Celsius-Skala

Im Alltag ist es üblich die Temperatur von Stoffen mithilfe der sogenannten Celsius-Skala zu messen. Häufig verwendet man Flüssigkeitsthermometer, die das Prinzip der Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten nutzen. Dabei dehnt sich eine Flüssigkeit in einem Steigrohr bei Erwärmung aus und zieht sich bei Abkühlung zusammen. An einer geeichten Skala kann man dann die jeweilige Temperatur ablesen, die zur entsprechenden Wärmeausdehnung geführt hat. Bei der damaligen Festlegung der Celsius-Skala wurde auf zwei Fixpunkte zurückgegriffen:

  • den Schmelzpunkt und
  • den Siedepunkt von Wasser (jeweils bei Umgebungsdruck von 1 bar).

Der Schmelzpunkt von Wasser wurde dabei willkürlich als Wert 0 definiert, während der Siedepunkt des Wassers – ebenfalls ohne tieferen physikalischen Grund – den Wert 100 bekam. Alle weiteren Temperaturen können durch inter- bzw. extrapolieren dieser Grundskala erhalten werden.

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Abbildung: Referenzpunkte der Celsius-Skala

Die Celsius-Skala ist aufgrund der willkürlichen Festlegung der Fixpunkte nicht sehr wissenschaftlich. Vielmehr sollte eine sinnvolle Temperaturskala den Sachverhalt berücksichtigen, dass die Temperatur ein Maß für die Geschwindigkeit der Teilchen darstellt. Jener Temperaturpunkt in dem die Teilchen keinerlei Bewegungsenergie mehr besitzen (also völlig in Ruhe sind), sollte deshalb auch als Referenzpunkt einer physikalisch sinnvollen Temperaturskala zugrunde gelegt werden. 

Einen solchen „Bewegungsnullpunkt“ nutzt man bei der Festlegung der sogenannten Kelvin-Skala. Dabei wird jener Temperaturpunkt als Wert Null definiert, in dem die Teilchen eines Stoffes keine Geschwindigkeit mehr besitzen. Dieser Temperaturnullpunkt stellt folglich die niedrigst mögliche Temperatur dar und wird deshalb auch als absoluter Nullpunkt bezeichnet. Der absolute Nullpunkt liegt in der Celsius-Skala bei -273,15 °C und dient fortan als Fixpunkt der Kelvinskala. Dem absoluten Nullpunkt wird folglich der Wert 0 K zugeordnet (K: Kelvin). Die Unterteilung der Kelvin-Skala erfolgt wie auch die der Celsius-Skala in insgesamt 100 Schritten zwischen Schmelzpunkt (273 K ≙ 0 °C) und Siedepunkt (373 K ≙ 100 °C) von Wasser.

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Abbildung: Referenzpunkte der Kelvin-Skala

Die Kelvin-Skala ist somit lediglich eine verschobene Celsius-Skala, mit einem wissenschaftlich festgelegten Temperaturnullpunkt, der sinnvollerweise dem Stillstand der in einem Stoff enthaltenen Teilchen entspricht. Für die Umrechnung eines Temperaturwertes \(\vartheta\) von der Celsius-Skala in den Temperaturwert \(T\) der Kelvin-Skala und umgekehrt gilt damit:

\begin{align}\;\;\;\;\;
&\boxed{ \vartheta_{°C} = {T_K} - 273,15} \\[5px]
&\boxed{{T_K} = \vartheta_{°C} + 273,15} \\[5px]
\end{align}

Im Alltag ist es nur bedingt möglich Stoffe so stark abzukühlen, dass hierdurch der absolute Nullpunkt direkt ermittelt werden könnte. Zudem sind die atomaren Teilchen nicht direkt sichtbar, um beurteilen zu können ob der Bewegungsnullpunkt auch tatsächlich erreicht worden ist. Im nächsten Abschnitt soll deshalb eine alternative Vorgehensweise zur Bestimmung des absoluten Nullpunktes gezeigt werden, die dann zur Einführung der Kelvin-Skala führt.

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