Übersicht
Temperatur ist ein Maß für den Grad der Wärme in einem Objekt oder einer Materie. Sie kann auch als die durchschnittliche Menge an kinetischer Energie in den Teilchen, aus denen das Objekt oder die Materie besteht, definiert werden. Energie wird zwischen Objekten und Materie mit höherer Temperatur auf solche mit niedrigerer Temperatur übertragen, bis sich die Temperaturen im thermischen Gleichgewicht befinden. Dies wird als Wärmeleitung bezeichnet. Wenn Sie z. B. im Winter das Fenster öffnen, gibt die Luft im Raum Wärme an die Straße ab, bis die Temperatur im Raum die gleiche ist wie draußen. Materialien sind unterschiedlich empfindlich gegenüber dieser Wärmeübertragung, der sogenannten Wärmeleitfähigkeit. Einige Materialien sind widerstandsfähiger gegenüber der Wärmeleitfähigkeit als andere. Das bedeutet, dass sie Wärme nicht so gut übertragen wie andere Materialien. Materialien mit geringer Leitfähigkeit werden zur Wärmedämmung verwendet.
Temperatur wird mit einem Thermometer gemessen, und die niedrigste mögliche Temperatur ist -273,15°C.
Einheiten
Temperatur wird in Grad gemessen, aber es gibt drei verschiedene Skalen: Celsius (die gebräuchlichste Skala), Fahrenheit (wird in den USA und einigen anderen Ländern verwendet) und Kelvin (wird in der Wissenschaft verwendet). Kelvin- und Celsius-Skala haben unterschiedliche Punkte, die als Nullpunkt festgelegt sind. Bei Celsius ist es die Temperatur des gefrierenden Wassers, während es bei Kelvin die niedrigste mögliche Temperatur ist, also -273,15°C. Die Fahrenheit-Skala unterscheidet sich nicht nur durch den als Nullpunkt gesetzten Punkt, sondern verwendet auch eine andere Inkrementierungsformel. Um Grad Celsius in Fahrenheit umzurechnen, kann die folgende Formel verwendet werden:
°C = 5⁄9 (°F – 32).
Der Gefrierpunkt von Wasser entspricht 32°F.
Die SI-Einheit für die Temperatur ist ein Grad in der Kelvinskala und wird Kelvin (K) genannt.
Temperatur in Physik und Chemie
Die Temperatur bestimmt den Zustand der Materie, wie Plasma, Gas, Flüssigkeit oder Feststoff. Die Moleküle schwingen in der Materie, und mit steigender Temperatur erhöht sich die kinetische Energie und die Geschwindigkeit der Moleküle. Die Moleküle schwingen mehr und entfernen sich weit genug voneinander, um den Zustand von fest über flüssig zu gasförmig zu ändern. Der Abstand zwischen den Molekülen und die kinetische Energie, die sie speichern, ist in Gasen am größten und in Festkörpern am geringsten. Materialien, die ihren Zustand bei hohen Temperaturen nicht ändern, werden als feuerfeste Materialien bezeichnet. Zum Beispiel ändern die meisten Keramiken ihren festen Zustand nicht, selbst wenn sie sehr hohen Temperaturen bis zu 1000°C ausgesetzt werden. Einige Materialien schmelzen und werden zu Flüssigkeiten, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden, während andere, wie z. B. Holz, verbrennen. Der Temperaturbereich, in dem Materie in flüssiger Form existieren kann, ist normalerweise recht klein. Das Erhitzen eines Gases führt dazu, dass sich die Atome in geladene Teilchen, Ionen und Elektronen, aufspalten – ein Prozess, der Ionisation genannt wird. Teilweise oder vollständig ionisiertes Gas wird als Plasma bezeichnet; es ist ein elektrisch neutrales System. Die meiste Materie im Universum liegt in Plasmaform vor.
Die Temperatur beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit und dient als Katalysator für chemische Reaktionen. Sie können durch Temperaturänderungen beschleunigt oder verlangsamt werden.
