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Dichte

Dichte

Die Dichte, Formelzeichen: ρ (griechisch: rho), ist eine physikalische Eigenschaft eines Materials. Sie ist über das Verhältnis der Masse m eines Körpers zu seinem Volumen V definiert: :\rho = \frac in Worten: : = \frac Der Kehrwert der Dichte wirdspezifisches Volumen genannt und spielt vor allem in der Thermodynamik der Gase und Dämpfe eine Rolle. Die Dichte sollte nicht mit dem spezifischen Gewicht verwechselt werden, denn diese ist zwar sehr ähnlich zur Dichte, unterscheidet sich aber in einem Punkt: Während bei der Dichte das Volumen im Verhältnis zur Masse steht, geschieht dies beim spezifischen Gewicht mit dem Volumen und der Gewichtskraft. Das Verhältnis der Dichte eines Stoffes zur Dichte im Normzustand wird als Relative Dichte bezeichnet. Bei porösen Stoffen wird zudem zwischen der Rohdichte (Hohlräume inklusive) und der Reindichte (Volumen ohne Hohlräume) unterschieden.

Einheit

Die abgeleitete SI-Einheit der Dichte ist Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m3). Weit verbreitet und besonders bei Feststoffen gebräuchlich ist zudem die Angabe in g/cm3. Weitere in Spezialfällen genutzte Einheiten sind Gramm pro Liter (g/l) und Gramm pro Kubikdezimeter (g/dm3). Hierbei gilt: 1.000 kg/m3 = 1 kg/dm3 = 1 kg/l oder 1 g/cm3 = 1 g/ml. Alle diese Größen stellen die Bezugsdichte von Wasser dar. Wasser hat als Bezugspunkt bei einer Temperatur von 3,98 °C seine größte Dichte (Dichteanomalie) mit 1.000 kg/m3, was einem g/cm3 entspricht. Ein Liter ist definiert als das Volumen, das genau ein Kilogramm Wasser bei seiner höchsten Dichte (bei 3,98 °C ≈ 4 °C) bei Normaldruck einnimmt. Die Abweichung von 1 dm³ ist so gering, dass man im Normalfall 1 l und 1 dm3 als gleich ansehen kann. Für Feststoffe wird die Dichte üblicherweise in g/cm³ bei 20 °C angegeben und für gasförmige Stoffe in g/l bei 0 °C und einem Luftdruck von 1.013,25 hPa = 101.325 Pa (Normalbedingungen).

Beispiel

Die Dichte von Kupfer bestimmt man experimentell wie folgt: Die Stoffprobe wiegt z.B. 35 g. Nun füllt man ein Reagenzglas teilweise mit Wasser; nehmen wir beispielsweise 16 ml. Jetzt lässt man den Stoff eintauchen und liest den Füllstand 17,7 ml des Wasserspiegels ab. Die Differenz der beiden Füllmengen beträgt 1,7 ml. Also kann für die Dichte von Kupfer die Näherung :\rho \approx \approx 20,6 \;\mathrm/\mathrm^3 ermittelt werden.

Eigenschaften

Die Dichte von Flüssigkeiten hängt deutlich von der Temperatur ab, bei Gasen zusätzlich vom Druck. Ein Beispiel hierfür ist die Temperaturabhängigkeit der Luftdichte im unteren Abschnitt. Die Dichte von hygroskopischen Stoffen wie zum Beispiel Holz ist zudem von der Luftfeuchte (Wirkung auf Holzfeuchte) abhängig. Um deren Messergebnisse vergleichen zu können, bezieht man sich auf ein sogenanntes Normalklima. Körper in einer Flüssigkeit, die eine geringere Dichte als diese haben, steigen entsprechend dem archimedischen Prinzip nach oben (Auftrieb), bis sie irgendwann einen Gleichgewichtszustand erreichen (schwimmen). Körper mit größerer Dichte sinken entsprechend nach unten bzw. haben einen höheren Tiefgang als Körper mit geringeren Dichten. Insbesondere kann daher das weniger dichte Eis auf dem Wasser schwimmen und verdrängt dabei genau das Volumen an Wasser, das die gleiche Masse wie das Eis hat. In Gasen gilt entsprechendes. Ein mit Helium gefülltes Luftschiff schwebt in der Luft, da das Helium bei gleichem Druck und gleicher Temperatur eine geringere Dichte als Luft hat. Die dichteste auf der Erde natürlich vorkommende Substanz ist Iridium mit etwa 22.650 kg/m3. Neutronensterne dagegen können eine Dichte von etwa 1014 kg/m3 haben.

Tabellenwerte

Tabellenwerte zur Dichte verschiedene Stoffe sind in folgenden Artikeln zu finden:
- Liste der Dichte fester Stoffe
- Liste der Dichte von Flüssigkeiten
- Liste der Dichte gasförmiger Stoffe

Temperaturabhängigkeit der Luftdichte

Die Wirkung der Temperatur auf die Luftdichte, die Schallgeschwindigkeit und die Schallkennimpedanz ist in folgender Tabelle dargestellt. Der Luftdruck hat auf die Schallgeschwindigkeit keinen Einfluss, auch wenn diese Fehlangabe in vielen Büchern zu finden ist. Größen:
- \vartheta (theta) = Temperatur in °C
- ρ (rho) = Luftdichte oder Dichte der Luft in kg/m3
- c = Schallgeschwindigkeit in m/s
- Z = Schallkennimpedanz in N·s/m3

Messmethoden

Von einem Körper mit exakt bekannter Geometrie kann die Dichte mittels Masse und berechnetem Volumen bestimmt werden. Nach dem Prinzip von Archimedes erfährt ein Körper in der Umgebung einer Flüssigkeit genau so viel Auftriebskraft, wie die von seinem Volumen verdrängte Flüssigkeit an Gewichtskraft ausüben würde. Alle direkten Dichtemessverfahren beruhen noch heute auf diesem Prinzip und können auch auf die Dichtebestimmung von Gasen übertragen werden. Bei bekannter Dichte der Flüssigkeit, lässt sich auch das Volumen des eingetauchten Festkörpers bestimmen und schließlich auch dessen Dichte bestimmen. Beispiel für die Bestimmung der Dichte eines Festkörpers: Das Gewicht des Festkörpers wird an Luft gemessen. Eigentlich müsste man die Messung im Vakuum durchführen, da der Festkörper auch in Luft einen gewissen Auftrieb erfährt. Man erhält m_. Anschließend wird der Festkörper in Wasser eingetaucht und gewogen. Er scheint leichter zu sein als an der Luft. Man erhält m_. Nach dem Prinzip von Archimedes ist die Masse des verdrängten Wassers m_ = m_ - m_. Das Volumen des verdrängten Wassers V_ ist gleich dem Volumen des Festkörpers V_. Es ist bekannt, dass \rho_ für die Dichte des Wassers gilt. Durch Einsetzen und Umformen erhält man folglich: \frac= V_. Im letzten Schritt erhält man somit für die Dichte des Festkörpers: \rho_=\frac Dichten von Flüssigkeiten werden mit einem Aräometer gemessen. Dichten von Festkörpern werden z. B. mit einem Pyknometer gemessen oder über indirekte Bestimmungsverfahren, wie der Isotopenmethode ermittelt. Der Biegeschwinger ermöglicht es mit Hilfe eines mit Messflüssigkeit gefüllten U-Rohres, die Dichte von flüssigen Reinstoffen und binären Mischungen exakt zu ermitteln. Die Dichte von Holz kann man mit einem Resistographen bestimmen.

Beispiele

Wasser Wasser hat eine sehr seltene Eigenschaft, indem es bei 3,98 °C die größte Dichte besitzt (Anomalie des Wassers). Es dehnt sich beim weiteren Abkühlen aus, die abnehmende Dichte bewirkt eine Volumenausdehnung. Hierdurch treten Frostschäden beispielsweise bedingt durch die Frostverwitterung auf. Bei zugefrorenen Seen befindet sich so auch das 3,98 °C warme Wasser am Seeboden, während kälteres Wasser mit geringerer Dichte nach oben steigt. Dies verhindert das Zufrieren von Gewässern bis auf den Grund und ermöglicht es erst den Lebewesen in Seen und Meeren zu überleben. Atmosphäre In der Atmosphäre steigen erwärmte und damit weniger dichte Luftschichten vom Boden auf (Konvektion). Sie kühlen dabei jedoch ab, wobei Wasserdampf kondensieren kann und sich daraufhin Wolken ausbilden. Entsprechend sinken kühlere Luftschichten wieder ab.

Abgeleitete Bezeichnungen

In Analogie werden auch andere Größen pro Raumeinheit als Dichten bezeichnet, zum Beispiel die Teilchendichte, die Ladungsdichte oder die Wahrscheinlichkeitsdichte. Teilweise wird der Begriff Dichte auch für Größen pro Flächeneinheit verwendet (Stromdichte, Strahlungsstromdichte, elektrische und magnetische Flussdichte). Eine spezifische Dichte ist API-Grade für Rohöl. Weitere Analogien (neben den schon genannten):
- Darrdichte
- Fülldichte
- Klopfdichte
- Längendichte
- Pressdichte
- Relative Dichte
- Schüttdichte
- Sinterdichte
- Stopfdichte

Weblinks


- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-dichteeinheiten.htm Umrechnung von allen Dichte-Einheiten]
- [http://www.engnetglobal.com/tips/convert.asp?catid=9 Umrechnung von Dichte-Einheiten - auch amerikanische und englische Größen]
- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Dichte Mineralienatlas - Dichte]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m11_dichte.htm Versuche und Aufgaben zur Dichte] Kategorie:Werkstoffeigenschaft Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Mineralogie ms:Ketumpatan ja:密度

Formelzeichen

Ein Formelzeichen ist ein Symbol für den Namen eines Objekts zur Verwendung in Formeln. Prinzipiell kann jedes beliebige Symbol als Formelzeichen verwendet werden. Es wird anstelle des Objektnamens geschrieben und ist mit dessen Bedeutung identisch. Das bedeutet, dass ein Symbol immer durch den ihm zugeordneten Objektnamen ersetzt werden kann und umgekehrt. Formelzeichen werden vor allem in der Mathematik und in den Natur- und Ingenieurwissenschaften angewendet.

Normen

Zahlreiche Formelzeichen sind genormt (z. B. international = für „ist gleich“ oder V für das Volumen). Solche Normungen sind beispielsweise ISO 31 und DIN 1304. Sofern als Formelzeichen Buchstaben verwendet werden, kommen besonders häufig das deutsche (lateinische), griechische, altdeutsche und hebräische Alphabet zum Einsatz. Die meisten Buchstaben-Formelzeichen bestehen aus einem und nur wenige aus mehr als einem Buchstaben. Um den Zeichenvorrat zu erweitern, werden den Buchstaben oft Indizes aus Buchstaben oder Zahlen beigefügt.

