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Temperatur

Obwohl der Begriff der Temperatur praktisch jedem absolut vertraut scheint, ist sein Verständnis erheblich schwieriger als z. B. das von Wärmeenergie. Da hier nicht auf recht komplizierte Überlegungen aus der Thermodynamik zurückgegriffen werden soll, betrachten wir nur einige zentrale Aspekte des Begriffs, ohne damit eine griffige Definition der Temperatur geben zu können:

• Wenn zwei Gegenstände in Wärmekontakt miteinander sind, fließt Wärmeenergie von dem Gegenstand mit der höheren Temperatur (d. h. von dem wärmeren) zum anderen (dem kälteren). Dieser Wärmefluss ist unumkehrbar (irreversibel), d. h. "freiwillig" fließt Wärme nie in die andere Richtung zurück.
• Wenn einem Gegenstand Wärme zugeführt wird, wird er im Allgemeinen dadurch wärmer, d. h. seine Temperatur nimmt zu. Entsprechend nimmt die Temperatur bei Wärmeentzug ab. In manchen Fällen führt jedoch die Wärmezufuhr oder -abfuhr nicht zu einer Temperaturänderung, z. B. wenn die Wärmeenergie für das Schmelzen von Eis verbraucht bzw. beim Erstarren frei wird (→ latente Wärme).
• Aufgrund der genannten Umstände wird der Wärmefluss zwischen zwei Körpern auf Dauer dazu führen, dass sich die Temperaturen immer mehr annähern. Wenn gleiche Temperaturen erreicht sind, versiegt der Wärmefluss.

Man kann die Temperatur eines Körpers also als ein Maß für seine Fähigkeit interpretieren, Wärme an einen anderen Körper abzugeben. Je höher die Temperatur eines Körpers, desto mehr Wärme ist ihm gespeichert – wobei diese Wärmemenge aber nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der Größe und Beschaffenheit des Körpers abhängt, ggf. auch von seinem Aggregatszustand.

Ein Wärmefluss von einem kälteren zu einem wärmeren Körper kann "erzwungen" werden durch Einsatz einer Wärmepumpe, die dafür jedoch Antriebsenergie (Exergie) benötigt.

Celsius-Temperatur und absolute Temperatur

Im Alltag werden Temperaturen in aller Regel mit der Celsius-Skala angegeben. Hier ist 0 °C (0 Grad Celsius) definiert durch den Schmelzpunkt von Wasser und 100 °C durch den Siedepunkt (bei Normaldruck). In den USA wird noch die Fahrenheit-Skala benutzt, obwohl diese Einheit nicht zum internationalen Einheitensystem SI gehört. 0 °F entsprechen −17,8 °C, 100 °F entsprechen 37,8 °C.

Die Temperatur eines Gegenstands kann im Prinzip beliebig hoch werden, abgesehen davon, dass der Gegenstand dabei früher oder später zerstört wird. Andererseits gibt es nicht beliebig niedrige Temperaturen, sondern einen absoluten Temperaturnullpunkt, der bei ca. −273,15 °C liegt. Bei dieser Temperatur kann ein Körper keinerlei Wärme mehr abgeben; man kann sich vereinfacht vorstellen, dass hier keinerlei mikroskopisches Vibrieren der einzelnen Atome des Gegenstands mehr stattfindet. Gemäß der Quantentheorie ist dieses Bild allerdings nicht ganz richtig; es gibt auch am absoluten Temperaturnullpunkt noch Quantenfluktuationen.

Die absolute Temperatur eines Gegenstands ist sozusagen der Abstand seiner Temperatur vom absoluten Nullpunkt. Man gibt sie meistens in Kelvin (K) an, wobei die Kelvin-Schritte gleich groß sind wie die Schritte auf der Celsius-Skala. Der absolute Nullpunkt liegt also bei 0 K = −273,15 °C, der Schmelzpunkt von Wasser bei 273,15 K = 0 °C, der Siedepunkt von Wasser bei 373,15 K = 100 °C, usw. Absolute Temperaturen sind relevant z. B. im Zusammenhang mit dem Carnot-Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine.

Temperaturänderungen oder -unterschiede sollten für technische Korrektheit im Prinzip immer in Kelvin angegeben werden, nicht in Grad Celsius. Deswegen ist z. B. die Einheit des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werts) W / (m² K) = Watt pro Quadratmeter und Kelvin. Durch Wärmeleitung entstehende Wärmeströme z. B. durch eine Hauswand oder ein Wärmedämmsystem sind in aller Regel proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten (außen und innen).