Dreifachpunkt des Wassers
Der Dreifachpunkt des Wassers ist die Temperatur und der Druck, bei denen seine drei Phasen (Dampf, flüssiges Wasser und Eis) im thermodynamischen Gleichgewicht koexistieren. Die einzige Kombination von Druck und Temperatur, bei der flüssiges Wasser, festes Eis und Wasserdampf in einem stabilen Gleichgewicht koexistieren können, liegt bei genau 0,01 °C (273,16 K) und einem Dampfpartialdruck von 611,73 Pa. An diesem Punkt ist es möglich, die gesamte Substanz durch beliebig kleine Änderungen von Druck und Temperatur in Dampf, Wasser oder Eis umzuwandeln.
Der Dampf-Flüssigwasser-Eis-Tripelpunkt von Wasser entspricht dem minimalen Druck, bei dem flüssiges Wasser existieren kann. Bei Drücken unterhalb des Tripelpunkts (wie im Weltraum) sublimiert festes Eis beim Erhitzen unter konstantem Druck direkt zu Wasserdampf. Oberhalb des Tripelpunkts schmilzt festes Eis, wenn es bei konstantem Druck erwärmt wird, zunächst zu flüssigem Wasser und verdampft oder siedet dann zu Wasserdampf bei einer höheren Temperatur.
Der Tripelpunkt von Wasser wird manchmal bei der Kalibrierung von Messgeräten und Thermometern verwendet. Zu diesem Zweck werden Tripelpunkt-Wasserzellen verwendet. Diese Zellen liefern die Temperatur genau 273,16 К (0,01° С).
Effektive Temperatur
Die effektive Temperatur eines Körpers ist die Temperatur eines schwarzen Körpers, der pro Flächeneinheit seiner Oberfläche so viel Energie abstrahlen würde, wie von jeder Flächeneinheit der Oberfläche eines Körpers abgestrahlt wird.
Ein schwarzer Körper ist ein Körper, der die gesamte Strahlung des gesamten Spektrums, die mit seiner Oberfläche in Berührung kommt, absorbiert.
Wir können diese Temperatur mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes berechnen, das besagt, dass die Leistung der Strahlung eines schwarzen Körpers proportional zur vierten Potenz der Temperatur ist. Für die Erde beträgt dieser Wert zum Beispiel etwa 250 K oder -23 °C, gleichzeitig wissen wir aber, dass die durchschnittliche Temperatur der Erdoberfläche im Allgemeinen höher ist, etwa +15 °C. Diese Unstimmigkeit zwischen der tatsächlichen und der effektiven Temperatur lässt sich erklären, wenn man die Atmosphäre der Erde betrachtet, die einen Treibhauseffekt verursacht und verhindert, dass die Erde diese Wärme verliert. So sind 250 K die Temperatur der oberen Atmosphärenschichten. Das heißt, die effektive Temperatur der Erde ist die Temperatur, die vom Weltraum aus gesehen wird.
Wenn wir die effektive Temperatur eines Sterns kennen, können wir seine Spektralklasse finden, oder anders gesagt – den Bereich der Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, die er aussendet. Die effektive Temperatur der Sonne beträgt etwa 6000 K und der Maximalwert für die Strahlung liegt bei 470 nm, was dem grünen Spektralbereich entspricht, auch wenn sie uns gelb erscheint.
Temperaturen im Universum
Wenn wir über Temperaturen im Universum sprechen, ist die Bandbreite dieser Temperaturen sehr groß und reicht von extrem niedrigen bis zu extrem hohen Temperaturen.
Zum Beispiel beträgt die effektive Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, der die Reststrahlung des Urknalls ist, nur 2,7 K. Dieser Wert liegt sehr nahe am absoluten Nullpunkt.