Mathematische Formelzeichen

Veränderliche Objekte

In der Mathematik werden in der Regel Buchstaben als Formelzeichen verwendet, wenn es sich um veränderliche Objekte handelt. Für den Textsatz wird meist eine Serifenschrift verwendet. Beispiele zu Regelfällen des verwendeten Alphabets und des Textsatzes:
- Skalare: a=7
- Vektoren: fett oder mit Über-Pfeil. \vec F\equiv\mathbf=m \cdot \mathbf. Früher auch Kleinbuchstaben in Frakturschrift: \mathfrak = \left( 0\ 2\ 1 \right)^T
- Mengen: groß; fett oder mit doppelten senkrechten Linien 3 \in\mathbf\equiv\mathbb
- Matrizen: serifenlos \det (\mathsf)=4. Früher auch: Großbuchstaben in Frakturschrift \mathfrak := \begin 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & \cdots & 1 \end

Übrige Objekte

Andere Objekte, die z.B. Anweisungen enthalten, bekommen spezielle Symbole zugewiesen, die nur zum Teil (ursprünglich) aus Alphabeten stammen. Beispiele:
- := Zuweisungsoperator: a:=3
- < Vergleich „kleiner als“: a<7
- > Vergleich „größer als“: 7>a
- + Additionsoperator: a+4=7
- \sum Summe: a=\sum_^a_
- ( ) Ändern der Auswertungsreihenfolge: 3a+7 \neq 3(a+7)
- Konstanten: \pi\approx 314159

Physikalische Formelzeichen

Die in der Physik verwendeten Formelzeichen bestehen aus einem lateinischen oder griechischen Buchstaben. Ihr Satz erfolgt (nach DIN 1313) kursiv mit Serifen. Anwendungsbeispiele:
- R = \quad bedeutet „Der elektrische Widerstand ist gleich der elektrischen Spannung dividiert durch die elektrische Stromstärke.“
- E=\quad bedeutet „Die Energie ist gleich der Masse mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.“ Siehe auch:
Liste der physikalischen Formelzeichen

Formelzeichen in Programmiersprachen

Die in Programmiersprachen verwendeten Formelzeichen weichen aus praktischen Gründen meist von denen des Schriftsatzes ab. Sie beschränken sich auf die standardmäßig auf der Tastatur verfügbaren Zeichen, eine Ausnahme bildet APL. Beispiel: Kleiner oder gleich
- Schriftsatz: \leq
- zahlreiche Programmiersprachen: <=
- LaTeX: \leq Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Mathematik Kategorie:Beschreibungssprachen

Stoffeigenschaften

Um chemische Stoffe näher zu charakterisieren, kann man ihre Eigenschaften betrachten. Inzwischen kann jeder Stoff durch seine einzigartige Kombination von Stoffeigenschaften identifiziert werden. Man kann die Eigenschaften einteilen nach folgenden Gesichtspunkten:

Physikalische Eigenschaften


- Dichte
- Farbe
- Oberflächenglanz
- Härte
- Wärmeleitfähigkeit
- Elektrische Leitfähigkeit
- Magnetisierbarkeit
- Schmelztemperatur (Festpunkt), Siedetemperatur, (Kochpunkt), Erweichungsbereich
- Verformbarkeit
- optische Aktivität

Chemische Eigenschaften


- Brennbarkeit
- Löslichkeit
- Verhalten gegenüber verschiedenen Chemikalien
- Verhalten beim Erhitzen

Andere Eigenschaften


- Geruch
- Geschmack

Analytische Verfahren zur Identifizierung von Stoffen

Es werden Absorptions-, Adsorptions- und Resonanzvermögen gemessen und in Spektogrammen dargestellt:
- IR-Spektrogramm
- UV-VIS-Spektrogramm
- Massenspektrogramm
- NMR-Spektrogramm
- Chromatogramm
- Gaschromatogramm

Stoffklassen

Viele Eigenschaften treten gleichzeitig bei mehreren Stoffen auf. Man kann so Stoffe in Stoffklassen mit ähnlichen Eigenschaften zusammenfassen: # Metalle ... leiten elektrischen Strom und Wärme gut, sind leicht verformbar, haben im reinen Zustand Oberflächenglanz (erscheinen aber im feinverteilten Zustand schwarz) usw. ... #Nichtmetalle ... leiten den elektrischen Strom schlecht usw. ... #Salzartige Stoffe ... haben hohe Schmelz- und Siedetemperaturen, leiten als Schmelzen oder Lösungen den elektrischen Strom, sind spröde aber spaltbar, usw. ... # Leichtflüchtige Stoffe ... haben niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen, ... #Makromolekulare Stoffe ... haben oft hohe Schmelz- und Siedepunkte, zersetzen sich aber meist schon bei niedrigeren Temperaturen (Beispiele: Kunststoffe, Proteine, Polysaccharide, DNA)

Siehe auch


- chemische Grundbegriffe - Trennmethoden - Reinstoff Kategorie:Chemie Kategorie:Physik Kategorie: Eigenschaft

Material

Das Aussehen von Objekten mit definiertem Material kann in der 3D-Computergrafik simuliert werden, siehe dazu Material (3D-Computergrafik). ---- Material ist in der Fertigungstechnik ein Sammelbegriff für Rohstoffe, Werkstoffe, Halbzeuge, Hilfsstoffe, Betriebsstoffe, Teile und Gruppen. Es ist der Grundstoff zur Produktion oder Herstellung bestimmter Erzeugnisse bzw. Produkte. Meist liegt das Material in Rohform vor, manchmal ist auch eine Vorbearbeitung nötig (z. B. bei Textilien – Spinnen und Weben). Grob gesagt kann man Material als nicht fertiges Gebrauchsgut oder als Arbeitsgegenstand des Menschen bei der Arbeit bezeichnen. In der Materialwissenschaft unterscheidet man Material nach der stofflichen Zusammensetzung und den jeweiligen Bearbeitungs- und Gebrauchseigenschaften, also neben den Werkstoffen z. B. Naturstein, Metall, Textilien, Beton, Papier, Kohle, Salze und Gase. Siehe auch: Werkstoff Material ist auch ein Pseudonym eines Musikers: Bill_Laswell ! Kategorie:Produktionswirtschaft ja:材料 simple:Material

Volumen

Das Volumen (Formelzeichen: V) ist der räumliche Inhalt eines Körpers. Die SI-Einheit für das Raummaß ist das Kubikmeter (Einheitenzeichen m3). Vereinzelt liest man noch die veralteten Abkürzungen cbm für m³ und ccm für cm³. Die Schreibweise m^3 sollte nur noch dann benutzt werden, wenn das Anzeigesystem keine hochgestellten Exponenten anzuzeigen vermag.

Geschichte

Die ersten bekannten Formeln zur Volumenbestimmung (auch Stereometrie) stammen schon aus dem frühen Ägypten. Das Moskauer Papyrus ist eine Sammlung von Rechenaufgaben und ist etwa auf das Jahr 1850 v. Chr. datiert. Unter anderem sind hier die Formeln für die Bestimmung der Volumina für Rechteckkegel beschrieben. Die Bestimmung wurde durch Analyse und anschließender Synthese erreicht. Das heißt, der Körper wurde in mehrere bekannte Körper zerlegt und die Einzelvolumina addiert.

Messmethoden

Im Laufe der Zeit haben sich ganz unterschiedliche Methoden zur Bestimmung von Volumina entwickelt:
- Auslitern: Der Körper wird mit Sand oder Wasser gefüllt, dessen Menge anschließend in einem bekannten Gefäß bestimmt wird; somit lässt sich bei Gefäßen das Volumen ihres Innenraumes bestimmen.
- Wasserverdrängung: Der Körper wird in ein vollständig mit Wasser gefülltes Gefäß eingetaucht. Das übertretende Wasser wird anschließend in einem bekannten Gefäß gemessen.

Algebraische Berechnung

In der Theorie kann aus bekannten Ausmaßen und Form des Körpers ebenfalls das Volumen durch Rechnung nach für den entsprechenden Körper gültigen Formeln bestimmt werden: Beispiele:
- Quader mit den Kanten a,b und c:
V = a\cdot b\cdot c
- Würfel mit der Kantenlänge a:
V = a\cdot a\cdot a = a^3
- Kugel mit dem Radius r:
V = \pi \cdot r^3
- Rotationskörper der Funktion f(x) bei Rotation um die x-Achse:
V = \pi \cdot \int_ ^b (f(x))^2\mathrmx
- Körper, bei Schnitten orthogonal zur x-Achse Hat ein Körper die stetige Querschnittsfunktion x-> f(x) mit x im Intervall(a;b) dann hat er das Volumen:
V = \int_ ^b f(x)\mathrmx
- Zylinder mit der Grundfläche A und der Höhe  h:
V = A\cdot h
- Kegel mit der Grundfläche A und der Höhe  h:
V = A\cdot \frac

Sonstiges

Auch außerhalb der Mathematik findet sich der Begriff Volumen, z.B. im
- Haarvolumen (Fülle des Haars)
- Teil (eigentlich: "Band") eines mehrbändigen Werkes im (Buchwesen), abgeleitet vom englischen "volume"
- Menge von Daten in Bezug auf Transferkapazität oder Speicherplatz (Informatik)
- Zu den Grenzen des Volumenbegriffs der Mathematik bei Verwendung in der tatsächlichen Welt siehe Banach-Tarski-Paradoxon und Maßtheorie Kategorie:Raumgeometrie Kategorie:Analysis Kategorie:Physikalische Größe ja:体積 simple:Volume

Spezifisches Volumen

Das spezifisches Volumen (Formelzeichen v) ist durch den Kehrwert der Dichte definiert und spielt vor allem in der Thermodynamik der Gase und Dämpfe eine Rolle. Es wird beispielsweise in p-v-Diagrammen verwendet. : v = \frac = \frac Siehe auch: spezifisches Volumen des Wassers Kategorie:Thermodynamik

Gas

Gas bezeichnet einen der Aggregatzustände oder einen Stoff, der sich üblicherweise in diesem Aggregatzustand befindet.

Begriffsabgrenzung

Eine Substanz wird als „Gas“ im engeren Sinne bezeichnet, wenn sie bei einer Temperatur von 20 °C (Raumtemperatur) und einem Druck von 1 atm (sog. Standardbedingungen) im gasförmigen Aggregatzustand vorliegt. Allgemeiner bezeichnet man auch den gasförmigen Zustand einer Substanz selbst als Gas, unabhängig von der Temperatur. Zusammen mit den Flüssigkeiten zählt man Gase im Sinne eines gasförmigen Zustandes zu den Fluiden.

