0 grad gleich kelvin

Eine in Physik und Technik gebräuchliche Einheit für die Temperatur und insbesondere für Temperaturdifferenzen ist das Kelvin, benannt nach Lord Kelvin. Früher sprach man von Grad Kelvin (°K), heute nur noch von Kelvin.

Der Nullpunkt der Kelvin-Skala entspricht dem absoluten Nullpunkt der Temperatur, der in der Celsius-Skala bei ca. −273,15 °C liegt. Bei dieser Temperatur würde jegliche mikroskopische Wärmebewegung der Materie entfallen, d. h. die innere Energie würde den minimal möglichen Wert annehmen. Allerdings ist es nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik prinzipiell unmöglich, diese Temperatur exakt zu erreichen. Immerhin gelingt es mit Methoden der sogenannten Laserkühlung (laser cooling), Temperaturen von nur einigen Nanokelvin (Milliardstel Kelvin) über dem absoluten Nullpunkt zu erzielen.

Die Schrittgröße der Kelvin-Skala entspricht definitionsgemäß genau der der Celsius-Skala. Also erhält man die Temperatur in Kelvin aus der Temperatur in Grad Celsius (°C), indem man zum Zahlenwert 273,15 hinzuzählt. So entsprechen 100 °C beispielsweise ca. 373,15 K.

Angaben der absoluten Temperatur

Bei vielen physikalischen Formeln müssen Temperaturwerte in Kelvin eingesetzt werden.

Da die Kelvin-Grade den Abstand zum absoluten Temperaturnullpunkt angeben, sind sie in der Thermodynamik sehr wichtig. Beispielsweise muss man in der Formel für den Carnot-Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine

die beiden Temperaturen als absolute Temperaturen in Kelvin eingeben. Ebenso müssen in Formeln für Boltzmann-Verteilungen stets Kelvin-Temperaturen eingegeben werden.

Angaben für Temperaturdifferenzen

Temperaturdifferenzen sind in Kelvin anzugeben, nicht in Grad Celsius. Die entsprechenden Zahlenwerte sind allerdings gleich.

Normgemäß (Empfehlung nach DIN 1345) sollten außerdem Temperaturdifferenzen stets in Kelvin angegeben werden, nicht etwa in °C. Beispielsweise ist kochendes Wasser (bei Normaldruck) um 100 K wärmer als Eiswasser.

In der Energietechnik sind häufig Temperaturdifferenzen relevant. Beispielsweise hängt die Dichte des Wärmestroms durch eine Wärmedämmung von der Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten ab, die also in Kelvin angegeben wird. Deswegen wird der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) eines Bauteils oder einer Hauswand in Einheiten von W / (m2 K) (Watt pro Quadratmeter und Kelvin) angegeben, und nicht etwa in W / (m2 °C). Ebenso gibt man die Temperaturspreizung in einer Zentralheizungsanlage in Kelvin an.

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Obwohl anfangs durch den Gefrierpunkt von Wasser (und später Schmelzpunkt des Eises) definiert, ist die Celsius-Skala offiziell abgeleitet von der Kelvin-Skala.

Null auf der Celsius-Skala (0 °C) entspricht 273,15 K, mit einer Temperaturdifferenz von 1 °C äquivalent zu einer Differenz von 1 K, so dass die Größe der Einheit in jeder Skala gleich ist. Dies bedeutet, dass 100 °C, die zuvor als Siedetemperatur von Wasser definiert wurden, nun 373,15 K entsprechen.

Die Celsius-Skala ist ein Intervall-System, nicht aber ein Verhältnis-System, was bedeutet, dass es einer relativen aber nicht absoluten Skala folgt. Dies ist daran zu erkennen, da ein Temperaturintervall zwischen 20 °C und 30 °C gleich ist wie zwischen 30 °C und 40 °C, aber 40 °C nicht über die doppelte Luftwärmeenergie wie 20 °C verfügt.

Die Glasbläsershow im Corning Museum of Glass in Corning, New York, USA. Das Glasblasen erfolgt üblicherweise bei Temperaturen zwischen 1.600 und 1.900 °F oder etwa 870 und 1.040 °C.