Auf der anderen Seite können die Temperaturen von Sternen bis zu 40.000 K erreichen. Der Radius dieser Sterne ist in der Regel sehr groß, zehn oder mehr Mal so groß wie der Radius der Sonne. Ein Beispiel für einen solchen Stern ist Alnitak A, ein blauer Überriese im Sternbild Orion. Sein Durchmesser beträgt das 20-fache des Durchmessers der Sonne.
Die Temperaturen im Kern von Sternen sind noch höher, denn diese extremen Temperaturen sind notwendig, damit die thermonuklearen Reaktionen ablaufen können. Zum Beispiel ist eine sehr hohe Energie im Kern die Voraussetzung für die Reaktion, die leichtere Elemente in schwerere umwandelt. Daher ist eine extrem hohe Temperatur erforderlich. Die Temperatur im Kern unserer Sonne erreicht 15.000.000 K.
Temperatur in der Biologie
Die Temperatur beeinflusst die biologischen Prozesse von Lebensformen. Komplexe Organismen haben ein Kontrollzentrum, um die Temperatur konstant zu halten, und sie nutzen Schwankungen der Körpertemperatur auch als Abwehrmechanismen. Um zum Beispiel Bakterien oder Viren zu eliminieren, wenn sie von ihnen infiziert werden, erhöht der Mensch seine Körpertemperatur über das Maß hinaus, das die eindringenden Organismen tolerieren können. In einem anderen Beispiel unterdrücken Nagetiere sowie einige Säugetiere wie Bären Stoffwechselprozesse, senken die Körpertemperatur und verlangsamen Atmung und Herzfrequenz. Dieser Prozess wird als Dormanz bezeichnet und ist ein Überlebensmechanismus für Jahreszeiten, in denen keine oder nur wenig Nahrung zur Verfügung steht. Einige Beispiele für den Winterschlaf sind der Winterschlaf und der Winterschlaf im Sommer. Winterschlafende Tiere haben manchmal sehr niedrige Temperaturen, sogar unter 0°C. Zum Beispiel kann die Bauchtemperatur von arktischen Eichhörnchen -2,9°C erreichen. Auch Pflanzen werden in kalten Klimazonen schlafend.
Suspended Animation
Die Verlangsamung des Stoffwechsels in lebenden Organismen, ohne deren Leben zu beenden, wird Suspended Animation genannt. Es kann ein selbst herbeigeführter Zustand sein, oder er kann von außen herbeigeführt werden. Einige Tiere befinden sich in manchen Lebensphasen auf natürliche Weise in diesem Zustand. Lebende Organismen in Suspended Animation befinden sich am Rande des Todes, aber Tierversuche haben gezeigt, dass Tiere erfolgreich wieder zum Leben erweckt werden können, ohne neurologische oder Gewebeschäden. Es ist die Hoffnung vieler Forscher, dass dies auch für Menschen möglich ist. Forscher glauben, dass die Scheintodanimation die Rettung von Menschen mit lebensbedrohlichen Verletzungen und Gesundheitsproblemen, wie z. B. Herzinfarkten, ermöglichen wird. Verletzte Menschen leiden in der Regel unter starkem Blutverlust, was zu akutem Sauerstoffmangel führt, denn Blut transportiert Sauerstoff im Körper zu den Organen, die ihn benötigen. In solchen Fällen sind schwere neurologische und Gewebeschäden und sogar der Tod oft eine Folge des Sauerstoffmangels in lebenswichtigen Organen, einschließlich des Gehirns. Wenn sich eine verletzte Person im Scheintod befindet, muss der Körper nicht mit voller Kapazität arbeiten, und der Bedarf an Sauerstoff wird minimal. Dadurch wird auch verhindert, dass irreversible Schäden, wie das Absterben von Zellen und Gewebe, auftreten, während das medizinische Personal die notwendigen medizinischen Maßnahmen zur Rettung des Patienten durchführt. Suspended Animation kann zusätzliche Zeit verschaffen, um verletzte und kranke Patienten in eine Pflegeeinrichtung zu transportieren und eine Notfallbehandlung durchzuführen.