Eigenschaften

Fluid Der idealisierte gasförmige Aggregatzustand, man spricht von einem idealen Gas, zeichnet sich durch die vollkommen freie Beweglichkeit der einzelnen Atome und/oder Moleküle entsprechend der kinetische Gastheorie aus. Dies hat zur Folge, dass ein Gas kompressibel ist, also sein Volumen dem herrschenden Druck anpasst und gilt bis auf wenige Einschränkungen auch für reale Gase. Gase besitzen dabei auch Eigenschaften von Flüssigkeiten: sie haben die Fähigkeit zu fließen und widerstehen Deformation nicht, obgleich sie über eine Viskosität verfügen. Anders als Flüssigkeiten besitzen Gase jedoch kein festgelegtes Volumen und füllen daher immer den gesamten zur Verfügung stehenden Raum vollständig und gleichmäßig aus. Dies liegt darin begründet, dass das Gesamtsystem den Zustand höchster Entropie anstrebt (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik) und ein solcher Zustand einer statistischen Gleichverteilung der Gasteilchen in diesem Raum entspricht. Den Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand bezeichnet man als Kondensation, den Übergang vom gasförmigen in den festen Aggregatzustand als Resublimation.

Lagerung

Um eine möglichst große Menge an Gas in einen Behälter zu bringen, also eine hohe Dichte zu erhalten, wird das Gas stark komprimiert. Damit der Behälter dabei dem Gasdruck standhält, werden meist zylinderförmige oder kugelförmige Körper wie bei Gasflaschen, Gaskesseln oder ehemals Gasometern eingesetzt. Der Gasdruck selbst ist ein hydrostatischer Druck.

Verwandte Themen


- Dampf ist ein Stoff in gasförmigem Zustand, der üblicherweise fest oder flüssig ist.
- Liste der Dichte gasförmiger Stoffe
- Angabe der Stoffreinheit bei technischen Gasen
- Spezielle Arten von Gasen und Gasgemischen, siehe :Kategorie:Gas.
- Physikalische Eigenschaften von Gasen, siehe Gasgesetze.

Weblinks

Kategorie:Chemie Kategorie:Thermodynamik ja:気体 ko:기체 ms:Gas simple:Gas

Dampf

Als Dampf bezeichnet man ein Gas, das im Allgemeinen noch in Kontakt mit der flüssigen bzw. festen Phase steht, aus der es durch Verdampfung bzw. Sublimation hervorgegangen ist. Mit der Zeit und sofern keine Störung auftritt, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein, bei dem genausoviele Teilchen der flüssigen bzw. festen Phase in die gasförmige Phase übertreten, wie umgekehrt aus dem Gas zurückwechseln. Der Dampf ist dann gesättigt und wird auch als Brüden, Brodem oder Wrasen bezeichnet. Wieviele Teilchen von einer in die andere Phase wechseln, hängt unter anderem stark von Druck und Temperatur des betrachteten Systems ab. In der Technik spielt das Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase bei thermischen Trennverfahren eine große Rolle. Trennt man die Gasphase von der zugehörigen flüssigen oder festen Phase, so ist es möglich, dem Dampf weiter Wärme zuzuführen, so dass man überhitzten Dampf erhält. Je stärker diese Erwärmung ist, desto weiter entfernt man sich von dem Bereich, in dem man noch von Dampf spricht, und nähert sich einem Verhalten das man dann als gasartig bezeichnet. Kühlt man überhitzten Dampf langsam ab, wird irgendwann der so genannte Taupunkt erreicht, an dem der Dampf wieder gesättigt ist und bei weiterer Kühlung erneut zu einer Flüssigkeit kondensiert. Im Falle des direkten Überganges vom gasförmigen zum festen Zustand, also bei einer Resublimation, nennt man diesen Punkt Frostpunkt. Während Dampf als Gas - abgesehen von Färbungen - unsichtbar ist, spricht man im Alltag bei Dampf meist von einer sichtbaren Mischung aus Luft und feinsten Flüssigkeitstropfen, wie er sich beispielsweise bei der Kondensation von Wasserdampf bildet. Der entsprechende Fachausdruck hierfür ist Aerosol oder Nassdampf, wobei man diese umgangssprachlich auch als Nebel oder Wolke bezeichnet. Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Gas ja:蒸気 simple:Vapor

Spezifisches Gewicht

Das spezifische Gewicht eines Körpers ist das Verhältnis seiner Gewichtskraft zu seinem Volumen. Auch der Ausdruck Wichte bezeichnet das spezifische Gewicht. Die beiden Bezeichnungen werden heute fast nicht mehr verwendet. Im Unterschied zur Dichte ρ bezeichnet die Wichte eine Angabe der Gewichtskraft FG (bei der Dichte ist es die Masse) bezogen auf das Volumen, das heißt die Dichte und das spezifische Gewicht unterscheiden sich um den Faktor der Fallbeschleunigung g. ::\gamma = = = \rho \cdot g Die Einheit der Wichte ergibt sich wie folgt: ::[\gamma] = = Das spezifische Gewicht ist ortsabhängig, da die Fallbeschleunigung nicht überall gleich ist. Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Werkstoffeigenschaft

Relative Dichte

Die Relative Dichte (seltener auch Spezifische Dichte) beschreibt im Unterschied zur SI-Einheit Dichte das Verhältnis der Dichte eines Stoffes zur Dichte eines Normzustandes. Sie ist als Größenverhältnis also eine dimensionslose Zahl ohne Einheit. Häufige Standard-Bezugsdichten sind die Dichte von reinem Wasser im Normzustand bei 4 °C und die Dichte von trockener Luft bei 0 °C und 1013,25 mbar (1,2931 kg/m³). Erstere findet eine wichtige Anwendung in der Mineralogie: Dichteangaben sind dort meist auf die Dichte von Wasser bezogen. Die Relative Dichte wird unter anderem in der DIN 1871 Gasförmige Brennstoffe und sonstige Gase, Dichte und relative Dichte bezogen auf den Normzustand (Mai 1980) behandelt. Siehe auch: Spezifisches Gewicht Kategorie:Physikalische Größe

Rohdichte

Die Rohdichte, auch Bulkdichte, scheinbare oder geometrische Dichte genannt, ist die Dichte eines porösen Festkörpers basierend auf dem Volumen einschließlich der Porenräume. Sie kann mit einem Medium gemessen werden, das nicht in die Poren eindringt, zum Beispiel Quecksilber. Dichte und Rohdichte unporöser Körper sind gleich. Das Gegenstück zur Rohdichte ist die Reindichte. Kategorie:Werkstoffkunde

Reindichte

Die Reindichte, auch Skelettdichte, absolute oder wahre Dichte genannt, ist die Dichte eines porösen Festkörpers basierend auf dem porenfreien Volumen, also ohne eine Berücksichtigung der Porenräume. Für die Bestimmung der Reindichte muss der Feststoff solange aufgemahlen werden, bis die Poren aufgeschlossen sind. Das Gegenstück zur Reindichte ist die Rohdichte. Kategorie:Werkstoffkunde

Kilogramm

Das Kilogramm ist die SI-Basiseinheit der Masse. Das Einheitenzeichen des Kilogramms ist kg. Es ist in mehrfacher Hinsicht eine besondere Einheit. Es ist die einzige SI-Einheit, die nur durch einen Vergleichsgegenstand (Prototyp), das Urkilogramm, festgelegt ist. Als einzige der sieben SI-Basiseinheiten trägt das Kilogramm das SI-Präfix „Kilo“ (v. griech.: chilioi „tausend“) zu der Einheit „Gramm“ (v. lat. grámma „Geschriebenes, Schrift“), das heißt 1 kg = 1000 g.

Alte Definition

Das Kilogramm war ursprünglich definiert als die Masse eines Kubikdezimeters (dm³) Wasser bei maximaler Dichte (also bei 3,98 °C).

Aktuelle Definition

Dichte] Seit 1889 bildet das Urkilogramm (der Internationale Kilogrammprototyp) in Paris den Vergleichswert für die Maßeinheit Kilogramm. Seine Masse beträgt per Definitionem 1 kg. Es wird in einem Tresor des Internationalen Büros für Gewichte und Maße (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt. Es handelt sich um einen Zylinder von 39 Millimetern Höhe und Durchmesser, der aus einer Legierung von 90 % Platin und 10 % Iridium besteht. Länder, die dem metrischen System beigetreten sind, also die Meterkonvention unterschrieben haben, sind im Besitz von Kopien dieses Urkilogramms. Die Internationale Kommission für Gewichte und Maße (CIPM) entscheidet darüber, wann diese Kopien mit dem Urkilogramm verglichen werden. Bisher gab es solche Vergleiche um 1950 und zuletzt um 1990. Hierbei stellte man fest, dass Kopien des Urkilogramms im Laufe der Jahre scheinbar schwerer geworden waren als das Original. Möglicherweise, so eine Erklärung, wurde das Urkilogramm einfach zu häufig geputzt. Ein Mitgliedsland der Meterkonvention kann aber jederzeit seine Kopie zum BIPM bringen lassen, um es mit den Arbeitskopien des BIPM vergleichen zu lassen. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), welche das deutsche Duplikat des Urkilogramms besitzt, hat dies bisher etwa alle zehn Jahre getan.

