Was ist Wärme überhaupt?

Der Begriff „Wärme“ bedeutet in physikalischer Hinsicht etwas anderes als im alltäglichen Sprachgebrauch.

Wärme ist eine Form von Energie, genauer gesagt die Bewegungsenergie jener kleinen Teile (Moleküle, Atome), aus denen Körper sich zusammensetzen. Je schneller diese kleinen Teilchen sich hin und her bewegen, desto wärmer ist der Körper.

Beispiel

Ein kaltes Stück Eis müssen wir uns vorstellen, wie viele kleine Wassermoleküle, die sich an einem festen Ort befinden und nur etwas zittern. Wenn man dieses Stück Eis erhitzt, dann wird das Zittern stärker. Irgendwann zittern diese Teilchen so stark, dass sie sich von ihren festen Orten lösen und sich über alle hin und her bewegen können: Das Eis schmilzt und wird flüssig (Wasser). Wenn man sie noch weiter erhitzt, wird die Bewegung der Moleküle noch stärker, bis sie vollständig aus dem flüssigen Wasser austreten und als Wasserdampf (= durchsichtiges Gas) in die Luft aufsteigen: Das Wasser kocht.

Kälte

Kälte ist demnach nichts anderes als die Abwesenheit von Wärme. Wenn man ein Glas Cola abkühlen will, muss man der Cola die Wärme entziehen. Dies kann man beispielsweise dadurch erreichen, dass man ein Stück Eis hinzufügt. Das Eis nimmt jetzt die Wärme auf (und deswegen schmilzt es), die die Cola verliert.

Wie kalt kann ein Körper werden?

Ein Körper kann somit nicht unendlich kalt werden. Die tiefste mögliche Temperatur ist dann erreicht, wenn die Teilchen nicht mehr zittern d.h. sich gar nicht mehr bewegen. Diese Temperatur nennen wir den absoluten Nullpunkt. Er beträgt -273,15 Grad Celsuis = 0 Kelvin.

Zum Messen der Temperaturen gibt es verschiedene Messeinheiten: Grad Celsius, Grad Fahrenheit, Kelvin.

Grad Celsius (°C)

In den meisten Ländern misst man die Temperatur heute in Grad Celsius. Anders Celsius (1701- 1744) war ein schwedischer Astronom, Physiker und Mathematiker. Die Celsius-Skala verwendet als Fixpunkte die Temperaturen vom Gefrier- (0°C) bzw. Siedepunkt des Wassers (100°C), und zwar jeweils bei mittlerem Luftdruck auf Meeresniveau. Er bestimmte somit die Fixpunkte sehr präzise, indem er auch die Messbedingungen festlegte, in diesem Fall den Luftdruck.

Der Luftdruck spielt nämlich eine wichtige Rolle; beispielsweise kocht das Wasser bereits unter 100°C, wenn der Luftdruck geringer ist. Dies ist unter anderem der Fall in hoch gelegenen Berggegenden.

Grad Fahrenheit (°F)

Das Grad Fahrenheit ist die älteste Temperaturmesseinheit, die heute noch verwendet wird. Gabriel Fahrenheit (1686-1736) war ein deutscher Physiker und Erfinder von Messinstrumenten. Gabriel Fahrenheits Skala bezieht sich auf den Fixpunkt der tiefsten Temperatur des Winters 1708/1709 in seiner Heimatstadt Danzig (-17,78°C, 0°F) sowie auf den Fixpunkt, bei dem das Wasser gefriert (0°C, 32°F). Eine Temperaturerhöhung von 9°F entspricht einer Temperaturerhöhung von 5°C. Die Fahrenheit-Skala war lange Zeit in Europa in Gebrauch, bis sie durch die Celsius-Skala abgelöst wurde. Heute wird sie jedoch weiterhin in Amerika und einigen anderen englischsprachigen Ländern verwendet.

Kelvin (K)

Wissenschaftler messen die Temperatur in Kelvin, was zugleich auch die jüngste Einheit zum Messen der Temperatur ist.

William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) war ein britischer Physiker.

Diese Messeinheit geht vom absoluten Nullpunkt (-273,15°C) aus und verwendet dieselben Stufen wie die Celsius-Skala. Der Unterschied zwischen der Temperatur, bei der das Wasser kocht, und der Temperatur, bei der das Wasser friert, ist demnach gleich groß, unabhängig davon, ob er in Kelvin oder in Grad Celsius gerechnet wird.

Autor: Patrick Delhalt (MNHN)

Dieser Artikel erschien im Science News 03/2012.