Lebewesen in Suspended Animation überleben extrem niedrige Temperaturen, und es sind Fälle bekannt, in denen Menschen eine Unterkühlung durch selbst herbeigeführte Suspended Animation überlebt haben. Es ist auch bekannt, dass Menschen im Zustand der Unterkühlung längere Zeit ohne Nahrung und Wasser überleben können, als dies im normalen Zustand möglich ist. Auch Embryonen werden für Fruchtbarkeitsbehandlungen in diesem Zustand gelagert und können länger als zehn Jahre überleben. Auch Astronauten können bei Langstreckenflügen davon profitieren.
Forscher führen derzeit Versuche an Tieren durch, indem sie deren Blut durch Kochsalzlösungen mit niedriger Temperatur ersetzen oder sie in Kammern mit Chemikalien legen, die einen Scheintod herbeiführen. Die Tiere werden dann mit statistisch signifikanten Erfolgsquoten zum Leben erweckt. Seit 2008 werden auch Studien am Menschen durchgeführt.
Kryonik
Die Hoffnung der Wissenschaftler ist, dass die Konservierung von toten lebenden Organismen, einschließlich des Menschen, in einer Tieftemperaturumgebung eine zukünftige Behandlung und Wiederbelebung ermöglicht. Diese Konservierung wird Kryokonservierung genannt, und die Disziplin, die sich damit beschäftigt, heißt Kryonik. Die derzeitige Technologie ermöglicht die Kryokonservierung von Gewebe, Teilen oder einem ganzen Körper. Normalerweise wird bei diesem Prozess eine Temperatur von etwa 77 K oder -196°C verwendet. Das ist der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff, der Substanz, die häufig zum Einfrieren komplexer Organismen verwendet wird. Diese Temperaturen sind zu niedrig, um biochemische Reaktionen zu ermöglichen, die zum Zelltod führen. Beim Einfrieren treten oft zahlreiche Komplikationen auf, wie z. B. Zellschäden durch Eisbildung. Mit den derzeitigen Einfriermethoden kann kryokonserviertes Gewebe schätzungsweise bis zu 1000 Jahre überdauern. Forscher vermuten, dass jenseits dieses Punktes wahrscheinlich DNA-Schäden auftreten werden, hoffen aber, dass bis dahin neue Technologien zur Verfügung stehen, um diese Schäden rückgängig zu machen.
Sehr viele Kryonik-Firmen bieten inzwischen die postmortale Kryokonservierung von Haustieren und Menschen an. Der Prozess ist kostspielig und es gab in der Vergangenheit Probleme mit auftauenden Körpern. In einigen Fällen wird nur der Kopf kryokonserviert, und die Unternehmen berechnen für dieses Verfahren in der Regel weniger als für die Konservierung des ganzen Körpers. Das stellt in der Zukunft ein potenzielles finanzielles Problem dar, denn wenn die Technologie vorhanden ist, um den Körper wiederzubeleben, dann brauchen die Nur-Kopf-Individuen einen Wirtskörper – was potenziell teurer ist als die Wiederbelebung eines Körpers.
Temperatur beim Kochen
Beim Kochen wird oft Hitze verwendet, um die Struktur der Nahrungsbestandteile aufzubrechen oder zu verändern. Zum Beispiel bricht die Hitze das Muskelgewebe von Fleisch auf und macht es zarter. Die Steuerung von Temperaturen bei der Nahrungszubereitung ist etwas, das nur Menschen tun, und Anthropologen sind sich einig, dass wir seit 250.000 Jahren Hitze zum Kochen verwenden. Auch kalte Temperaturen werden bei der Lebensmittelzubereitung eingesetzt, zum Beispiel um Parasiten in Fisch abzutöten, der roh als Sushi oder Sashimi verzehrt werden soll. Hierfür werden industrielle Gefrierschränke verwendet, da die heimischen Gefrierschränke nicht die gewünschten Temperaturen von etwa -37 °C erreichen.