Überblick

Die Glasbläsershow im Corning Museum of Glass in Corning, New York, USA. Der Glasbläser verwendet einen Klumpen geschmolzenen Glases, um ihn mit einem Rohr in eine Vase zu formen.

Temperatur ist eine Messung des Größengrades von Wärme in einem Objekt oder einer Materie. Sie kann auch als durchschnittliche Menge kinetischer Energie in den Partikeln definiert werden, aus denen ein Objekt oder eine Materie bestehen. Energie wird zwischen Objekten oder Materie höherer Temperatur an Objekte oder Materie niedrigerer Temperatur übertragen, bis die Temperaturen ein thermisches Gleichgewicht erreicht haben. Dies wird Wärmeleitung genannt. Wenn Sie zum Beispiel im Winter ein Fenster öffnen, wird die Luft des Raums Wärme nach draußen leiten, bis die Temperatur im Raum die gleiche wie draußen ist. Materialien haben unterschiedliche Empfindlichkeitsstufen hinsichtlich der Wärmeübertragung bzw. Wärmeleitung. Einige Materialien sind gegenüber Wärmeleitung temperaturbeständiger als andere. Das heißt, sie übertragen Wärme nicht so gut wie andere Materialien. Materialien mit geringer Leitfähigkeit werden zur Wärmeisolierung verwendet.

Temperatur wird mit einem Thermometer gemessen. Die geringstmögliche Temperatur beträgt –273,15 °C.

Temperatur wird in Graden gemessen, jedoch existieren drei unterschiedliche Skalen: Celsius (die üblichste Skala), Fahrenheit (in den USA und einigen anderen Ländern verwendet) und Kelvin (in der Wissenschaft genutzt). Die Skalen Kelvin und Celsius haben für Null unterschiedliche Punkte definiert. Bei der Celsius-Skala ist es die Temperatur, bei der Wasser gefriert; bei der Kelvin-Skala ist es die geringstmögliche Temperatur, oder -273,15 °C. Die Fahrenheit-Skala unterscheidet sich nicht nur im Nullpunkt, sondern hat auch eine andere Erhöhungsformel. Um Grad Celsius nach Fahrenheit umzurechnen, kann folgende Formel verwendet werden:

°C = 5⁄9 (°F – 32).

Der Gefrierpunkt von Wasser entspricht 32 °F.

Die SI-Einheit für Temperatur ist ein Grad der Kelvin-Skala und wird Kelvin (K) genannt.

Elektrische Entladung in einer Plasmalampe

Temperatur in Physik und Chemie

Temperatur bestimmt den Zustand einer Materie wie Plasma, Gas, Flüssigkeit oder Feststoff. Moleküle innerhalb einer Materie vibrieren und Erhöhung der Temperatur erhöht die kinetische Energie (Bewegungsenergie) und Geschwindigkeiten der Moleküle. Die Moleküle vibrieren mehr und distanzieren sich voneinander und ändern den Zustand von fest über flüssig nach gasförmig. Die Distanz zwischen Molekülen und der kinetischen Energie, die sie speichern, ist am größten bei Gasen und am niedrigsten bei Feststoffen. Materialien, die ihren Zustand bei hohen Temperaturen nicht ändern, sind refraktäre bzw. hitzebeständige Materialien. Beispielsweise ändern die meisten Keramiken ihren festen Zustand nicht, selbst wenn sie sehr hohen Temperaturen bis zu 1000 °C ausgesetzt sind. Einige Materialien schmelzen und werden flüssig, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind, während andere wie Holz brennen. Die Temperaturspanne, bei der Materie in flüssiger Form bestehen kann, ist im Allgemeinen eher klein. Das Erwärmen von Gas führt dazu, dass sich Atome in geladene Teilchen trennen, Ionen und Elektronen. Der Prozess wird Ionisierung genannt. Teilweise oder vollständig ionisiertes Gas wird Plasma genannt. Es ist ein elektrisch neutrales System. Die meiste Materie des Universums besteht in Plasmaform.

Temperatur wirkt sich auf elektrische Leitfähigkeit aus und dient als ein Katalysator für chemische Reaktionen. Sie können beschleunigt oder verlangsamt werden, indem die Temperatur geändert wird.