Temperatur, Exergie und Entropie

Die Temperatur, bei der Wärme geliefert wird, bestimmt über den Exergie-Gehalt dieser Wärme. Hochtemperaturwärme besitzt einen hohen Exergie-Anteil, und dies bedeutet, dass sie im Prinzip mit hohem Wirkungsgrad in mechanische Energie umgewandelt werden könnte. Für Niedertemperaturwärme (z. B. Heizwärme) ist dies nicht der Fall; es handelt sich um Energie einer niedrigeren Wertigkeit.

Die thermodynamisch optimierte Beheizung von Gebäuden setzt auf eine Heizungsanlagen, die mit einer möglichst geringen Vorlauftemperatur arbeiten, weil dies den Exergiegehalt der benötigten Heizwärme niedrig hält. Auf diese Weise kann die Heizwärme mit Wärmepumpen besonders energieeffizient bereitgestellt werden. Man erkennt, dass für die Energieeffizienz nicht nur die Menge der benötigten Heizwärme eine Rolle spielt, sondern auch das Temperaturniveau. Ähnliches gilt für andere Wärmeanwendungen.

Wenn einem Körper auf reversible Weise eine Wärmemenge <$Q$> zugeführt wird, so steigt seine Entropie um <$Q / T$>. Die Entropiezunahme ist also umso größer, je tiefer die Temperatur des Körpers ist.

Messung von Temperaturen

Die Temperatur von Gegenständen wird häufig dadurch gemessen, dass man sie mit einem Thermometer in Wärmekontakt bringt, welches dadurch in kurzer Zeit auf die gleiche Temperatur gebracht wird. Gängige Typen von Thermometern nutzen z. B. die Temperaturabhängigkeit des Volumens einer Flüssigkeit für die Anzeige auf einer Temperaturskala aus. Bimetallthermometer basieren auf der temperaturabhängigen Verbiegung eines Stabs aus zwei Komponenten mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung. Ebenfalls gibt es diverse Arten von elektronische Temperatursensoren, die unterschiedliche physikalische Effekte ausnutzen können, z. B. die Temperaturabhängig der elektrischen Leitfähigkeit gewisser Substanzen.

Temperaturen können auch kontaktlos gemessen werden, meist durch Vermessung der Wärmestrahlung, die von einem Gegenstand ausgeht. Dieses Prinzip wird in Infrarotthermometern (siehe Abbildung 1 rechts) genutzt. Es liegt auch der Thermografie mit einer Infrarotkamera zugrunde, die z. B. die Temperaturverteilung auf einer Gebäudehülle anzeigen kann und dadurch hilft, z. B. Wärmebrücken zu erkennen. Ein Haus mit hochwertiger Wärmedämmung weist im Winter eine niedrige Temperatur der äußeren Oberfläche auf, weil kaum Wärme aus den warmen Räumen nach außen dringt.

Temperatur und Wohlbefinden

Der menschliche Körper wird zumindest im Kern auf einer ziemlich genau konstanten Temperatur von ca. 37 °C gehalten. Wenn dies einmal nicht mehr gelingt – z. B. durch zu starke Wärmezufuhr oder -abfuhr – und die Körpertemperatur nur um wenige Grade von diesem Sollwert abweicht, liegt ein ernstes Problem vor, welches schnell zum Tod führen kann. Dies ist an sich erstaunlich, da der "Wohlfühlbereich" und der mit dem Überleben verträgliche Temperaturbereich nur einem winzigen Bereich von absoluten Temperaturen entspricht.

Da im Körper ständig Wärme entsteht und diese abgeführt werden muss, um die Temperatur zu halten, sollte die Umgebung etwas kühler sein – ohne Kleidung etwa 25 bis 30 °C, mit Kleidung eher 20 °C. Der Körper gibt dann mehr Wärmestrahlung ab, als er von der Umgebung aufnimmt, und gibt auch Wärme an die umgebende Luft ab. Außerdem verbraucht die Verdunstung von Wasser auf der Haut und in der Lunge weitere Wärme; dieser Effekt kann durch Schwitzen verstärkt werden, was dem Körper zur Temperaturregulation dient. Diese Form der Wärmeabfuhr funktioniert freilich bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit nicht mehr gut – daher die Neigung zu verstärktem Schwitzen bei "schwülem" (warm-feuchtem) Wetter. Eine Klimaanlage, die Luft sowohl kühlt als auch entfeuchtet, dient dann dem Wohlbefinden.

Siehe auch: Thermodynamik, Wärme, Wärmekapazität, Vorlauftemperatur, Thermografie, Kelvin, Wärmepumpe, Carnot-Wirkungsgrad, Thermostat