Geplante Neudefinition

Derzeit wird weltweit daran gearbeitet, das Kilogramm so neu zu definieren, dass es von einer Fundamentalkonstante der Physik abgeleitet werden kann. Dieses Vorhaben bekam eine besondere Dringlichkeit, da festgestellt wurde, dass die rund 40 Kopien gegenüber dem Urkilogramm zwischenzeitlich aus bisher ungeklärten Gründen im Mittel eine Gewichtsdifferenz von etwa 50 Mikrogramm aufweisen. Da diese Kopien aus dem gleichen Material und immer nach der gleichen Prozedur hergestellt wurden, ist es wahrscheinlicher, dass das eine Urkilogramm leichter geworden ist als dass seine 40 Kopien schwerer wurden. Hierbei werden momentan verschiedene Ansätze verfolgt:
- Erstellen einer Kugel hochreinen Siliziums mit einer bestimmten (und abgezählten) Anzahl von Siliziumatomen. Eine derartige Kugel wurde bereits hergestellt und auf Nanometergenauigkeit vermessen. Die gemessene Masse wich allerdings um einen winzigen Betrag von der errechneten Masse ab. Dies wurde zum Teil darauf zurückgeführt, dass die Isotopenzusammensetzung des Silizium nicht hinreichend genau gemessen werden konnte. Natürliches Silizium besteht aus drei Isotopen mit den Atommassen 28, 29 und 30. Man bemüht sich nun, eine Kugel aus isotopenreinem Silizium-28 herzustellen, was allerdings technisch und finanziell enorm aufwändig ist.
- Ermitteln des Gewichtes eines massebehafteten Körpers durch eine Watt-Waage, wobei mechanische mit elektrischer Leistung verglichen wird. Hierbei werden in zwei Schritten: 1) der Strom in einer Spule, mit der in einem Magnetfeld eine magnetische Kraft erzeugt wird und: 2) die durch Bewegung der Spule in diesem Magnetfeld induzierte Spannung gemessen (Strom × Spannung = elektrische Leistung mit der Einheit Watt). Außerdem müssen die Geschwindigkeit der bewegten Spule und die Fallbeschleunigung, die die Gewichtskraft des Gewichtstücks erzeugt, gemessen werden.
- Ermitteln der Masse eines Atoms mit Hilfe eines Ionenstrahls (elektrisch geladener Atome) und Aufsammeln der Ionen zu einer wägbaren Masse. Durch Messung des elektrischen Stroms des Ionenstrahls und der Zeit lässt sich dann die Masse eines Atoms in der Einheit Kilogramm berechnen. Diese Verfahren sind noch in der Entwicklung und es steht noch nicht fest, welches von ihnen das Urkilogramm ablösen wird. Auf der Erdoberfläche erfährt eine Masse von einem Kilogramm eine Gewichtskraft von rund 9,81 Newton (abhängig von der lokalen Erdbeschleunigung).

Siehe auch


- Größenordnung (Masse)
- Gramm
- Milligramm
- Tonne

Weblinks


- http://www.ptb.de/de/wegweiser/einheiten/_index.html "Die PTB als Hüterin der Einheiten"
- [http://www.bipm.fr/ Internetportal des Internationalen Büros für Gewichte und Maße (in englisch und französisch)] Kategorie:SI-Einheit ja:キログラム ko:킬로그램 simple:Kilogram th:กิโลกรัม zh-min-nan:Kong-kin

Kubikmeter

Der Kubikmeter ist ein Maß für das Volumen und eine SI-Einheit.
- Einheitenzeichen: m³
- Formelzeichen des Volumens: V Ein Kubikmeter oder 'Meter hoch 3' entspricht dem Volumen (Rauminhalt) eines Würfels mit 1 Meter Kantenlänge. Das hauptsächlich im Baugewerbe verwendete Einheitenzeichen cbm oder CBM sind veraltet und nicht mehr korrekt. Die ebenfalls noch anzutreffende Abkürzung m^3 war ein Hilfsmittel, die unzureichenden Darstellungsfähigkeiten älterer Computer zu umgehen (hochgestellte Zahlen waren noch nicht darstellbar) und ist ebenfalls nicht korrekt. 1 Kubikmeter Wasser sind 1000 Liter und wiegt 1 Tonne (t) = 1000 Kilogramm (kg). Das reine Wasser hat dabei eine
Temperatur von 277,13 K (3,98 °C : 39,164 °F) beim Standard-Luftdruck von 101325 Pascal = 1013,25 hPa = 101,325 kPa.

Häufige Abwandlungen der Einheit Kubikmeter

Indem man zwischen Kubik- und -meter ein entsprechendes SI-Präfix setzt, kann man auch andere Maße für Volumen definieren. Der Vorsatz wird dabei gemäß dem internationalen Einheitensystem (SI) direkt vor die Basiseinheit gesetzt.

Kubikmillimeter

Der Kubikmillimeter (mm3) ist eine SI-Einheit für das Volumen (siehe auch: Maß).
- Einheitenzeichen: mm³ Ein Kubikmillimeter oder 'Millimeter hoch 3' entspricht dem Volumen eines Würfels mit 1 Millimeter = 0,1 Zentimeter Kantenlänge. 1 Kubikmillimeter ist genau ein Millionenstel eines Liters (0,000001 Liter), also genau 1 Mikroliter (µl). Bei einer Temperatur von 3,98 °C und einem Luftdruck von 1013,25 hPa hat 1 Kubikmillimeter Wasser die Masse 1 Milligramm (mg).

Kubikzentimeter

Der Kubikzentimeter (cm3; früher: ccm) ist eine SI-Einheit für das Volumen (siehe auch: Maß).
- Einheitenzeichen: cm³ Ein Kubikzentimeter oder 'Zentimeter hoch 3' entspricht dem Volumen eines Würfels mit 1 Zentimeter = 10 Millimeter Kantenlänge. Das Einheitenzeichen 'ccm' ist veraltet und soll nicht mehr verwendet werden. Mit der Verbreitung der Computer trat das Problem auf, dass die hochgestellte '3' nicht dargestellt werden konnte, daher wurden und werden teilweise noch die Behelfsschreibungen 'cm3', 'cm^3' oder 'cm
  - 3' verwendet. 1 Kubikzentimeter ist genau ein Tausendstel eines Liters (0,001 l oder L), also genau 1 Milliliter (ml). Bei einer Temperatur von 3,98 °C und einem Luftdruck von 1013,25 hPa hat 1 Kubikzentimeter Wasser die Masse 1 Gramm (g).

Kubikdezimeter (Liter)

Der Kubikdezimeter ist ein Volumenmaß.
- Einheitenzeichen: dm³ Ein Kubikdezimeter oder "Dezimeter hoch 3" beschreibt das Volumen eines Würfels mit 1 Dezimeter Kantenlänge. Eine gleichwertige Bezeichnung für den Kubikdezimeter ist der an das SI-Einheitensystem angeschlossene Liter. Mit der Verbreitung der Computer trat zunehmend das Problem auf, dass die hochgestellte "3" nicht dargestellt werden konnte. Unter anderem daher wurden die Umschreibungen "cdm", "dm^3" und "dm
  - 3" entwickelt, die bis heute Verwendung finden. Ursprünglich war über folgende Relation das Kilogramm definiert: "1 Kubikdezimeter reines Wasser hat bei einer Temperatur von 4 Grad Celsius und einem (Standard-)Luftdruck von 1013,25 Hektopascal eine Masse von genau 1 Kilogramm." Im Zuge der eindeutigen Reproduzierbarkeit von Längen- und Massennormal wurden diese jedoch minimal verändert, sodass obige Definition heute nicht mehr völlig exakt ist.

Kubikhektometer

Der Kubikhektometer ist ein Volumenmaß. Ein Kubikhektometer entspricht dem Volumen eines Würfels mit 100 Meter Kantenlänge.
- Einheitenzeichen: chm³

Kubikkilometer

Ein Kubikkilometer oder 'Kilometer hoch 3' entspricht dem Volumen eines Würfels mit 1 Kilometer Kantenlänge.
- Einheitenzeichen: km³

Weblinks


- [http://www.zuol.ch/tools/rechner_volumenmasse.asp Volumenumrechnung] Kategorie:SI-Einheit ja:立方メートル ko:세제곱미터 th:ลูกบาศก์เมตร

Liter

Der (bisweilen auch: das) Liter ist eine gesetzliche Einheit für das Volumen und wird durch das Einheitenzeichen "l" oder "L" symbolisiert. Das "L" als Einheitenzeichen für den Liter wurde eingeführt, um Verwechslungen mit der Ziffer 1 zu vermeiden und ist eher im englischen und französischen Sprachraum gebräuchlich.- Der Regelung der Geschlechter (Artikel der Einheitennamen) hat sich auch das DIN angenommen und in DIN 1301, Teil 1, festgelegt, dass der Name der Einheit Liter sächlich ist; aktuelle Ausgabe DIN 1301-1 vom Oktober 2002, dort Abschnitt 8.1 Die SI-Einheit des Volumens ist das Kubikmeter (m³), aber Liter darf ebenso mit dem SI verwendet werden. Ein Liter entspricht einem Kubikdezimeter (dm³) bzw. einem Tausendstel Kubikmeter (1 l = 0,001 m³). Ein Würfel mit einer Kantenlänge von 10 cm = 1 dm hat demnach ein Volumen von einem Liter. Ein Kilogramm Wasser nimmt bei 3,98 °C und 1013,25 hPa das Volumen von einem Liter ein. Für das cgs-System wurde 1901 auf der 3. CGPM der Liter anhand dieser Eigenschaft definiert, allerdings irrtümlich bei 4 °C, was zu einer Erhöhung um ca. 0,028 % führte. 1964 wurde auf der 12. CGPM als Ergänzung zum SI die ursprüngliche Definition von 1793 wieder in Kraft gesetzt. Dezimale Teile und Vielfache des Liter sind mit ihren teilweise veralteten Bezeichnungen unter anderem:
- Mikroliter (µl = mm³ = »λ«),
- Milliliter (ml = cm³ = »ccm« = »CC«),
- Zentiliter (cl),
- Deziliter (dl),
- Dekaliter (dal) und
- Hektoliter (hl). Kiloliter (kl = m³) oder Megaliter (Ml = dam³) sind ungebräuchlich, stattdessen wird in diesen Größenordnungen mit Kubikmetern gerechnet.
- 1 Hektoliter = 100 Liter
- 1 Deziliter = 100 ml
- 1 Zentiliter = 10 ml

Weblinks


- [http://jumk.de/calc/raum.shtml Umrechnung der Volumen-Einheiten]
- [http://www.engnetglobal.com/tips/convert.asp?catid=2 Volumen-Umrechnung] Kategorie:Maßeinheit ja:リットル ko:리터 simple:Litre th:ลิตร

Temperatur

Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße, die vom Menschen als Wärme beziehungsweise Kälte empfunden wird. Hohe Temperaturen bezeichnet man als heiß, niedrige als kalt. Tatsächlich jedoch beschreibt die Temperatur die mittlere kinetische Energie pro Teilchen, sie ist eine makroskopische und damit phänomenologische Größe und verliert bei Betrachtungen auf Teilchenebene ihren Sinn.