Tripelpunkt von Wasser

Der Tripelpunkt von Wasser ist ein anhand Temperatur und Druck beschriebener Punkt, bei dem seine drei Phasen (Dampf, flüssig und gefroren) in einem thermodynamischen Gleichgewicht stehen. Die einzige Kombination von Druck und Temperatur, bei der flüssiges Wasser, festes Eis und Wasserdampf nebeneinander existieren können ist ein stabiles Gleichgewicht, das bei exakt 0,01 °C (273,16 K) und einem Dampfpartialdruck von 611,73 Pa liegt. An diesem Punkt ist es möglich, die ganze Substanz in Dampf, Wasser oder Eis zu wandeln, wenn man kleine Änderungen an Druck und Temperatur vornimmt.

Der Tripelpunkt von Wasser entspricht dem Mindestdruck, an dem flüssiges Wasser bestehen kann. Bei einem Druck unter dem Tripelpunkt (beispielsweise im Weltraum) wandelt sich Eis, wenn es bei einem konstanten Druck erhitzt wird, direkt in Wasserdampf. Über dem Tripelpunkt schmilzt Eis, das unter konstantem Druck erhitzt wird, erst zu flüssigem Wasser und verdampft dann oder siedet und verdampft dann bei höherer Temperatur.

Der Tripelpunkt von Wasser wird manchmal zur Kalibrierung von Messausrüstung und Thermometern genutzt. Der Tripelpunkt von Wasserzellen wird zu diesem Zweck verwendet. Diese Zellen liefern eine Temperatur von exakt 273,16 К (0,01 °С).

Graphiken der Spektralstrahldichte der Strahlung schwarzer Körper, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Von wikipedia.org. Autor: 4C

Effektivtemperatur

Die Effektivtemperatur eines Körpers ist die Temperatur eines schwarzen Körpers, der so viel Energie pro Oberflächeneinheit abgibt, wie sie von jeder Einheit einer Oberfläche eines Körpers abstrahlt.

Ein schwarzer Körper ist ein Körper, der die gesamte Strahlung des ganzen Spektrums absorbiert, das mit seiner Oberfläche in Kontakt kommt.

Man kann diese Temperatur mithilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes berechnen. Das Gesetz besagt, dass die Strahlungsleistung von einem schwarzen Körper proportional zur vierten Potenz der Temperatur ist. Beispielsweise liegt dieser Wert für die Erde etwa bei 250 K oder –23 °C, aber gleichzeitig wissen wir, dass die Durchschnittstemperatur der Erdoberfläche in der Regel bei etwa +15 °C liegt. Diese Unstimmigkeit zwischen tatsächlicher und Effektivtemperatur lässt sich erklären, wenn man die Atmosphäre der Erde berücksichtigt. Sie erzeugt einen Treibhauseffekt und verhindert, dass die Erde Wärme verliert. Daher ist 250 K die Temperatur der oberen atmosphärischen Schicht. Das heißt, die Effektivtemperatur der Erde ist die Temperatur, die vom Weltraum aus gesehen wird.

Die Kenntnis über die Effektivtemperatur eines Sterns lässt uns diesen in seine Spektralklasse einordnen. Mit anderen Worten wissen wir die Wellenlängenbandbreite der elektromagnetischen Strahlung, die er abgibt. Die Effektivtemperatur der Sonne liegt bei 6000 K und der Höchstwert für die Strahlung beträgt 470 nm, was dem grünen Spektralbereich entspricht, obwohl er für uns Gelb erscheint.

Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung wurde mithilfe dieses 15-Meter-Hornstrahlers von Arno Penzias und Robert Wilson entdeckt. Für diese Entdeckung erhielten sie den Nobel-Preis. Quelle: NASA

Temperatur im Universum

Wenn wir über die Temperaturen des Universums sprechen, ist die Bandbreite an Temperaturen unermesslich, von extrem niedrig zu extrem hoch.

Zum Beispiel beträgt die Effektivtemperatur der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung, die die Reststrahlung vom Urknall ist, lediglich 2,7 K. Dieser Wert ist sehr nah am absoluten Nullpunkt.

