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Eiskalt oder kochend heiss – was genau ist Temperatur?
Hast du dich schon jemals gefragt, warum wir im Winter frieren oder warum eine Tasse heisser Tee mit der Zeit abkühlt? In unserem Alltag begegnen wir immer wieder verschiedenen Temperaturen. Was aber ist genau der Unterschied zwischen heissem und kaltem Wasser, oder heisser und kalter Luft?
Kleine Teilchen in Bewegung
Die Stoffe, aus denen wir und unsere Umwelt bestehen, sind alle aus winzig kleinen Teilchen zusammengesetzt. Sie heissen Moleküle und Atome; von blossem Auge kann man sie nicht sehen (aber in einfachen Experimenten ihre Eigenschaften untersuchen). Die Moleküle in einem Stoff wie Wasser sind keineswegs starr, sondern bewegen sich oder schwingen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Diese Bewegung ist das, was wir als Temperatur wahrnehmen. Je heftiger sich die Teilchen eines Stoffes bewegen, desto höher ist seine Temperatur. Zur Messung der Temperatur gibt es im Alltag und in der Wissenschaft verschiedene Temperaturskalen.
Grad Celsius – für uns die bekannteste Temperaturskala
In der Schweiz ist die am häufigsten verwendete Temperaturskala die Celsius-Skala (°C). Diese Skala ist vor über 250 Jahren entstanden und beruht auf einem einfachen Prinzip: Die Gefriertemperatur des Wassers wird als 0°C definiert und die Siedetemperatur von Wasser wird bei 100°C festgelegt. Der Temperaturbereich zwischen dem Gefrier- und Siedepunkt wird in 100 gleich grosse Stufen – die Grade – eingeteilt. Der Unterschied zwischen 10°C und 20°C ist also gleich gross wie der Unterschied zwischen 50°C und 60°C. Man kann sich das ähnlich vorstellen wie bei den Längenmassen: ein Meter wird in 100 gleich grosse Zentimeter unterteilt.
Réaumur und Fahrenheit
Etwa zur gleichen Zeit wie die Celsius-Skala entstand die Réaumur-Skala. Ähnlich wie bei der Celsius-Skala wird auch hier der Gefrierpunkt von Wasser als 0°Re bezeichnet. Der zweite Referenzpunkt – wiederum die Siedetemperatur von Wasser – ist aber als 80°Re definiert worden. Die Celsius-Skala ist mit 100 (statt 80) Einheiten in diesem Bereich aber einiges genauer als die Réaumur-Skala. Die Réaumur-Skala findet deshalb heute kaum mehr Anwendung, während in vielen Ländern der Welt die Temperatur heute in Grad Celsius gemessen wird.
Wenn du aber beispielsweise in den Vereinigten Staaten von Amerika unterwegs bist, so wirst du eine andere Temperaturskala antreffen: die Fahrenheit-Skala. Die Fahrenheit-Skala wurde nach ihrem Erfinder Daniel Fahrenheit benannt und ist etwas anders aufgebaut als die Celsius-Skala. Bei der Celsius-Skala gibt es oft Werte, die unter 0°C liegen – die Lufttemperatur in den Bergen kann im Winter zum Beispiel schnell bis –20°C und tiefer fallen. Die ursprüngliche Idee von Herrn Fahrenheit war, eine Temperaturskala einzuführen, die keine negativen Werte hat. Dazu produzierte Daniel Fahrenheit die kälteste Mischung die er konnte aus Eis, Wasser und Meersalz. Diese Mischung erreicht auf der Celsius-Skala eine Temperatur von –17.8°C und wurde auf der Fahrenheit-Skala als Nullpunkt definiert. Als zweiter Fixpunkt der Fahrenheit-Skala wurde der Gefrierpunkt von reinem Wasser gewählt und bei 32°F festgelegt, als dritter Fixpunkt die Körpertemperatur des Menschen bei 96°F. Damit wurde Fahrenheits Ziel allerdings nicht erreicht, da Temperaturen auch auf der Fahrenheit-Skala unter 0°F sinken können.
Wenn Temperaturen nun also auf der Celsius-, der Fahrenheit- und der Réaumur-Skala deutlich unter 0 sinken können – wie kalt kann es denn überhaupt werden? Die tiefste Temperatur, die man heute kennt, wird als „absoluter Nullpunkt“ bezeichnet. Dabei bewegen sich die Moleküle eines Stoffes nicht mehr. Auf der Celsius-Skala liegt der absolute Nullpunkt bei -273,15°C. In der Praxis ist es aber noch nie gelungen, einen Stoff bis auf diese Temperatur abzukühlen.
Kälter als 0 Kelvin geht nicht
Die einzige Temperaturskala, die keine negativen Werte besitzt, ist die Kelvin-Skala. Der absolute Nullpunkt entspricht dabei 0 Kelvin. Der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 273,15 Kelvin und der Siedepunkt von Wasser bei 373,15 Kelvin. Zwischen der Kelvin-Skala und der Celsius-Skala besteht ein enger Zusammenhang; ein Unterschied von 1°C entspricht genau 1 K. Die beiden Skalen haben also jeweils gleich grosse Grade, aber sind gegeneinander um 273,15 Grad verschoben. Ein Temperaturunterschied von 10°C entspricht also genau einem Unterschied von 10 Kelvin. Die Kelvin-Temperatur trifft man zwar kaum im Alltag an, aber sie wird heutzutage sehr oft in der Physik und den anderen Naturwissenschaften benutzt.
Wenn dich also im Sommer jemand nach der Temperatur fragt, kannst du sagen „es ist 30°C“. Genau so gut könntest du aber auch antworten: „86° Grad Fahrenheit“ oder sogar „303 Kelvin“. Diese verschiedenen Bezeichnungen sagen alle das gleiche aus. Doch je nachdem, wo auf der Welt du wohnst, wird eine andere Skala im Alltag benutzt.