Physik Realschule Bayern › Materie › Jahrgangsstufe 8
Temperatur und Teilchenmodell
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 8 · Bayern · Teilbereich Materie
Im Lernbereich Wärmelehre der 8. Jahrgangsstufe deuten Lernende Temperatur, innere Energie und Wärme mit dem Teilchenmodell und rechnen zwischen Grad Celsius und Kelvin um. Das Teilchenmodell und die Kelvin-Skala werden in der 9. und 10. Jahrgangsstufe bei Gasen, Wärmekapazität und Kernphysik wieder gebraucht.
Das Teilchenmodell
Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen (Atomen und Molekülen), die ständig in Bewegung sind. Dieses Teilchenmodell erklärt viele Erscheinungen der Wärmelehre. Die Teilchen bewegen sich nicht geordnet, sondern regellos; je wärmer der Stoff, desto schneller.
Die drei Aggregatzustände unterscheiden sich darin, wie die Teilchen angeordnet sind und wie frei sie sich bewegen:
| Zustand | Anordnung der Teilchen | Form und Volumen |
| fest | dicht, in einem festen Gitter, schwingen am Platz | feste Form, festes Volumen |
| flüssig | dicht, aber gegeneinander verschiebbar | keine feste Form, festes Volumen |
| gasförmig | weit auseinander, fliegen frei umher | füllt den ganzen Raum aus |
Innere Energie, Temperatur und Wärme
Weil sich die Teilchen bewegen und untereinander Kräfte ausüben, hat jeder Körper eine innere Energie: die Summe der Bewegungs- und Lageenergien aller seiner Teilchen. Erwärmt man einen Körper, bewegen sich seine Teilchen schneller, die innere Energie nimmt zu.
Merke: Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen im Mittel. Wärme ist die Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds von einem Körper auf einen anderen übertragen wird.
Temperatur messen: Celsius und Kelvin
Temperaturen werden in Deutschland in Grad Celsius \((^\circ\mathrm{C})\) angegeben. Die Celsius-Skala hat zwei feste Punkte: Bei \(0\,^\circ\mathrm{C}\) gefriert Wasser, bei \(100\,^\circ\mathrm{C}\) siedet es (bei normalem Luftdruck).
In der Physik verwendet man zusätzlich die Kelvin-Skala. Ihr Nullpunkt ist der absolute Nullpunkt bei \(-273{,}15\,^\circ\mathrm{C}\). Tiefer geht es nicht, denn dort stünden die Teilchen fast still. Die Schrittweite ist bei beiden Skalen gleich: Eine Temperaturänderung von \(1\,\mathrm{K}\) ist genauso groß wie eine von \(1\,^\circ\mathrm{C}\). Deshalb gilt:
\( T\;\text{in K}=\vartheta\;\text{in }^\circ\mathrm{C}+273{,}15 \)
Beispiel 1: Celsius in Kelvin umrechnen
Die Lufttemperatur beträgt an einem heißen Tag \(35\,^\circ\mathrm{C}\), in einem Gefrierschrank \(-18\,^\circ\mathrm{C}\). Wie viel Kelvin sind das?
Gegeben: \(\vartheta_1=35\,^\circ\mathrm{C}\), \(\vartheta_2=-18\,^\circ\mathrm{C}\)
Gesucht: \(T_1\), \(T_2\) in Kelvin
Formel: \(T=\vartheta+273{,}15\)
\( T_1=35+273{,}15=308{,}15\,\mathrm{K}\qquad T_2=-18+273{,}15=255{,}15\,\mathrm{K} \)
Antwort: Die Werte sind \(308{,}15\,\mathrm{K}\) und \(255{,}15\,\mathrm{K}\). Kelvin-Werte sind nie negativ, weil der absolute Nullpunkt die tiefste mögliche Temperatur ist.
Beispiel 2: Kelvin in Celsius
Flüssiger Stickstoff siedet bei \(77\,\mathrm{K}\). Welcher Celsius-Temperatur entspricht das?
Gegeben: \(T=77\,\mathrm{K}\)
Gesucht: \(\vartheta\) in \(^\circ\mathrm{C}\)
Formel: \(\vartheta=T-273{,}15\)
\( \vartheta=77-273{,}15=-196{,}15\,^\circ\mathrm{C} \)
Antwort: Das sind etwa \(-196\,^\circ\mathrm{C}\), also sehr kalt. Bei einer Temperaturdifferenz spielt die Umrechnung keine Rolle: \(10\,\mathrm{K}\) Unterschied sind \(10\,^\circ\mathrm{C}\) Unterschied.
Beispiel 3: Temperatur und Teilchenbewegung
Warum lösen sich ein Teebeutel oder ein Stück Zucker in heißem Wasser schneller auf als in kaltem?
Antwort: Im heißen Wasser bewegen sich die Teilchen schneller und stoßen häufiger gegen die gelösten Teilchen. Dadurch verteilen sich diese schneller im Wasser. Diese selbstständige Durchmischung durch die Teilchenbewegung heißt Diffusion.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- 273 statt 273,15: Für genaue Umrechnungen den vollen Wert \(273{,}15\) verwenden; in einfachen Aufgaben wird oft mit \(273\) gerechnet, dann aber einheitlich.
- Temperaturdifferenz umgerechnet: Bei Unterschieden sind Kelvin und Grad Celsius gleich groß; nur bei einzelnen Temperaturwerten muss man \(273{,}15\) addieren.
- Negative Kelvin-Werte: Es gibt keine. Der absolute Nullpunkt bei \(0\,\mathrm{K}\) ist die Untergrenze.
- Wärme und Temperatur verwechselt: Temperatur ist ein Zustand (Maß für die Teilchenbewegung), Wärme ist übertragene Energie.
- „Kälte strömt herein.“ Es wird immer Wärme übertragen, und zwar vom wärmeren zum kälteren Körper. „Kälte“ ist keine eigene Größe.
Üben: Aufgaben zu Temperatur und Teilchenmodell
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zum Umrechnen von Temperaturen, zum Teilchenmodell und zu den Aggregatzuständen, mit Lösungsweg und als PDF druckbar.
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