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Das Internationale Einheitensystem (SI)

Das Kelvin

Der Winter ist (zumindest bei uns auf der Nordhalbkugel) gerne mit Schimpftiraden verbunden: über die unangenehm nasse Kälte oder über zu viel Wärme (für die Jahreszeit), über zu viel Schnee oder zu wenig davon - eine passende Zeit für unsere Einheit des Monats: das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur.

Viele alltägliche Handlungen setzen eine genaue Temperaturmessung voraus, wie z. B. die Kontrolle chemischer Reaktionen, die Produktion von Lebensmittel sowie die Auswertung von Wetterdaten und Analysen zu Klimaveränderungen. Nahezu alle technischen Verfahren hängen von der Temperatur ab – manchmal in erheblichem Maße. Die Kenntnis der korrekten Temperatur ist gerade unter Extrembedingungen von hoher Bedeutung, diese Kenntnis zu erlangen dafür aber umso schwieriger, z. B. die extrem hohen Temperaturen, die für die Produktion von Stahl nötig sind, bzw. die extrem niedrigen Temperaturen, die für die Verwendung von Supraleitern verwendet werden.

Die Geschichte der Temperaturmessung reicht weit zurück. Vor ungefähr 2000 Jahren erfand der antike griechische Ingenieur Philon von Byzanz das wohl älteste Modell für ein Thermometer: eine hohle mit Luft und Wasser gefüllte Kugel, die über ein Röhrchen mit einem offenen Behälter verbunden ist. Die Idee dahinter war, dass sich die Luft in der Kugel ausdehnt oder zusammenzieht, wenn sie erhitzt oder gekühlt wird, wobei Wasser durch das Röhrchen gedrückt oder angesaugt wird. Später hat man herausgefunden, dass das Luftvolumen um etwa ein Drittel schrumpfte, wenn die Kugel vom Siedepunkt des Wassers auf den Gefrierpunkt des Wassers heruntergekühlt wurde. Dies führte zu Mutmaßungen darüber, was passieren würde, wenn man die Kugel ständig kühlen könnte. In der Mitte des 19. Jahrhunderts interessierte sich dann auch der britische Physiker William Thomson, der spätere Lord Kelvin, für das Konzept der "unendlichen Kälte" – ein Zustand, den wir heute als absoluten Temperaturnullpunkt bezeichnen. Im Jahre 1848 veröffentlichte er einen Artikel "On an Absolute Thermometric Scale" (Über eine absolute Temperaturskala), in dem er den absoluten Nullpunkt auf ungefähr -273 °C schätzte. Zu Ehren seiner Untersuchungen wird heute die Einheit der Temperatur nach ihm benannt: das „Kelvin“.

Als Lord Kelvin seine Untersuchungen durchführte, war noch nicht weltweit anerkannt, dass alle Stoffe aus Teilchen bestehen, die unablässig in Bewegung sind. Heute weiß man, dass die Temperatur ein Maß für die durchschnittliche Bewegungsenergie im chaotischen Getümmel dieser Partikel ist und dass der absolute Nullpunkt – Null Kelvin – eine unerreichbare Grenze ist – ein Zustand, in dem zumindest im klassischen Sinn keine thermische Bewegung mehr stattfindet.

Als das SI-System im Jahr 1960 eingeführt wurde, legte man fest, dass die Temperatur des Wasser-Tripelpunkts exakt 273,16 K entspricht {1}. Dies entspricht der Temperatur, bei der (in Abwesenheit von Luft) flüssiges Wasser, festes Wasser (Eis) und Wasserdampf bei sehr geringem Druck (6 Tausendstel des Normaldrucks) im Gleichgewicht sind. Die Temperatur dieses sogenannten Fixpunktes wurde gewählt, da das zweckmäßig und hoch reproduzierbar war. Entsprechend wurde das Kelvin als der 273,16te Teil des Wasser-Tripelpunkts definiert. Ungewöhnlich für das SI-System definierte man auch eine weitere Temperatureinheit, "Grad Celsius" (°C) genannt. Bezogen auf das Kelvin zieht man 273,15 vom Zahlenwert der in Kelvin ausgedrückten Temperatur ab.

t (in °C) = T(in K) – 273,15


Der Grund dafür ist, dass Grad Celsius eine weltweit sehr gebräuchliche und die historisch ältere Temperatureinheit ist. Im alltäglichen Leben sind wir daran gewöhnt, Temperaturen in Grad Celsius auszudrücken. Auf dieser Skala gefriert Wasser bei etwa 0 °C und siedet bei etwa 100 °C. Anzumerken ist, dass bei der Umwandlung von Kelvin in Grad Celsius 273,15 abgezogen werden; daher liegt der Tripelpunkt des Wassers bei 0,01 °C.

