ZU DEN KURSEN!

Physik - Einheiten: Kelvin und Celsius

Kursangebot | Physik | Einheiten: Kelvin und Celsius

Physik

Einheiten: Kelvin und Celsius

In den Naturwissenschaften gibt es verschiedene Temperaturskalen, die im Laufe der Zeit entwickelt wurden. Wir betrachten in diesem Abschnitt die zwei wichtigsten Temperaturskalen: Die Kelvin- und Celsius-Skalen. Die Fahrenheit-Skala wird in diesem Kurs nicht näher betrachtet.

Thermometer mit Celsius-Skala
Thermometer mit Celsius-Skala

Celsius-Skala

Die Celsius Skala sollte allen bekannt sein. Wir finden sie in jedem haushaltsüblichen Thermometer. Die Celsius-Skala bezieht sich auf zwei Fixpunkte:

  • Den Schmelzpunkt/Gefrierpunkt des Wasser und
  • den Siedepunkt des Wasser 

Der Schmelzpunkt des Wasser erhält die 0°C und der Siedepunkt des Wasser die 100°C. Der Abstand zwischen den beiden Punkten wird in 100 gleiche Teile zerlegt und bildet die Celsius-Skala. 

Vorgeschlagen wurde die 100-teilige Skala von Anders Celsius einem schwedischen Astronem, Mathematiker und Physiker im Jahre 1742. Im Gegensatz zur heute verwendeten Celsius-Skala legte er den Siedepunkt von Wasser mit 0° und den Schmelzpunkt mit 100° fest. Erst später wurden die Fixpunkte der Skala vertauscht, was zur heutigen Form der Skala führte.

Das Problem bei der Festlegung der Celsius-Skala ist die Abhängigkeit von zwei Fixpunkte. Vor allen der Siedepunkt des Wasser ist stark abhängig vom äußeren Luftdruck. Der Luftdruck wiederum ist abhängig von der Höhenlage des Meßortes und der Wetterlage. Unterschiedliche Luftdrücke führen also zu unterschiedlichen Temperaturen für den Siedepunkt des Wassers. 

Merke

Hier klicken zum Ausklappen

Je niedriger der Luftdruck ist, desto tiefer liegt der Siedepunkt, um so eher fängt das Wasser also zu kochen an.

Kelvin-Skala

Die Kelvin-Skala ist die in der Physik gebräuchliche Skala und wurde eingeführt, um das Problem der Abhängigkeit von zwei Fixpunkten zu umgehen. Im Jahr 1954 ist die Kelvin-Skala vom Internationalen Komitee für Maß und Gewicht eingeführt worden. Die Kelvin-Skala bezieht sich dabei nur auf einen einzigen Fixpunkt: Den absoluten Nullpunkt.

Der absolute Nullpunkt ist die niedrigste Temperatur, die überhaupt möglich ist und liegt bei $-273,15 °C$.

Der absolute Nullpunkt wird auch als Tripelpunkt bezeichnet. Bei diesem Punkt stehen Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf miteinander im Gleichgewicht.

Umrechnung Celsius in Kelvin

Die Kelvin-Temperatur hat das Formelzeichen $T$ und wird in der Einheit Kelvin $K$ angegeben. Häufig wird in den Aufgabenstellungen die Celsius-Temperatur mit dem Formelzeichen $t$ und der Einheit $°C$ angegeben. Für die Berechnung innerhalb der Physik muss die Celsius-Temperatur zunächst in die Kelvin-Temperatur umgerechnet werden:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen

$T = t + T_0$

mit

$T = \text{Kelvin-Temperatur}$

$t = \text{Celsius-Temperatur}$

$T_0 = 273,15 K $ \; \text{Schmelzpunkt des Wassers}$

Der Schmelzpunkt des Wasser liegt also bei 0°C bzw. bei 273,15 K.

Um die Kelvin-Temperatur zu bestimmen, muss einfach die Celsius-Temperatur mit dem Schmelzpunkt des Wassers in Kelvin (also 273,15 K) addiert werden. Man kann diese Gleichung natürlich auch nach der Celsius-Temperatur umstellen:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen $t = T - T_0$

Beispiel

Hier klicken zum Ausklappen

An einem schönen Sommertag wird die Außentemperatur von 28 °C gemessen. Wie hoch ist die Kelvin-Temperatur?

$T = 28°C + 273,15 = 301,15 K$.

In der folgenden Grafik sind nochmals die Kelvin- und die Celsius-Temperatur gegenübergestellt:

Temperaturskalen

Die obigen Temperaturen gelten bei einem Luftdruck von 101.325 Pa. Liegt der Luftdruck also bei 101.325 Pa, so siedet das Wasser bei $\approx 100°C$. Bei einem geringeren Luftdruck, siedet das Wasser bei einer geringeren Temperatur, bei einem höheren Luftdruck erst bei einer höheren Temperatur als 100°.