galileo-thermometer.

Source

Physicochemical interpretation

So, how can we imagine temperature? In principle, temperature has to do with movement of the smallest particles, thus molecules and atoms (if you have forgotten about them, look at the last post of this series).

Solids

In solids, atoms and molecules have only small energy for moving. This means, they are not standing still but dither close to each other on the spot and close to the neighbors. The warmer it is, the more energy get the particles. They start to swing more and more and so the solid is expanding. When the particles have enough energy, the swinging becomes so strong that they lose contact to their neighbors – the solid is melting.

Liquids

Liquids differ from solids in a way that the interaction of the molecular particles to their neighbors is weaker. That is the reason, why liquids can move. Here again, movement and expansion is growing when more energy is given. At a certain point, the weak interaction between atoms and molecules is lost and the liquid boils and evaporates.

Gases

In gases, there is only very poor interaction between single molecules. But they are moving faster and faster through the room that is at their disposal. Here it is again: the hotter, the faster. Because of their speed, they collide more often with the walls of their vessels. In our “normal sized” world, we see this as rising pressure if the wall is not flexible – otherwise, the pressure stays the same but the volume increases.

Melting and boiling points

The delivered energy, thus meaning the temperature, affects, when the melting and boiling points of substances are reached. But of course, it is relevant which substance is to be regarded. Obviously, not every substance has the same melting point. Here, it is important how deep two molecules or atoms wish to be connected. But this would be a topic for a future article.

Absolute zero

So, what is the absolute zero? Well, let’s rewind the above described phenomena.
If we take more and more energy from a gas, thus meaning to cool it down, the particles will slow down at first. At a certain point, they are slow enough to meet their neighbors more often and they decide to stay close to them. The gas condenses and becomes liquid. If we cool down more, the movement is further slowing down. Then, the neighbors want to stay closer again and the liquid becomes solid. But the particles are moving in the solid, too. So, they move slower if we cool down again. Eventually, they stop moving. And now? Can we cool down more? Are the particles moving backwards then? Well, that is surely not possible, because it would be movement again.
So, there is a point (which is indeed barely reachable in reality) when everything is completely freezing. This is called the absolute zero at 0 K (-273.15 °C). And because we cannot cool below this point, there are no negative temperatures on the Kelvin scale.

Terminating for now

I hope that you have learned something again today and that you liked the posting. And as always: if you have suggestions and wishes, please share them in the comments!

---

Hallo Leute,

willkommen zu einem neuen Teil meiner Serie „Wissenschaft im Alltag“. Der heutige Artikel dient unter anderem wieder zur Vorbereitung zukünftiger Teile.

Heutiges Thema

Das Thema dieses Beitrags ist die Temperatur. Dass es mal wärmer und mal kälter ist, weiß jeder von uns. Wie wir uns Temperatur physikalisch-chemisch vorstellen können, wollen wir uns im Folgenden mal näher anschauen.

Skalen der Temperatur

Die Celsius-Skala

Die Temperatur wird weltweit am häufigsten in Grad Celsius (°C) angegeben. Die Definition der Skala von Anders Celsius erfolgt über den Schmelzpunkt von Wasser bei 0 °C und dessen Siedepunkt bei 100 °C.

Die Fahrenheit-Skala

Insbesondere in den USA findet man daneben die Skala von Daniel Gabriel Fahrenheit. Als ursprüngliche Fixpunkte galten hier eine Kältemischung aus Wasser, Eis und Meersalz (0 °F = -17,8 °C) und die Körpertemperatur eines gesunden Menschen (96 °F = 35,6 °C). Für den Schmelz- und Siedepunkt von Wasser ergeben sich damit 32 °F und 212 °F. Durch diese etwas „krummen“ Werte ergibt sich, dass die Umrechnung etwas umständlich ist. Es entsprechen y °C = (y * 1,8 + 32) °F, d.h. ein Temperaturunterschied von 1 °C ist größer als einer von 1 °F.

Die Kelvin-Skala

Im internationalen wissenschaftlichen Einheitensystem („système international d‘unités“ – SI-System) ist die gebräuchliche Einheit für die Temperatur das Kelvin (K). Im Gegensatz zu den übrigen Skalen spricht man hier nicht von „Grad Kelvin“. Sie ist nach William Thomson Baron Kelvin benannt und so definiert, dass 0 K der absolute Nullpunkt und 273,16 K der so genannte Tripelpunkt von Wasser ist (d.h., hier liegen Eis, Wasser und Wasserdampf bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur gleichzeitig vor – eine kurze Erklärung zum Thema Gleichgewichte findet ihr in meinem Artikel über das Schlittschuhlaufen).
Der Wert erscheint zunächst etwas seltsam, wurde aber extra so gewählt, damit ein Unterschied von 1 °C genauso groß wie 1 K ist. Da der Tripelpunkt von Wasser bei 0,01 °C liegt, ergibt sich eine Umrechnung von y °C = (y + 273,15) K.