Nach der Neudefinition der Temperatureinheit wird das Kelvin nicht mehr über die Fixpunkttemperatur von Wasser definiert sein. Stattdessen werden Temperaturen dann mit direktem Bezug zur Energie definiert. Dabei legt man den Wert der Boltzmann-Konstante k auf exakt 1,380 649 × 10−23 fest, ausgedrückt in der Einheit J K–1 {2}. Die Celsiusskala wird nach dem 20. Mai 2019 den gleichen Bezug zum Kelvin haben wie zuvor.

Für die meisten Leser wird die Neudefinition unbemerkt vonstattengehen; Wasser wird immer noch bei 0 °C gefrieren und Thermometer, die vor dem Mai 2019 kalibriert wurden, werden weiterhin die richtige Temperatur anzeigen. Mit der Neudefinition wird es jedoch möglich sein, neue Technologien zur Temperaturmessung zu nutzen, was vor allem bei extrem hohen oder niedrigen Temperaturen von Nutzen sein kann.

Kälteste, natürliche auf der Erde gemessene Temperatur (Antarktis) – 89, 2 °C
Gefrierpunkt von Quecksilber a – 38, 8 °C
Gefrierpunkt von Wasser a 0 °C
Erdoberfläche (Mittelwert über das Jahr 1978 und Land und
Gewässer)
14,1 °C
Erdoberfläche (Mittelwert über das Jahr 2017 und Land und
Gewässer)
14,9 °C
Heißeste, natürliche auf der Erde gemessene Temperatur
(Furnace Creek, USA)
56,7 °C
Siedepunkt von Wasser a, b 100 °C
Geschmolzener Stahl ca. 1600 °C
Oberfläche der Sonne ca. 5500 °C
Mittelpunkt der Erde (vermuteter Wert) ca. 7000 °C
Mittelpunkt der Sonne (vermuteter Wert) ca. 15 Millionen °C
a Bei Luftdruck-Standardbedingungen von 1013 hPa
b Ganz genau genommen: bei 99, 974  °C

Wussten Sie, dass der Siedepunkt von Wasser auch vom Luftdruck abhängt? Dieser schwankt je nach Wetterlage und wird geringer, je höher man sich über dem Meeresspiegel befindet. Wenn wir die Wetterlage einmal vernachlässigen und annehmen, dass auf Meereshöhe der Luftdruck 1013 hPa beträgt, dann beträgt der Luftdruck auf einem 3000 m hohen Berg nur noch 700 hPa. Bei diesem Druck kocht Wasser bereits bei ca. 90 °C! Falls Sie gerne Kräutertee trinken, könnte er in dieser Höhe deshalb etwas fader als sonst schmecken. Grüner Tee hingegen kann mit dieser Temperatur sehr gut gelingen. Für welchen Tee Sie sich auch entscheiden – er wird Sie sicher wärmen, und das ist ja auch wichtig.

In diesem Monat haben Kollegen des britischen Nationalen Metrologie-Instituts, dem NPL, den Text für den Countdown zum neuen SI geschrieben.

 

{1} Die Definition für das Kelvin bis Mai 2019:

Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers.

{2} Die Definition für das Kelvin ab dem 20. Mai 2019:

Das Kelvin, Einheitenzeichen K, ist die SI-Einheit der thermodynamischen Temperatur. Es ist definiert, indem für die Boltzmann-Konstante k der Zahlenwert 1,380 649 × 10–23 festgelegt wird, ausgedrückt in der Einheit J K–1, die gleich kg m2 s–2 K–1 ist, wobei das Kilogramm, der Meter und die Sekunde mittels h, c und ΔνCs definiert sind.