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Was ist Temperatur?

Von Atomen, Entropie und Energie

Wir hören täglich den Begriff „Temperatur“ – aber was ist damit genau gemeint? Was wir als angenehme Wärme auf der Haut empfinden, ist einerseits die Bewegungsenergie der Atome und Moleküle in der Luft, andererseits die von der Sonne in Form von Strahlung abgegebene Energie. Offensichtlich haben wir es hier mit zwei verschiedenen Energieformen – Strahlung und Bewegung – zu tun, denen wir eine „Temperatur“ zuordnen können.

Thermometer
Was ist Temperatur physikalisch gesehen? © Xurzon/ iStock

Auf die Bewegung kommt es an

Was bestimmt nun diese Temperatur? Am einfachsten lässt sich dies für die Luft erklären. Bei angenehmen 25 Grad Celsius bewegen sich die Luftmoleküle mit Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit. Das sind rund 1.250 Kilometer pro Stunde und entspricht in etwa der Geschwindigkeit eines Flugzeugs. Glücklicherweise ist die Masse der Moleküle sehr gering, so dass wir die durch Stöße von ihnen abgegebene kinetische Energie nur als angenehme Wärme empfinden.

Entscheidend für die Bestimmung der Temperatur ist jedoch nicht die absolute Energie des einzelnen Moleküls, sondern die relative Verteilung der Energien aller Moleküle im Gas. Tatsächlich erstrecken sich diese Energien über einen weiten Bereich. So gibt es einige (verhältnismäßig wenige) Moleküle, die sich mit bequemer Fußgängergeschwindigkeit bewegen. Andere sind mit der Geschwindigkeit eines Düsenjägers unterwegs.

Entropie und Temperatur

Diese Unordnung des Gases wird durch seine Entropie – das Maß für die zur Verfügung stehende Information über die Bewegung aller einzelnen Moleküle – quantifiziert, und es besteht ein enger Zusammenhang zwischen Entropie, Energie und der formalen Definition von Temperatur. Je geringer die Änderung der Entropie durch Änderung der Energie ist, desto höher ist die Temperatur des Gases.

Infolgedessen weist Luft bei niedrigerer Temperatur eine geringere mittlere Energie (und entsprechend mittlere Geschwindigkeit) wie auch eine geringere Breite der Energieverteilung auf. Ähnlich verhält es sich mit der Lichtstrahlung, die als Gas von Photonen, den elementaren Quanten der Strahlung, verstanden werden kann.

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Der tiefste Punkt

Wenn aber die Temperatur durch die Verteilung von Energien bestimmt wird, dann muss es so etwas wie eine minimale Temperatur geben, die nicht unterschritten werden kann. Dieser magische Zustand, bei dem alle Moleküle ruhen, bestimmt den absoluten Nullpunkt der Temperatur. Zu Ehren von Lord Kelvin definiert diese Temperatur eine Skala für Temperaturmessungen mit derselben Einteilung wie die uns geläufige Celsius­Skala, allerdings um 273,15 Grad gegenüber dieser verschoben: Null Kelvin entsprechen minus 273,15 Grad Celsius.

Autor: Matthias Weidemüller, Zentrum für Quantendynamik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Das kälteste Gas des Universums
Forschung im Reich der ultrakalten Materie

Was ist Temperatur?
Von Atomen, Entropie und Energie

Wettlauf zum Nullpunkt
Wie kühlt man Materie bis auf nahe Null Kelvin?

Ultrakalte Quanteneffekte
Materie im Ausnahmezustand

Und der Nutzen?
Wozu sich ultrakalte Materie einsetzen lässt

Ein Dämon, Computer und die Energie
Quantenkälte und die Endlichkeit von Information

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