Wärmeleitung und Temperaturempfinden

Stehen zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Wärmekontakt, so wird nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik solange Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis beide im thermischen Gleichgewicht stehen und die gleiche Temperatur angenommen haben. Es gibt dabei drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung: # Wärmeleitung # Konvektion # Wärmestrahlung Der Mensch kann Temperaturen nur im Bereich um 30 °C fühlen. Genau genommen nimmt man nicht Temperaturen wahr, sondern die Größe des Wärmestroms durch die Hautoberfläche, weshalb man auch von einer gefühlten Temperatur spricht. Dies hat für das Temperaturempfinden einige Konsequenzen:
- Temperaturen oberhalb der Oberflächentemperatur der Haut fühlen sich warm an, solche unterhalb empfinden wir als kalt
- Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Metalle, führen zu höheren Wärmeströmen und fühlen sich deshalb wärmer beziehungsweise kälter an, als Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, wie Holz oder Polystyrol
- Bei gleich kalter Außentemperatur ist die gefühlte Temperatur bei Wind durch den Windchill niedriger als bei Windstille
- Der Mensch kann Lufttemperatur von überlagerter Wärmestrahlung nicht unterscheiden, was auch ganz allgemein gilt und unter anderem dazu führt das Lufttemperaturen immer im Schatten gemessen werden
- Gleiche Temperatur wird von den beiden Händen als unterschiedlich wahrgenommen, wenn diese selbst unterschiedliche Oberflächentemperatur aufweisen Genaugenommen gilt dies nicht nur für das menschliche Empfinden, auch in vielen technischen Anwendungen ist nicht die Temperatur von Bedeutung, sondern der Wärmestrom. So hat die Atmosphäre der Erde oberhalb 1000 km Temperaturen von mehr als 1000 °C, dennoch verglühen deshalb keine Satelliten. Auf Grund der geringen Teilchendichte ist der Energieübertrag minimal.

Temperatur, thermische Energie und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Die formalen Eigenschaften der Temperatur werden in der Thermodynamik behandelt und dort über die Entropie S und die innere Energie U definiert. Man bezeichnet die Temperatur hier als eine systemeigene, intensive Zustandsgröße. Im eindimensionalen Fall in x-Richtung kann man die Temperatur über folgende Gleichung definieren: :\frac = \frac Bei einer sehr großen Ansammlung von Teilchen und dem Vorliegen eines idealen Gases, kann man die Maxwell-Boltzmann-Verteilung anwenden und in der Folge die Temperatur wie folgt definieren: : T := \frac Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- M - Molmasse
- R - universelle Gaskonstante
- \sqrt - quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit (hier zum Quadrat) Die Temperatur ist damit ein Maß für den durchschnittlichen ungerichteten, also zufälligen, Bewegungsenergieanteil (kinetische Energie) einer Ansammlung von Teilchen. Die Teilchen sind hierbei die Luftmoleküle bzw. die Moleküle oder Atome eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers. In der statistischen Mechanik steht die Temperatur mit der Energie pro Freiheitsgrad in Zusammenhang. Im idealen Gas aus einatomigen Molekülen sind das drei Translationsfreiheitsgrade pro Molekül und bei mehratomigen Gasen können weitere Rotationsfreiheitsgrade hinzu kommen. Bei Gasen kann man diesen Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchengeschwindigkeit nach obiger Beziehung sogar quantitativ angeben. Eine Verdopplung der Temperatur auf der Kelvin-Skala führt bei idealen Gasen zu einer Erhöhung der quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit um den Faktor 2½ = 1,414. Zwei unterschiedliche Gase haben dann die gleiche Temperatur, wenn das Produkt aus der Molmasse des jeweiligen Gases und dem Quadrat der quadratisch gemittelten Teilchengeschwindigkeit gleich groß ist. Im thermischen Gleichgewicht nimmt jeder Freiheitsgrad der Materie (Bewegung, potenzielle Energie, Schwingungen, elektronische Anregungen etc.) eine der Temperatur entsprechende Menge an Energie auf. Wieviel genau muss aus der kanonischen Verteilung (Boltzmannkonstante) berechnet werden und ist durch das Verhältnis von Energie zu Temperatur mal Boltzmannkonstante kB bestimmt. Bei der kontinuierlichen (klassischen) kinetischen Energie ist dies genau kBT/2. Die Boltzmannkonstante ergibt einen Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur, welcher 11.606,7 Kelvin pro Elektronenvolt beträgt. Bei Raumtemperatur (300 Kelvin) ergibt dies 0,0258472 eV. Die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen ist abhängig von der Molekülmasse bzw. Molmasse. Dabei sind die schweren Teilchen jedoch auch langsamer. Bei idealen Gasen gleichen sich Massenerhöhung und Geschwindigkeitsernierdrigung gegenseitig aus, was zum Gesetz von Avogadro führt. Die thermische Energie ist jedoch wie die Temperatur selbst nur ein Mittelwert innerhalb eines Vielteilchensystems und ihr Zusammenhang mit der Teilchengeschwindigkeit lässt sich ebenfalls aus der Maxwell-Boltzmann-Verteilung ableiten: : \overline = \frac m \overline Das thermische Gleichgewicht hat eine wichtige Eigenschaft, welche in der Thermodynamik zur Formulierung des Nullten Hauptsatzes führt. Wenn ein System A sich mit einem System B sowie B sich mit einem System C im thermischen Gleichgewicht befinden, so befindet sich auch A mit C im thermischen Gleichgewicht. Das thermische Gleichgewicht ist damit transitiv, was es möglich macht die empirische Temperatur θ einzuführen. Diese ist so definiert, dass zwei Systeme genau dann die gleiche empirische Temperatur haben, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden.

Messung der Temperatur

Messung durch Kontakt

Die Temperaturmessung erfolgt mit Hilfe von Thermometern oder anderen wärmesensitiven Messgeräten. Bei Messungen mit massebehafteten Sensoren ist der Wärmeleitung besonders Rechnung zu tragen: Man muss genügend lange warten, bis diese Temperatur-Angleichung im Rahmen der gewünschten Messgenauigkeit eingetreten ist. Andererseits können dabei andere Einflüsse wirksam werden (z.B. Wärmestrahlung, eigener Atem). Die Messgenauigkeit wird bei den feinsten Methoden durch die Brownsche Molekularbewegung begrenzt, bei der Lufttemperatur aber meist durch lokale Turbulenzen. Die Temperaturerfassung durch Kontakt ist in vier Teilbereiche aufzuteilen: #die mechanische Erfassung mittels #
- Gas- oder Flüssigkeitsthermometer (z.B. traditionelle Quecksilber- oder Alkoholthermometer) #
- Bimetallthermometer #
- Temperaturmessfarben (auch thermochromatische Farben; Farbumschlag bei einer bestimmten Temperatur) #
- Seeger-Kegel (Formkörper, die ihre Festigkeit und dadurch ihre Kontur bei einer bestimmten Temperatur ändern) #die resistiven Temperaturaufnehmer (Widerstandsthermometer) #die Thermoelemente #die indirekte, erfahrungsgestützte Messung über tabellierte Stoffdaten (zum Beispiel umgekehrte Schmelzpunktbestimmung) Schmelzpunktbestimmung

Messung durch elektromagnetische Strahlung

Die Temperatur kann indirekt durch die Wärmestrahlung mit einem Pyrometer gemessen werden. Durch diese ist auch eine Thermografie möglich, also eine Farbanzeige oder Hell-Dunkel Darstellung der Temperatur von Flächen und Räumen wie im Bild zur Linken, welches einem Kaffeeautomaten zeigt. Gut erkennbar ist hierbei auch die thermische Spiegelung. Eine andere Art der Temperaturmessung durch elektromagnetische Strahlung auch anderer Wellenlängenbereiche bieten die Bolometer. Siehe hierzu auch Messgeräte, Messtechnik, Messung und Kategorie Temperaturmessung

Temperaturskalen und ihre Einheiten

SI-Einheit

Die SI-Einheit der thermodynamischen Temperatur (Formelzeichen: T) ist Kelvin (Einheitenzeichen: K). Ein Kelvin ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser, bei dem dessen feste, flüssige und gasförmige Phase koexistieren. Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt beim absoluten Nullpunkt. Es ist üblich und nützlich Temperaturdifferenzen immer in Kelvin anzugeben.

Nicht-SI-Einheiten

Die empirische Temperatur (Formelzeichen: \vartheta; gelegentlich auch t), auch als Celsiustemperatur bezeichnet, da in Grad Celsius (Einheitenzeichen: °C) angegeben, ergibt sich damit aus der thermodynamischen Temperatur durch : \vartheta/^\circ\mathrm = T/\mathrm-273,\!15 . Temperaturdifferenzen können vom Prinzip her auch in Grad Celsius angegeben werden, das den gleichen Skalenabstand aufweist wie die Kelvin-Skala, dessen Nullpunkt sich aber auf den Gefrierpunkt von Wasser beim Normaldruck (mittlerer Luftdruck auf Meereshöhe) bezieht. Der so festgelegte Gefrierpunkt liegt gerade 0,01 K unterhalb der Temperatur des Tripelpunktes von Wasser. In den USA ist die Fahrenheit-Skala mit der Einheit Grad Fahrenheit (Einheitenzeichen: °F) immer noch sehr gebräuchlich. Die absolute Temperatur auf Fahrenheit-Basis wird mit Grad Rankine (Einheitenzeichen: °Ra) bezeichnet. Die Rankine-Skala hat den Nullpunkt wie die Kelvin-Skala beim absoluten Temperaturnullpunkt, im Gegensatz zu dieser jedoch die Skalenabstände der Fahrenheit-Skala.

Temperaturskalen

Eine Temperaturskala ist eine Methode der Angabe einer Temperatur in einer Skala und damit der Bestimmung der jeweiligen Messtemperatur in Bezug zu einem Vergleichswert. Zu ihrer Erstellung werden immer mindestens zwei Fixpunkte benötigt. Diese legt man bei bestimmten temperaturabhängigen Eigenschaftsänderungen von Stoffen oder auch anderen Messergebnissen fest. Die häufigsten Fixpunkte sind hierbei der absolute Temperaturnullpunkt, sowie der Schmelzpunkt und Siedepunkt von Wasser. Ausgehend von diesen Fixpunkten wählt man einen Gradabstand für die Größe des Intervalls zwischen zwei Graden und kann auf diese Weise eine Maßeinheit für die Temperatur definieren. Es ist dabei jedoch wichtig, dass der Temperaturbereich zwischen den gewählten Fixpunkten einen konstanten Anstieg aufweist, da man ansonsten unterschiedlich große Gradabstände erhält, je nachdem ob die betrachtete Temperatur näher oder ferner von einem der Fixpunkte liegt. Die bekanntesten Temperaturskalen mit ihren verschiedenen Charakteristika sind in den folgenden Tabellen dargestellt. Die heute gültige Temperaturskala ist die "International Temperature Scale of 1990" (ITS-90). :¹ Einige Werte dieser Tabelle sind gerundet :² Übliche Körpertemperatur ist 36.8 °C ± 0.7 °C, oder 98.2 °F ± 1.3 °F Ein Programm zur automatischen Temperaturumrechnung ist in den Weblinks zu finden.

Ausgewählte Temperaturen

Spezifische Stoffwerte können den entsprechenden Artikel wie beispielsweise Siedepunkt und Schmelzpunkt entnommen werden. Ein Vergleich der Größenordnung von Temperaturen der Kelvin-Skala ist gesondert dargetellt.