Größenvergleich zwischen Sonne und dem blauen Gigantenstern Alnitak. Von wikipedia.org. Autor: CWitte

Andererseits kann die Temperatur von Sternen 40.000 K erreichen. Der Radius dieser Sterne ist in der Regel sehr groß, z. T. mehr als das Zehnfache des Radius der Sonne. Beispiel eines solchen Sterns ist Alnitak A, ein blauer Supergigant in der Orion-Konstellation. Sein Durchmesser beträgt das 20-Fache des Durchmessers der Sonne.

Die Temperatur im Kern eines Sterns ist noch höher, da diese extremen Temperaturen notwendig sind, damit die thermonuklearen Reaktionen stattfinden können. Beispielsweise ist eine sehr hohe Energie innerhalb des Kerns Voraussetzung für die Reaktion, bei der leichtere Elemente in schwerere verwandelt werden. Daher wird eine extrem hohe Temperatur benötigt. Die Temperatur im Kern unserer Sonne erreicht 15.000.000 K.

Temperatur in der Biologie

Die übliche Körpertemperatur von Sikawild (im Japanischen „shika“) beträgt 313 K oder 39,8 ºC oder 103,6 ºF. Nara Park, in Nara, Japan, am Fuße des Wakakusa.

Temperatur wirkt sich auf die biologischen Prozesse von Lebewesen aus. Komplexe Organismen verfügen über ein Steuerungszentrum, um eine konstante Temperatur zu halten und verwenden Fluktuationen bei der Körpertemperatur als Verteidigungsmechanismus. Um beispielsweise Bakterien oder Vieren zu vernichten, erhöht der Mensch nach Infizierung die Körpertemperatur über den Grad, den der fremde Organismus tolerieren kann. Ein anderes Beispiel ist das von Nagetieren oder Bären: Sie verringern die Körpertemperatur und verlangsamen den Herzschlag und die Atmung, um Stoffwechselprozesse zu unterdrücken. Dieser Prozess wird Dormanz genannt und ist ein Überlebensmechanismus für die Jahreszeiten, wenn Nahrung nicht verfügbar oder knapp ist. Einige Beispiele für Dormanz sind der Winterschlaf und die Sommerruhe. Tiere im Winterschlaf haben sehr geringe Körpertemperaturen, sogar unter 0 °C. So kann die Bauchtemperatur eines arktischen Eichhörnchens –2,9 °C erreichen. Auch Pflanzen gehen bei kälterem Klima in einen Ruhezustand über.

Kälteschlaf oder Hypothermie

Das Einleiten der Verlangsamung des Stoffwechsels bei einem lebenden Organismus, ohne dessen Leben zu beenden, wird Kälteschlaf oder hypothermischer Zustand genannt. Es kann ein selbstverursachter Zustand sein oder von außen initiiert. Einige Tiere verbringen naturgemäß einige Phasen ihres Lebens in diesem Zustand. Lebende Organismen im Kälteschlaf oder Tiefschlaf sind auf der Schwelle zum Tod, aber Versuche an Tieren haben gezeigt, dass Tiere erfolgreich wiederbelebt werden können, ohne neurologische oder Gewebeschäden zu erleiden. Viele Forscher hoffen, dass dies auch für Menschen möglich ist. Sie hoffen, dass ein Kälteschlaf das Leben von Menschen rettet, die lebensbedrohliche Verletzungen oder Krankheiten wie Herzanschlag erleiden. Verletzte Personen erleiden möglicherweise erheblichen Blutverlust, was zu akutem Sauerstoffmangel führen kann, da Sauerstoff über das Blut zu den Organen transportiert wird, die ihn benötigen. In solchen Fällen können schwere neurologische und Gewebeschäden oder sogar der Tod die Folge von Sauerstoffmangel bei lebenswichtigen Organen wie beispielsweise dem Gehirn sein. Wenn eine verletzte Person in einem hypothermischen Zustand ist, muss der Körper nicht voll funktionstüchtig sein und der Sauerstoffbedarf ist gering. Das kann auch irreversible Schäden wie den Tod von Zellen und Gewebe verhindern, während Ärzte die notwendigen Schritte unternehmen, den Patienten zu retten. Das Herbeiführen einer therapeutischen Hypothermie kann für Extrazeit für verletzte oder kranke Patienten sorgen, um diese zu einer Versorgungseinrichtung zu transportieren oder um Notfallmaßnahmen zu ergreifen.

