Temperatur, Thermodynamisches Gleichgewicht und das Nullte Gesetz

Die Temperatur ist nicht nur ein Indikator für Kälte oder Wärme; sie ist eine fundamentale Größe, um zu verstehen, wie physikalische Systeme das Gleichgewicht erreichen. In diesem Zusammenhang spielt das Nullte Gesetz der Thermodynamik und seine Beziehung zur Temperaturmessung eine wesentliche Rolle, da es erklärt, warum Thermometer funktionieren und wie es möglich ist, verlässliche Skalen festzulegen. Dieses Prinzip, das scheinbar isolierte Körper verbindet, bildet die Grundlage für das Verständnis thermischer Phänomene, die sowohl die Wissenschaft als auch unser tägliches Leben beeinflussen. Begleiten Sie uns, um zu erkunden, wie dieses Konzept dem Verhalten von Wärme und Energie Sinn verleiht.

Lernziele:
Nach Abschluss dieser Einheit ist der Studierende in der Lage,

1. Zu verstehen, dass die Temperatur eine Größe ist, die mit dem thermodynamischen Gleichgewicht zusammenhängt.
2. Zu erklären, wie der Prozess der Thermalisation abläuft und warum er in physikalischen Systemen irreversibel ist.
3. Zu definieren, was thermodynamisches Gleichgewicht ist und wie es mit der Temperatur von Körpern zusammenhängt.
4. Zu analysieren, wie das Nullte Gesetz der Thermodynamik die Grundlage für die Temperaturmessung bildet.
5. Zu beschreiben, wie Thermometer funktionieren und warum sie von thermometrischen Eigenschaften abhängen.
6. Zu identifizieren, welche physikalischen Eigenschaften in verschiedenen Thermometertypen genutzt werden, wie elektrischer Widerstand und Wärmeausdehnung.

INHALTSVERZEICHNIS:
Thermodynamisches Gleichgewicht
Thermometer und Temperaturmessung

In den vorherigen Unterrichtseinheiten, als wir den Begriff der Wärme betrachteten, war es notwendig, in Begriffen der Temperatur zu sprechen, obwohl kaum oder gar nichts erklärt worden war, um diesen Begriff zu bestimmen. Nun beginnen wir damit, diese Lücke zu schließen, indem wir die Temperatur und das thermodynamische Gleichgewicht zwischen physikalischen Systemen behandeln.

Thermodynamisches Gleichgewicht

Wenn zwei Körper in Kontakt kommen, sprechen wir von einem Energieaustausch. Wie wir zuvor gesehen haben, ist Wärme eine „bestimmte thermische Energie im Übergang“. Darüber hinaus deuten Experimente darauf hin, dass Wärme in Abwesenheit externer Einflüsse immer vom heißeren Körper zum kälteren fließt. Daher ist zu erwarten, dass sich die in den Körpern enthaltene Energie und ihre Temperatur im Laufe der Zeit ändern.

Nach einiger Zeit im Kontakt hört der Wärmeaustausch auf. Wenn dies geschieht, sagt man, dass sich die Körper im thermodynamischen Gleichgewicht befinden und folglich die gleiche Temperatur haben.

Das Erste, was wir bei der Beobachtung dieses Phänomens feststellen, ist, dass es sich um einen irreversiblen Prozess handelt. Zwei Körper mit unterschiedlicher Temperatur werden beim Kontakt immer zum thermischen Gleichgewicht tendieren. Der umgekehrte Prozess tritt jedoch nicht ein, es sei denn, es wird eine äußere Kraft ausgeübt. Dieser Annäherungsprozess an das thermische Gleichgewicht wird als Thermalisation bezeichnet.

Das Nullte Gesetz der Thermodynamik

Es ist möglich, diese Ideen zu verallgemeinern auf viele Körper; das heißt, wenn mehrere Körper im thermischen Gleichgewicht stehen, wird erwartet, dass ihre Temperaturen gleich sind. Diese Idee wird im Nullten Gesetz der Thermodynamik festgehalten.

Wenn zwei Systeme jeweils für sich im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten stehen, dann befinden sie sich auch untereinander im thermischen Gleichgewicht.

Das Nullte Gesetz bildet die Grundlage für die Temperaturmessung: Wir bringen einen Körper, dessen Temperatur wir messen möchten, in Kontakt mit einem zweiten Körper, dessen Verhalten in Abhängigkeit von der Temperatur gut bekannt ist, und warten, bis sie das thermische Gleichgewicht erreichen. Der zweite Körper wird „Thermometer“ genannt. Das Nullte Gesetz gewährleistet, dass wir, wenn wir diesen zweiten Körper mit einem anderen Standardthermometer kalibriert haben, stets konsistente Ergebnisse erhalten. Wenn wir darüber nachdenken, lässt sich daraus eine intuitivere Formulierung des Nullten Gesetzes ableiten, die folgendermaßen lautet: „Thermometer funktionieren“.

Thermometer und Temperaturmessung

Im Hinblick auf das, was wir bisher betrachtet haben, können wir die folgenden Überlegungen zu Thermometern anstellen:

• Damit ein Thermometer korrekt funktioniert, muss seine Wärmekapazität deutlich geringer sein als die des Objekts, dessen Temperatur gemessen werden soll. Ist dies nicht der Fall, könnte der Messvorgang die Temperatur des Objekts beeinflussen.
• Thermometer basieren auf einer bestimmten thermometrischen Eigenschaft, um ihre Messungen vorzunehmen. Galileo verwendete ein Wasserthermometer, das auf der Wärmeausdehnung beruhte, Fahrenheit nutzte Thermometer auf Basis von Alkohol und Quecksilber. Andere Möglichkeiten bestehen darin, zu beobachten, wie sich der elektrische Widerstand eines Leiters in Abhängigkeit von der Temperatur verändert, die Wärmeausdehnung von Gasen zu verwenden (ausgehend von der idealen Gasgleichung) usw.

Thermometrische Eigenschaften

Alle diese Methoden nutzen eine Eigenschaft, die messbar ist, wie elektrischer Widerstand, Druck oder Größe, welche im Allgemeinen von einer komplizierten Funktion der Temperatur abhängen. Obwohl keine dieser Eigenschaften über ihren gesamten möglichen Bereich vollständig linear ist, besteht auch keine Notwendigkeit, den gesamten Bereich zu berücksichtigen; wenn der Bereich hinreichend eng ist, haben wir eine nahezu lineare Beziehung, die wir ausnutzen können.

Das Problem der absoluten Temperatur

Das Problem bei diesen Überlegungen ist, dass die Temperaturmessungen auf der Grundlage einer Skalierung einer bestimmten thermometrischen Eigenschaft erfolgen. Es handelt sich um relative Messungen. Daraus ergibt sich die Frage: Gibt es eine absolute Temperaturmessung? Im 19. Jahrhundert wurde dieses Problem durch ein Argument der „Carnot-Maschine“ gelöst. Später stellte sich heraus, dass die Temperatur in statistischen Begriffen definiert werden konnte, und dies ist die Definition, die wir heute verwenden. Um diese Ideen jedoch richtig zu überprüfen, ist es notwendig, zunächst die Konzepte von Mikro- und Makrozuständen zu betrachten.