Siehe auch


- Kategorie Schwellenwerte der Temperatur
- Absolute Temperatur
- Kritische Temperatur
- Curie-Temperatur
- Debye-Temperatur
- Boyle-Temperatur
- Dopplertemperatur
- Oberflächentemperatur
- Rekristallisationstemperatur
- Potenzielle Temperatur
- Virtuelle Temperatur
- Temperaturresistenz
- Tagesmitteltemperatur
- Wärmekapazität

Weblinks


- [http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/general/units.html#temp Temperatur-Umrechnung]
- [http://www.temp-web.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=26 Informationen rund um die Temperatur]
- [http://www.its-90.com/ Website der ITS-90 (engl.)]
- [http://www.marco-burmeister.de/index_frameaufbau.html?helferlein_temperatur_grad Umrechnungen zw. den Temperaturskalen Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine, Réaumur (Online)] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Temperaturmessung ja:温度 ko:온도 th:อุณหภูมิ

Dichteanomalie

Die Dichte von Stoffen nimmt im Allgemeinen mit abnehmender Temperatur zu bzw. mit zunehmender Temperatur ab. So dehnt sich beispielsweise Eisen bei Erwärmung aus und schrumpft bei Abkühlung wieder. Als eine Ausnahme hiervon ist Wasser zu nennen: Die größte Dichte erreicht Wasser unter Normaldruck bei 3,98 °C. Wird es wärmer oder kälter, so dehnt es sich wieder aus. Genaueres hierzu unter Wasser (Eigenschaften). Stoffe können 4 Aggregatzustände erreichen:
- Gasförmig
- Flüssig
- Fest
- Plasma Wasser kann die ersten drei Aggregatzustände annehmen: gasförmig als Dampf, flüssig als Wasser und fest als Eis. Dichteanomalien können auch bei folgenden Stoffen beobachtet werden:
- Antimon
- Bismut
- Gallium
- Germanium
- Plutonium
- Silizium
- Zirkoniumwolframat Es ist möglich, daß diese Liste nicht komplett ist, bitte ggf. ergänzen Kategorie:Thermodynamik

Normalbedingung

Die so genannten Normalbedingungen (auch STP genannt vom englischen Begriff "Standard Temperature and Pressure") für die Angabe von Eigenschaften von Gasen sind:
- Temperatur T = 0 °C = 273,15 K und
- Druck p = 101325 Pa = 101325 N/m² = 1013,25 hPa = 101,325 kPa
Geregelt werden dies in Deutschland in der DIN 1343 „Referenzzustand, Normzustand, Normvolumen; Begriffe, Werte“ Dieser Zustand wird oft mit den Standardbedingungen (auch NTP für "Normal Temperature and Pressure") verwechselt. Während die STP weltweit genormt sind, variieren die NTP von Region zu Region (der Begriff wird hauptsächlich in den USA verwendet), und auch von Branche zu Branche. In der angelsächsischen Literatur werden die NTP oft auch als STP bezeichnet, so dass insbesondere bei englischsprachigen Angaben gut darauf geachtet werden muss, welcher Zustand tatsächlich gemeint ist. Heute sind neue Normalbedingungen (SATP für "Standard Ambient Temperature and Pressure") üblich:
- Standarddruck p = 100000 Pa = 1000 hPa = 100 kPa = 1 bar
- Standardtemperatur T = 298,15 K ≙ 25 °C (analog zu STP) :(Standardbedingungen z. B. der Enzymkinetik)
Kategorie:Chemie

Temperatur

Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße, die vom Menschen als Wärme beziehungsweise Kälte empfunden wird. Hohe Temperaturen bezeichnet man als heiß, niedrige als kalt. Tatsächlich jedoch beschreibt die Temperatur die mittlere kinetische Energie pro Teilchen, sie ist eine makroskopische und damit phänomenologische Größe und verliert bei Betrachtungen auf Teilchenebene ihren Sinn.

Wärmeleitung und Temperaturempfinden

Stehen zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Wärmekontakt, so wird nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik solange Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis beide im thermischen Gleichgewicht stehen und die gleiche Temperatur angenommen haben. Es gibt dabei drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung: # Wärmeleitung # Konvektion # Wärmestrahlung Der Mensch kann Temperaturen nur im Bereich um 30 °C fühlen. Genau genommen nimmt man nicht Temperaturen wahr, sondern die Größe des Wärmestroms durch die Hautoberfläche, weshalb man auch von einer gefühlten Temperatur spricht. Dies hat für das Temperaturempfinden einige Konsequenzen:
- Temperaturen oberhalb der Oberflächentemperatur der Haut fühlen sich warm an, solche unterhalb empfinden wir als kalt
- Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Metalle, führen zu höheren Wärmeströmen und fühlen sich deshalb wärmer beziehungsweise kälter an, als Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, wie Holz oder Polystyrol
- Bei gleich kalter Außentemperatur ist die gefühlte Temperatur bei Wind durch den Windchill niedriger als bei Windstille
- Der Mensch kann Lufttemperatur von überlagerter Wärmestrahlung nicht unterscheiden, was auch ganz allgemein gilt und unter anderem dazu führt das Lufttemperaturen immer im Schatten gemessen werden
- Gleiche Temperatur wird von den beiden Händen als unterschiedlich wahrgenommen, wenn diese selbst unterschiedliche Oberflächentemperatur aufweisen Genaugenommen gilt dies nicht nur für das menschliche Empfinden, auch in vielen technischen Anwendungen ist nicht die Temperatur von Bedeutung, sondern der Wärmestrom. So hat die Atmosphäre der Erde oberhalb 1000 km Temperaturen von mehr als 1000 °C, dennoch verglühen deshalb keine Satelliten. Auf Grund der geringen Teilchendichte ist der Energieübertrag minimal.

Temperatur, thermische Energie und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Die formalen Eigenschaften der Temperatur werden in der Thermodynamik behandelt und dort über die Entropie S und die innere Energie U definiert. Man bezeichnet die Temperatur hier als eine systemeigene, intensive Zustandsgröße. Im eindimensionalen Fall in x-Richtung kann man die Temperatur über folgende Gleichung definieren: :\frac = \frac Bei einer sehr großen Ansammlung von Teilchen und dem Vorliegen eines idealen Gases, kann man die Maxwell-Boltzmann-Verteilung anwenden und in der Folge die Temperatur wie folgt definieren: : T := \frac Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- M - Molmasse
- R - universelle Gaskonstante
- \sqrt - quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit (hier zum Quadrat) Die Temperatur ist damit ein Maß für den durchschnittlichen ungerichteten, also zufälligen, Bewegungsenergieanteil (kinetische Energie) einer Ansammlung von Teilchen. Die Teilchen sind hierbei die Luftmoleküle bzw. die Moleküle oder Atome eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers. In der statistischen Mechanik steht die Temperatur mit der Energie pro Freiheitsgrad in Zusammenhang. Im idealen Gas aus einatomigen Molekülen sind das drei Translationsfreiheitsgrade pro Molekül und bei mehratomigen Gasen können weitere Rotationsfreiheitsgrade hinzu kommen. Bei Gasen kann man diesen Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchengeschwindigkeit nach obiger Beziehung sogar quantitativ angeben. Eine Verdopplung der Temperatur auf der Kelvin-Skala führt bei idealen Gasen zu einer Erhöhung der quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit um den Faktor 2½ = 1,414. Zwei unterschiedliche Gase haben dann die gleiche Temperatur, wenn das Produkt aus der Molmasse des jeweiligen Gases und dem Quadrat der quadratisch gemittelten Teilchengeschwindigkeit gleich groß ist. Im thermischen Gleichgewicht nimmt jeder Freiheitsgrad der Materie (Bewegung, potenzielle Energie, Schwingungen, elektronische Anregungen etc.) eine der Temperatur entsprechende Menge an Energie auf. Wieviel genau muss aus der kanonischen Verteilung (Boltzmannkonstante) berechnet werden und ist durch das Verhältnis von Energie zu Temperatur mal Boltzmannkonstante kB bestimmt. Bei der kontinuierlichen (klassischen) kinetischen Energie ist dies genau kBT/2. Die Boltzmannkonstante ergibt einen Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur, welcher 11.606,7 Kelvin pro Elektronenvolt beträgt. Bei Raumtemperatur (300 Kelvin) ergibt dies 0,0258472 eV. Die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen ist abhängig von der Molekülmasse bzw. Molmasse. Dabei sind die schweren Teilchen jedoch auch langsamer. Bei idealen Gasen gleichen sich Massenerhöhung und Geschwindigkeitsernierdrigung gegenseitig aus, was zum Gesetz von Avogadro führt. Die thermische Energie ist jedoch wie die Temperatur selbst nur ein Mittelwert innerhalb eines Vielteilchensystems und ihr Zusammenhang mit der Teilchengeschwindigkeit lässt sich ebenfalls aus der Maxwell-Boltzmann-Verteilung ableiten: : \overline = \frac m \overline Das thermische Gleichgewicht hat eine wichtige Eigenschaft, welche in der Thermodynamik zur Formulierung des Nullten Hauptsatzes führt. Wenn ein System A sich mit einem System B sowie B sich mit einem System C im thermischen Gleichgewicht befinden, so befindet sich auch A mit C im thermischen Gleichgewicht. Das thermische Gleichgewicht ist damit transitiv, was es möglich macht die empirische Temperatur θ einzuführen. Diese ist so definiert, dass zwei Systeme genau dann die gleiche empirische Temperatur haben, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden.