Lebewesen in einem hypothermischen Zustand überleben extrem niedrige Temperaturen. Es gibt Fälle, bei denen Menschen eine Unterkühlung durch eine selbstinduzierte Hypothermie überlebt haben. Menschen im hypothermischen Zustand können auch länger ohne Nahrung und Wasser als im normalen Zustand überleben. Embryos werden ebenfalls in einem solchen Zustand zu Zwecken der Fruchtbarkeitsbehandlung aufbewahrt und überleben mehr als zehn Jahre. Auch Astronauten können bei Langstreckenflügen hiervon profitieren.

Forscher führen derzeit Experimente an Tieren durch, in denen sie das Blut mit einer Salzlösung geringer Temperatur austauschen oder die Tiere in Kammern mit Chemikalien setzen, die einen hypothermischen Zustand induzieren. Diese Tiere werden dann mit statistisch bedeutenden Erfolgsraten wieder zum Leben erweckt. Seit 2008 werden Studien am Menschen durchgeführt.

Sieden von flüssigem Stickstoff

Kryonik

Wissenschaftler hoffen, dass das Konservieren toter Organismen, einschließlich des Mensches, in einer Niedrigtemperaturumgebung eine spätere Behandlung und Wiederbelebung ermöglicht. Diese Konservierung wird Kryokonservierung genannt und ist ein Gebiet der Kryonik. Die aktuelle Technologie ermöglicht die Kryokonservierung von Gewebe, Körperteilen oder ganzen Körpern. In der Regel wird eine Temperatur von 77 K oder –196 °C in diesem Prozess verwendet. Es ist der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff, der häufig verwendet wird, um komplexe Organismen einzufrieren. Diese Temperaturen sind zu niedrig, um biochemische Reaktionen zu erlauben, die einen Zelltod verursachen. Zahlreiche Komplikationen treten während des Gefrierprozesses auf, wie etwa Zellschädigung durch Eisbildung. Unter Verwendung der aktuellen Geriermethoden ist kryokonserviertes Gewebe schätzungsweise bis zu 1000 Jahre haltbar. Forscher denken, dass danach wahrscheinlich eine Schädigung der DNA auftritt, aber hoffen auf neue Technologien, die diese Schädigung rückgängig machen können.

Mehrere Kryonik-Unternehmen bieten postmortale Kryokonservierung von Haustieren und Menschen. Das Verfahren ist teuer und in der Vergangenheit gab es Probleme mit auftauenden Körpern. In einigen Fällen wird nur der Kopf konserviert, wobei Unternehmen für diesen Vorgang weniger berechnen, als bei der Konservierung eines vollständigen Körpers. Dies kann jedoch in der Zukunft ein finanzielles Problem darstellen: Wenn es die Technologie erlaubt, einen Körper wiederzubeleben, werden die Personen, bei denen lediglich der Kopf konserviert wurde, einen Gastkörper benötigen, was möglicherweise teurer ist, als das Wiederbeleben eines Körpers.

Temperatur bei der Essenszubereitung

Bei der Essenszubereitung wird häufig Wärme verwendet, um die Struktur von Nahrungskomponenten aufzubrechen oder zu verändern. Zum Beispiel führt Hitze dazu, dass das Muskelgewebe von Fleisch aufbricht und das Fleisch zarter wird. Die Kontrolle von Temperaturen bei der Nahrungszubereitung ist etwas, das nur von Menschen vorgenommen wird. Anthropologen sind sich einig, dass wir Hitze zum Kochen seit 250.000 Jahren einsetzen. Kalte Temperaturen werden ebenfalls in der Nahrungsmittelvorbereitung verwendet, zum Beispiel um Parasiten in Fisch zu töten, die roh als Sushi oder Sashimi gegessen werden. Industriegefrierer werden zu diesem Zweck eingesetzt, da ein Haushaltseisschrank nicht die gewünschten Temperaturen von etwa –37 °C erreicht.

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