Messung der Temperatur

Über Temperaturmessungen hat vermutlich jeder von uns ein gewisses Grundwissen. Übliche Thermometer nutzen die Tatsache aus, dass sich Substanzen beim Erwärmen ausdehnen und beim Abkühlen zusammenziehen (warum das so ist, sehen wir gleich). In ein skaliertes Glasröhrchen ist meist eine Flüssigkeit eingeschmolzen (früher oft Quecksilber, heute z.B. gefärbter Alkohol) und man kann anhand der Steighöhe ablesen, welche Temperatur vorherrscht.
Alternativen sind die Messung von Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), wie sie die Natur z.B. auch bei einigen Reptilien ausnutzt – diese „sehen“ Temperatur. Wärmebilder werden in der Regel in Falschfarben dargestellt und damit verschiedenen Temperaturen verschiedene Farben willkürlich zugeteilt.
Daneben gibt es noch sogenannte Thermoelemente. Hierbei werden zwei Metalle oder Legierungen in Form von Drähten zusammengebracht. Man kann dann ein elektrisches Signal messen, das abhängig von der Temperatur steigt oder sinkt.
Ein etwas besonderes Thermometer beruht auf temperaturabhängigen Unterschieden in der Dichte von Flüssigkeiten: Das Galileo-Thermometer.

Quelle

Physikochemische Interpretation

Wie kann man sich nun Temperatur vorstellen? Im Prinzip hat Temperatur etwas mit der Bewegung von kleinsten Teilchen, also Molekülen und Atomen zu tun.

Feststoffe

In Feststoffen haben Atome und Moleküle immer ein wenig Bewegungsenergie, das heißt, sie stehen nicht still, sondern zappeln nah beieinander auf der Stelle und immer in der Nähe ihrer Nachbarn. Je wärmer es wird, desto mehr Energie bekommen die Teilchen. Sie fangen immer stärker an zu schwingen und dadurch dehnt sich der Festkörper aus. Wenn sie genügend Energie besitzen, werden die Schwingungen so stark, dass der direkte Kontakt zu den Nachbarn verloren geht – der Feststoff schmilzt.

Flüssigkeiten

Flüssigkeiten unterscheiden sich von Feststoffen dadurch, dass die Teilchen auf molekularer Ebene zwar noch Kontakt zu den jeweiligen Freunden haben, aber dieser Kontakt nicht mehr so eng ist. Dadurch können sich Flüssigkeiten bewegen. Auch hier nimmt die Bewegung und damit die Ausdehnung immer weiter zu, wenn mehr Energie zugeführt wird. Ab einem gewissen Punkt geht auch der lose Kontakt zwischen den Molekülen und Atomen verloren, die Flüssigkeit siedet und verdampft.

Gase

In Gase besteht schließlich nur noch ein sehr sporadischer Kontakt zwischen einzelnen Molekülen. Dafür bewegen sie sich nun immer schneller durch den zur Verfügung stehenden Raum. Auch hier gilt: je heißer, desto schneller. Daher stoßen auch immer mehr bzw. häufiger Gasteilchen an Gefäßwände. In unserer „normal großen“ Welt nehmen wir dies als steigenden Druck wahr, wenn die Wand nicht flexibel ist – denn ansonsten bleibt der Druck gleich, aber das Volumen vergrößert sich.

Schmelz- und Siedepunkte

Wann die Schmelz- und Siedepunkte von Stoffen überschritten werden, hängt also von der zugeführten Energie, also der Temperatur ab. Natürlich ist es aber auch wichtig, von welchem Stoff man spricht, denn nicht jeder hat denselben Schmelzpunkt. Hierbei spielt eine Rolle, wie innig zwei Moleküle oder Atome miteinander verbunden bleiben wollen. Darüber sprechen wir aber besser ein anderes Mal in Ruhe.

Der absolute Nullpunkt

Was hat es nun mit dem absoluten Nullpunkt auf sich? Nun, schauen wir uns die beschriebenen Phänomene nochmal „rückwärts“ an.
Wenn wir einem Gas immer mehr Energie entziehen, es also abkühlen, werden die Gasteilchen zunächst langsamer. Irgendwann sind sie so langsam, dass sie ihre Nachbarn wieder häufig treffen und beschließen, in ihrer Nähe zu bleiben. Das Gas kondensiert zur Flüssigkeit. Wenn wir diese weiter abkühlen, wird wiederum die Bewegung langsamer, solange bis die Nachbarn noch enger zusammenbleiben möchten und die Flüssigkeit erstarrt. Aber auch im Feststoff bewegen sich die Teilchen noch. Allerdings immer langsamer, je mehr wir abkühlen. Irgendwann bleiben die Teilchen dann schließlich stehen. Und dann? Können wir weiter abkühlen? Bewegen sich die Teilchen dann rückwärts? Nun, das wohl nicht, denn das wäre ja wieder Bewegung.
Es gibt also einen (in der Realität tatsächlich nicht ganz erreichbaren) Punkt, an dem alles erstarrt. Dies nennen wir den absoluten Nullpunkt bei 0 K (-273,15 °C). Und da wir von dort aus nicht weiter abkühlen können, gibt es in der Kelvin-Skala auch keine negativen Temperaturen.

Zum Abschluss

Ich hoffe, dass ihr wieder ein bisschen was lernen konntet und euch der Artikel gefallen hat. Wie immer gilt: Wenn ihr Anregungen und Wünsche habt, teilt sie mir gerne in den Kommentaren mit!