Messung der Temperatur

Messung durch Kontakt

Die Temperaturmessung erfolgt mit Hilfe von Thermometern oder anderen wärmesensitiven Messgeräten. Bei Messungen mit massebehafteten Sensoren ist der Wärmeleitung besonders Rechnung zu tragen: Man muss genügend lange warten, bis diese Temperatur-Angleichung im Rahmen der gewünschten Messgenauigkeit eingetreten ist. Andererseits können dabei andere Einflüsse wirksam werden (z.B. Wärmestrahlung, eigener Atem). Die Messgenauigkeit wird bei den feinsten Methoden durch die Brownsche Molekularbewegung begrenzt, bei der Lufttemperatur aber meist durch lokale Turbulenzen. Die Temperaturerfassung durch Kontakt ist in vier Teilbereiche aufzuteilen: #die mechanische Erfassung mittels #
- Gas- oder Flüssigkeitsthermometer (z.B. traditionelle Quecksilber- oder Alkoholthermometer) #
- Bimetallthermometer #
- Temperaturmessfarben (auch thermochromatische Farben; Farbumschlag bei einer bestimmten Temperatur) #
- Seeger-Kegel (Formkörper, die ihre Festigkeit und dadurch ihre Kontur bei einer bestimmten Temperatur ändern) #die resistiven Temperaturaufnehmer (Widerstandsthermometer) #die Thermoelemente #die indirekte, erfahrungsgestützte Messung über tabellierte Stoffdaten (zum Beispiel umgekehrte Schmelzpunktbestimmung) Schmelzpunktbestimmung

Messung durch elektromagnetische Strahlung

Die Temperatur kann indirekt durch die Wärmestrahlung mit einem Pyrometer gemessen werden. Durch diese ist auch eine Thermografie möglich, also eine Farbanzeige oder Hell-Dunkel Darstellung der Temperatur von Flächen und Räumen wie im Bild zur Linken, welches einem Kaffeeautomaten zeigt. Gut erkennbar ist hierbei auch die thermische Spiegelung. Eine andere Art der Temperaturmessung durch elektromagnetische Strahlung auch anderer Wellenlängenbereiche bieten die Bolometer. Siehe hierzu auch Messgeräte, Messtechnik, Messung und Kategorie Temperaturmessung

Temperaturskalen und ihre Einheiten

SI-Einheit

Die SI-Einheit der thermodynamischen Temperatur (Formelzeichen: T) ist Kelvin (Einheitenzeichen: K). Ein Kelvin ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser, bei dem dessen feste, flüssige und gasförmige Phase koexistieren. Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt beim absoluten Nullpunkt. Es ist üblich und nützlich Temperaturdifferenzen immer in Kelvin anzugeben.

Nicht-SI-Einheiten

Die empirische Temperatur (Formelzeichen: \vartheta; gelegentlich auch t), auch als Celsiustemperatur bezeichnet, da in Grad Celsius (Einheitenzeichen: °C) angegeben, ergibt sich damit aus der thermodynamischen Temperatur durch : \vartheta/^\circ\mathrm = T/\mathrm-273,\!15 . Temperaturdifferenzen können vom Prinzip her auch in Grad Celsius angegeben werden, das den gleichen Skalenabstand aufweist wie die Kelvin-Skala, dessen Nullpunkt sich aber auf den Gefrierpunkt von Wasser beim Normaldruck (mittlerer Luftdruck auf Meereshöhe) bezieht. Der so festgelegte Gefrierpunkt liegt gerade 0,01 K unterhalb der Temperatur des Tripelpunktes von Wasser. In den USA ist die Fahrenheit-Skala mit der Einheit Grad Fahrenheit (Einheitenzeichen: °F) immer noch sehr gebräuchlich. Die absolute Temperatur auf Fahrenheit-Basis wird mit Grad Rankine (Einheitenzeichen: °Ra) bezeichnet. Die Rankine-Skala hat den Nullpunkt wie die Kelvin-Skala beim absoluten Temperaturnullpunkt, im Gegensatz zu dieser jedoch die Skalenabstände der Fahrenheit-Skala.

Temperaturskalen

Eine Temperaturskala ist eine Methode der Angabe einer Temperatur in einer Skala und damit der Bestimmung der jeweiligen Messtemperatur in Bezug zu einem Vergleichswert. Zu ihrer Erstellung werden immer mindestens zwei Fixpunkte benötigt. Diese legt man bei bestimmten temperaturabhängigen Eigenschaftsänderungen von Stoffen oder auch anderen Messergebnissen fest. Die häufigsten Fixpunkte sind hierbei der absolute Temperaturnullpunkt, sowie der Schmelzpunkt und Siedepunkt von Wasser. Ausgehend von diesen Fixpunkten wählt man einen Gradabstand für die Größe des Intervalls zwischen zwei Graden und kann auf diese Weise eine Maßeinheit für die Temperatur definieren. Es ist dabei jedoch wichtig, dass der Temperaturbereich zwischen den gewählten Fixpunkten einen konstanten Anstieg aufweist, da man ansonsten unterschiedlich große Gradabstände erhält, je nachdem ob die betrachtete Temperatur näher oder ferner von einem der Fixpunkte liegt. Die bekanntesten Temperaturskalen mit ihren verschiedenen Charakteristika sind in den folgenden Tabellen dargestellt. Die heute gültige Temperaturskala ist die "International Temperature Scale of 1990" (ITS-90). :¹ Einige Werte dieser Tabelle sind gerundet :² Übliche Körpertemperatur ist 36.8 °C ± 0.7 °C, oder 98.2 °F ± 1.3 °F Ein Programm zur automatischen Temperaturumrechnung ist in den Weblinks zu finden.

Ausgewählte Temperaturen

Spezifische Stoffwerte können den entsprechenden Artikel wie beispielsweise Siedepunkt und Schmelzpunkt entnommen werden. Ein Vergleich der Größenordnung von Temperaturen der Kelvin-Skala ist gesondert dargetellt.

Siehe auch


- Kategorie Schwellenwerte der Temperatur
- Absolute Temperatur
- Kritische Temperatur
- Curie-Temperatur
- Debye-Temperatur
- Boyle-Temperatur
- Dopplertemperatur
- Oberflächentemperatur
- Rekristallisationstemperatur
- Potenzielle Temperatur
- Virtuelle Temperatur
- Temperaturresistenz
- Tagesmitteltemperatur
- Wärmekapazität

Weblinks


- [http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/general/units.html#temp Temperatur-Umrechnung]
- [http://www.temp-web.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=26 Informationen rund um die Temperatur]
- [http://www.its-90.com/ Website der ITS-90 (engl.)]
- [http://www.marco-burmeister.de/index_frameaufbau.html?helferlein_temperatur_grad Umrechnungen zw. den Temperaturskalen Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine, Réaumur (Online)] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Temperaturmessung ja:温度 ko:온도 th:อุณหภูมิ

Hygroskopisch

Hygroskopie (v. griech.: hygrós = feucht, nass + skopein = anschauen) bezeichnet in der Chemie und Physik die Eigenschaft, Feuchtigkeit aus der Umgebung (meist in Form von Wasserdampf aus der Luftfeuchtigkeit) aufzunehmen. Die aufnehmenden Stoffe - soweit es sich um feste Stoffe handelt - zerfließen oder verklumpen meistens durch die Wasseraufnahme. Hygroskopie wird oft fälschlicherweise als Hydroskopie (aufgrund des griechischen Wortes hydrós = Wasser) bezeichnet.

Anwendungen

Stark hygroskopische Stoffe wie zum Beispiel Calciumchlorid, Magnesiumchlorid oder Silicagel werden als Trockenmittel verwendet. Letztere bleiben auch im gesättigten Zustand rieselfähig und formstabil und liegen oftmals Gegenständen, die vor Feuchtigkeit geschützt werden sollen (elektronische oder optische Geräte), in einem Beutel bei. Eine andere Anwendung ist die Bindung von Wasser in Kältemaschinen (z.B. Absorptionskältemaschine). Durch hygroskopische Stoffe kann der Dampfdruck des Wassers in der darüberliegenden Atmosphäre verringert werden, sofern der Raum dicht ist. Als Grundlage dafür ist anzusehen, das der hygroskopische also wasseranziehende Stoff selber einen geringeren Dampfdruck besitzt als der Dampfdruck des umgebenden Raumes.

Unerwünschte Effekte

Die Eigenschaft ist in der Praxis oft unerwünscht, zum Beispiel, wenn Kochsalz aufgrund von aufgenommener Luftfeuchtigkeit verklumpt. Kochsalz ist allerdings nicht selbst hygroskopisch, die Feuchtigkeitsaufnahme resultiert aus Spuren von Magnesiumchlorid im Kochsalz. Auch in anderen Bereichen ist dieser Effekt von Bedeutung. Die Bremsflüssigkeit von Autos neigt ebenfalls dazu, Wasser zu binden. Wird beim Bremsen das Wasser dann erhitzt, kommt es zur Wasserdampfbildung im Bremssystem, wodurch die Bremsleistung rapide absinkt. Deshalb ist ein zweijähriger Wechsel der Bremsflüssigkeit vorgeschrieben. Kategorie:Physik Kategorie:Chemie

Luftfeuchte

Die Luftfeuchtigkeit, oder kurz Luftfeuchte, bezeichnet den Anteil des Wasserdampfs am Gasgemisch der Erdatmosphäre oder in Räumen. Flüssiges Wasser oder Eis wird der Luftfeuchtigkeit folglich nicht zugerechnet. Eis

Allgemeines

Ein wasserfreies Luftgemisch bezeichnet man als trockene Luft. Tabellen zur Zusammensetzung der Luft beziehen sich in der Regel auf trockene Luft, da der Wasserdampfanteil feuchter Luft mit 0 bis 4 Volumenprozent vergleichsweise sehr stark schwankt. Beeinflusst wird die Luftfeuchtigkeit vor allem durch die Verfügbarkeit von Wasser, die Temperatur und den Grad der Durchmischung der Atmosphäre. Höhere Lufttemperaturen befähigen die Luft, mehr Wasserdampf aufzunehmen. Bei sehr geringen Konzentrationen von Wasserdampf in der Luft bezeichnet man die Luftfeuchtigkeit auch als Spurenfeuchte.

Physikalische Grundlagen

Verdunstung und Kondensation

An einer freien Wasseroberfläche, die flüssiges Wasser vom darüber liegenden Luftvolumen trennt, treten stets einzelne Wassermoleküle vom Wasservolumen in das Luftvolumen über. Im flüssigen Wasser sind die Wassermoleküle durch molekulare Kräfte vergleichsweise stark aneinander gebunden, wodurch sich der zusammenhängende Flüssigkeitsverbund erst ausbilden kann. Infolge ihrer thermischen Bewegung tragen die Wassermoleküle jedoch jeweils gewisse Beträge an kinetischer Energie, die um einen temperaturabhängigen Mittelwert herum streuen. Ein kleiner Prozentsatz von Wassermolekülen hat daher stets genügend thermische Energie, um die Bindungskräfte der umgebenden Moleküle zu überwinden, die Wasseroberfläche zu verlassen und in das Luftvolumen überzugehen, also zu verdunsten. Die Verdunstungsrate hängt vom Prozentsatz derjenigen Moleküle ab, deren kinetische Energie die Bindungsenergie des Flüssigkeitsverbundes überschreitet und wird daher unter anderem von der herrschenden Temperatur bestimmt. Umgekehrt treffen verdunstete Wassermoleküle aus der Luft auch wieder auf die Wasseroberfläche und können dort je nach ihrer kinetischen Energie mit gewisser Wahrscheinlichkeit vom Molekülverbund eingefangen werden, also kondensieren. Die Kondensationsrate ist abhängig von der Dichte der Wassermoleküle in der Luft.

