Temperatur

Temperatur, eine Eigenschaft, mit der sich der thermische Zustand eines Systems bzw. Körpers beschreiben lässt. Der physikalischen Definition zufolge ist die Temperatur eine Zustandsgröße, die Systeme oder Körper im so genannten thermodynamischen Gleichgewicht charakterisiert (siehe Thermodynamik). Der physikalische Begriff Temperatur entstand, als man Wärmeunterschiede von Körpern messen wollte. Man erkannte, dass ein Körper (solange er nicht schmilzt oder siedet) heißer wird, wenn man ihm Wärme zuführt. Haben zwei Körper unterschiedliche Temperaturen und befinden sie sich in engem Kontakt miteinander, so fließt Wärme vom heißeren zum kühleren Körper, bis beide dieselbe Temperatur haben. In diesem Fall ist ein thermisches Gleichgewicht erreicht (siehe Wärmeübertragung). Der Begriff Temperatur muss deutlich von dem Begriff Wärme unterschieden werden. Die Temperatur ist eine Eigenschaft des betreffenden Körpers, und in einem Gleichgewichtssystem nimmt sie überall denselben Wert an. In der Physik bezeichnet man die Temperatur deshalb auch als intensive Größe. Dagegen ist Wärme eine Energiemenge, die sich in den Körpern befindet oder aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen ihnen fließt.

Temperaturänderungen lassen sich über die Änderungen bestimmter Eigenschaften von Substanzen messen. Beim gewöhnlichen Quecksilberthermometer nutzt man die Wärmeausdehnung von Quecksilber aus. Die Flüssigkeit befindet sich in einer dünnen Kapillare. Durch diese Maßnahme lässt sich die Ausdehnung viel besser erkennen. Die Höhe der Quecksilbersäule im Röhrchen ist dabei ein Maß für die Temperatur. Wenn man ein ideales Gas erwärmt, das sich in einem Behälter mit konstantem Volumen befindet, so steigt bei Temperaturerhöhung der Druck des Gases. Hier kann man also mit Hilfe der Druckmessung die Temperatur(änderung) ermitteln. Dieser Methode liegt das Gay-Lussac-Gesetz zugrunde. Es besagt, dass Druck und absolute Temperatur eines idealen Gases zueinander proportional (verhältnisgleich) sind.

Eine der ältesten Temperaturskalen wurde von dem deutschen Physiker Gabriel Daniel Fahrenheit aufgestellt. Sie wird heute noch in den angelsächsischen Ländern im Alltag angewandt. Bei ihr ist der Gefrierpunkt (bzw. Schmelzpunkt) von Wasser bei Normaldruck (100 Kilopascal oder 1,013 bar) als 32 °Fahrenheit festgelegt, und der Siedepunkt des Wassers liegt bei 212 °Fahrenheit. Die weitaus gebräuchlichere Celsius-Skala wurde von dem schwedischen Astronomen Anders Celsius aufgestellt. Hier entspricht der Schmelzpunkt von Eis 0 °Celsius und der Siedepunkt von Wasser 100 °Celsius. Dieser Temperaturbereich ist in 100 gleich große Teile (Grad Celsius) aufgeteilt, und es können auch höhere und tiefere Temperaturen in dieser Einheit angegeben werden. Für wissenschaftliche Zwecke verwendet man heute Thermodynamische oder auch Absolute Temperaturskalen, weil sie vom absoluten Nullpunkt der Temperatur (s. u.) ausgehen. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die Kelvin-Skala zu nennen. Sie wurde nach dem englischen Mathematiker und Physiker William Thomson Lord Kelvin benannt. Hier entspricht der absolute Temperaturnullpunkt (also 0 Kelvin) einer Temperatur von –273,15 °Celsius. Die Einheiten K (Kelvin) und °C (Grad Celsius) sind gleich groß, so dass gleiche Temperaturdifferenzen in beiden Skalen denselben Wert haben.

Die Temperatur ist eine derjenigen Größen, von denen es abhängt, ob Leben oder Überleben möglich ist. Der Temperaturbereich, innerhalb dessen die Körpertemperatur liegen muss, ist bei Vögeln, Säugetieren und auch beim Menschen sehr klein. Deshalb muss der Organismus gegen zu hohe oder zu tiefe Temperaturen geschützt werden. Wasserlebewesen können ebenfalls nur in einem gewissen Temperaturbereich leben, der ebenfalls von der Art abhängt. Die Temperatur dieser Lebewesen entspricht jeweils der Wassertemperatur, die sich also nicht zu stark ändern darf. Nimmt beispielsweise die mittlere Temperatur eines Flusses auch nur um einige Grad Celsius zu, dann können zahlreiche Fische oder andere Lebewesen nicht mehr überleben. Diese schädlichen Umwelteinflüsse können beispielsweise durch Wärmeabgabe von Kraftwerken oder in Verbindung mit der Wasserverschmutzung aus anderen Ursachen entstehen.

Auch die Eigenschaften aller Substanzen sind mehr oder weniger stark temperaturabhängig. Zum Beispiel wird bei arktischen Temperaturen Stahl ziemlich spröde und kann leicht brechen. Die meisten Flüssigkeiten gefrieren beim Abkühlen oder werden zäher, d. h., ihre Viskosität nimmt zu. Beim Fließen müssen die Flüssigkeitsmoleküle in kälterem Zustand einen größeren Reibungswiderstand überwinden. Bei sehr tiefen Temperaturen, vor allem nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt, nehmen manche Substanzen und Materialien ganz besondere Eigenschaften an (siehe Tiefsttemperaturtechnik). In diesem Zusammenhang seien die Phänomene Supraleitung, Supraleitfähigkeit und Suprafluidität erwähnt. Bei ausreichend hoher Temperatur werden Festkörper flüssig oder gar gasförmig, und chemische Verbindungen können sich zersetzen.

Die Temperatur der Erdatmosphäre wird von den Meeren oder Landmassen darunter stark beeinflusst. Im Januar sind beispielsweise die großen Landmassen der Nordhalbkugel viel kälter als die Meere in den jeweils gleichen Breiten. Im Juli ist die Situation gerade umgekehrt. In nicht zu großer Höhe wird die Lufttemperatur vor allem durch die Temperatur der Erdoberfläche bestimmt. Die periodischen Temperaturänderungen entstehen durch die sich ändernden Einstrahlwinkel der Sonne während der jeweiligen Jahreszeit. Zusätzlich fällt die Sonnenstrahlung um so flacher auf die Erde, je größer die geographische Breite ist: Es ist im Durchschnitt um so kälter, je näher man den Polen kommt. Weiterhin hängt die Temperatur der Atmosphäre sehr stark von der Höhe über der Erdoberfläche ab. Bis zu einer gewissen Grenze ist es um so kälter, je höher man steigt oder fliegt. In gemäßigten Breiten liegt die mittlere Lufttemperatur auf Meereshöhe bei rund 15,5 °Celsius, und in einer Höhe von 11 000 Metern beträgt sie nur noch –55 °Celsius. Zu noch größeren Höhen hin (bis auf ca. 33 500 Meter) bleibt die Temperatur nahezu konstant. Zum Einfluss der Temperatur auf die Luftfeuchtigkeit siehe Feuchtigkeit