Sättigung

Betrachtet man einen Verdunstungsvorgang bei konstanter Temperatur und anfangs trockener Luft, so stellt sich die der Temperatur entsprechende Verdunstungsrate ein, während die Kondensationsrate mangels Wassermolekülen in der Luft zunächst gleich Null ist. Die Verdunstungsrate ist also größer als die Kondensationsrate und die Anzahl von Wassermolekülen in der Luft steigt an. Damit wächst auch die Kondensationsrate und die Nettoverdunstung (Verdunstungsrate minus Kondensationsrate) beginnt zu sinken. Die Dichte der Wassermoleküle in der Luft und damit die Kondensationsrate steigen so lange an, bis Kondensationsrate und Verdunstungsrate gleich sind, pro Zeiteinheit also ebenso viele Wassermoleküle vom Wasser in die Luft übertreten wie von der Luft ins Wasser. Dann ist der Gleichgewichtszustand erreicht, in dem die Nettoverdunstung null ist, obwohl ein ständiger Teilchenaustausch zwischen Luft und Wasser herrscht. Gleiches gilt für Sublimation und Resublimation über einer Eisoberfläche, jedoch mit einem anderen Gleichgewichtspunkt. Die im Gleichgewichtszustand vorliegende Konzentration von Wassermolekülen in der Luft ist die Sättigungskonzentration. Bei höherer Temperatur wird sich auch eine höhere Sättigungskonzentration einstellen, damit die höhere (temperaturabhängige) Verdunstungsrate durch eine höhere Kondensationsrate wieder kompensiert wird. Die Eigenschaften der Luft selbst spielen bei diesen Vorgängen praktisch keine Rolle. Die Sättigungskonzentration wird fast allein durch die Eigenschaften des Wasserdampfs bestimmt. Die umgangssprachlich gebräuchliche und wegen der Einfachheit auch in Fachkreisen weit verbreitete Ausdrucksweise, die Luft könne bei gegebener Temperatur eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen, ist irreführend. Die Luft nimmt nicht etwa die Feuchtigkeit auf wie ein Schwamm es täte.

Übersättigung

Erhöht man durch eine Zufuhr von Wassermolekülen deren Konzentration über die Sättigungskonzentration hinaus, so steigt wegen der größeren Dichte an Wassermolekülen die Kondensationsrate vorübergehend über die Verdunstungsrate hinaus an und die Konzentration an Wassermolekülen sinkt anschließend wieder auf den Gleichgewichtswert. Es kommt zu einer Übersättigung. Auch hier ist zu beachten, dass es sich nicht etwa um ein Unvermögen der Luft handelt, den überschüssigen Wasserdampf zu halten. Vielmehr nützt der Wasserdampf unter diesen Bedingungen eine sich darbietende Kondensationsfläche, um seine Konzentration auf die Sättigungskonzentration zu senken. Fehlen solche Kondensationsflächen, die Kondensationskerne, so kann die Luft dauerhaft erhebliche Mengen von Wasserdampf aufnehmen. Dies ist zum Beispiel in großen Volumina möglichst reiner Luft, also bei einer geringen Aerosolkonzentration, und bei großer Entfernung von etwaigen Umschließungsflächen der Fall (siehe Nebelkammer). Spontane Kondensation von Wasserdampf zu Wassertröpfchen findet ohne Kondensationskeime erst bei extremer Übersättigung (mehrere hundert Prozent relativer Feuchte) statt. In der Praxis ist jedoch fast immer eine ausreichend große Menge von Aerosolen in der Luft vorhanden, so dass es in der Atmosphäre kaum zu Übersättigungen von mehreren Prozentpunkten kommt.

Teilsättigung

Die Verdunstungsrate des Wassers kann bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten. Es dauert daher längere Zeit, bis sich das Gleichgewicht nach einer Störung wieder eingestellt hat. Wurde durch die zum Beispiel nächtliche Abkühlung ein Teil des Feuchtegehalts auskondensiert, so ist die Luft nach einer Erwärmung zunächst ungesättigt und kann den Sättigungszustand nur langsam wieder erreichen. Diese Teilsättigung ist für unsere Atmosphäre wegen der häufigen Temperaturschwankungen der Normalfall, wobei man in der Regel von ungesättigter Luft spricht. Es ist für zahlreiche Vorgänge von großer Bedeutung, wie weit die Luft vom Sättigungszustand entfernt ist, weshalb verschiedene Feuchtemaße dazu dienen, diesen Zustand quantitativ zu beschreiben.

Abhängigkeit der Sättigungsmenge von Umgebungseinflüssen

Grundlagen der Thermodynamik

Alle Gasteilchen eines idealen Gases bewegen sich im Rahmen der kinetischen Gastheorie unabhängig voneinander und wechselwirken in diesem Modell ausschließlich durch elastische Stöße, bevorzugen dabei jedoch keine Raumrichtung. Die Beschreibung idealer Gase erfolgt durch die allgemeine Gasgleichung, die deren Verhalten bezüglich der Zustandsgrößen Druck, Volumen, Temperatur und Stoffmenge beschreibt. Das ideale Verhalten der Luft nimmt jedoch mit zunehmendem Wasserdampfgehalt ab. Die Luft und besonders der in ihr enthaltene Wasserdampf zeigen daher viele reale Effekte, welche unter anderem durch die van-der-Waals-Gleichung oder die Virialgleichungen näherungsweise beschrieben werden. Unter natürlichen atmosphärischen Bedingungen sind vom idealen Verhalten abweichende Wechselwirkungen der Gasteilchen, wie zum Beispiel Phasenübergänge, Elektrostatik und Hygroskopie zu berücksichtigen. Dabei kommt es insbesondere zu einer Wechselwirkung der gasförmigen Wassermoleküle mit den in der Luft schwebenden festen und flüssigen Bestandteilen, den Aerosolen. Um die Dynamik des Wasserdampfgehaltes in der Luft, also der Luftfeuchtigkeit, richtig verstehen zu können, ist es daher nötig, sowohl die grundlegenden Prozesse innerhalb eines idealen Gases (Teilchencharakter) als auch die zusätzlichen Eigenschaften eines realen Gases (Wechselwirkungen der Teilchen über Stöße hinaus) richtig zu verstehen. Neben einem rein qualitativen Verständnis der verschiedenen Teilprozesse und somit der grundlegenden Dynamik ist es jedoch auch nötig, diese Effekte in ihrer Bedeutung und ihrer letztendlichen Auswirkung auf die Luftfeuchtigkeit quantitativ zu beschreiben. Hierfür existieren verschiedene thermodynamische Grundbeziehungen und empirische Näherungsformeln, welche im Laufe des Artikels neben einer rein qualitativen Beschreibung vorgestellt werden.

Temperatur

Aerosol Bei Erhöhung der Temperatur nimmt der Anteil an Wassermolekülen zu, welche genügend kinetische Energie besitzen, um die Wasseroberfläche zu verlassen. Es stellt sich also eine höhere Verdunstungsrate ein, welche durch eine höhere Kondensationsrate kompensiert werden muß, was aber eine höhere Konzentration von Wassermolekülen in der Luft voraussetzt. Die Wasserdampfkapazität der Luft nimmt daher, wie in der Abbildung rechts dargestellt, mit steigender Temperatur exponentiell zu. Der Wasserdampf hat für jede Temperatur bei gegebenem Druck eine eindeutig bestimmte Sättigungsmenge. Bei atmosphärischem Normaldruck von 0,10135 MPa kann ein Kubikmeter Luft bei zehn Grad Celsius insgesamt 9,41 Gramm Wasser aufnehmen. Die gleiche Luftmenge nimmt bei 30 Grad Celsius jedoch bis zu 30,38 Gramm Wasser auf. Man bezeichnet diese Sättigungsmenge als maximale Feuchte, die im Artikel Sättigung tabelliert ist. Hierbei sind auch Mollier-Diagramme nach Richard Mollier (1923) zur Darstellung der Luftfeuchtigkeit weit verbreitet.

Druck

Die Wasserdampfkapazität der Luft ist, wie oben dargelegt, abhängig von der Temperatur, nicht jedoch gleichzeitig auch vom Druck. Dies liegt daran, dass mit Wasserdampf gesättigte Luft kein ideales Gas darstellt und eine Druckerhöhung in der Kondensation einer entsprechenden Wassermenge resultiert, nicht jedoch in einer Änderung der Wasserdampfkapazität selbst. In allgemeiner Form gilt dies auch für die Phasenübergänge anderer Gase, tritt jedoch aufgrund der für atmosphärische Temperaturen/Drücke eher untypischen Kondensations- und Siedepunkte seltener auf. Eine geringe Abweichung zeigt die Luftfeuchte aber dennoch, weshalb man einen Korrekturfaktor (engl.: enhancement factor) nutzt, um genauere Werte zu erhalten. Dieser Korrekturfaktor berücksichtigt molekulare Wechselwirkungen, welche den Sättigungsdampfdruck des Wasserdampfes erhöhen. Der Korrekturfaktor ist dabei von Temperatur und Druck abhängig, wobei er sich bei atmosphärischen Bedingungen im Bereich von 0,5 % bewegt und daher meist vernachlässigt wird (näheres im Artikel Sättigungsdampfdruck).

Reinheit des Wassers

Sind im Wasser andere Stoffe gelöst, so erschweren sie den Wassermolekülen das Verlassen der Wasseroberfläche, wodurch die Verdunstungsrate sinkt und sich eine geringere Sättigungsmenge einstellt (sog. Lösungseffekt).

Oberflächenkrümmung des Wassers

Ist die Wasseroberfläche wie zum Beispiel bei einem Tropfen nach außen gekrümmt, so sind die Wassermoleküle an der Oberfläche weniger stark gebunden und können die Oberfläche leichter verlassen. Dieser Krümmungseffekt bedingt daher, dass die Verdunstungsrate steigt. Wenn gesättigte Luft mit kleinen Nebeltröpfchen im Gleichgewicht steht, beträgt ihre relative Feuchte daher etwas über 100 %. Ist die Wasseroberfläche nach innen gekrümmt (wie zum Beispiel beim Meniskus in einer teilweise wassergefüllten Kapillare), so sind die Wassermoleküle an der Oberfläche stärker gebunden und können die Oberfläche weniger leicht verlassen – die Verdunstungsrate sinkt. Wenn gesättigte Luft in einem wasserhaltigen porösen Material mit den Menisken im Gleichgewicht steht, beträgt ihre relative Feuchte weniger als 100 %.

Feuchtemaße

Meniskus Der Wassergehalt der Luft kann durch verschiedene so genannte Feuchtemaße angegeben werden. Synonym verwendbare Bezeichnungen werden durch einen Schrägstrich verdeutlicht, zusammengehörige Feuchtemaße stehen in der gleichen Zeile.
- Dampfdruck (siehe auch Sättigungsdampfdruck) und Sättigungsdefizit / Dampfhunger (Pa, hPa, kPa, bar)
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