Wenn das Wasser bei null Grad siedet

Die Temperatur ist, wie die Luftfeuchtigkeit, ein wichtiges Element der Meteorologie. Wir Menschen haben Mühe, genaue Angaben zur Temperatur zu machen. Wir können bestenfalls sagen, dass wir etwas als kalt oder als warm empfinden, aber schon diese beiden Bezeichnungen sind sehr subjektiv.

Wann ist kalt wirklich kalt?

In unseren Breitengraden finden wir eine Temperatur von 0 °C kalt und eine von 30 °C warm. Solche Temperaturverhältnisse wären aber für die Bewohner von Werchojansk nicht auszuhalten. Werchojansk ist ein sibirisches Dorf mit rund 2000 Einwohnern. Es liegt 100  Kilometer nördlich des Po­lar­kreises am Fluss Jana, der ins Eismeer fliesst. Es heisst, dass dieser Ort der kälteste bewohnte Ort auf der Erde sei. Die durchschnittliche Jahrestemperatur liegt dort bei – 30 °C. Von «Kälte» sprechen die Bewohner hier aber erst ab – 40 °C, und die Kinder werden erst ab – 50 °C nicht mehr in die Schule geschickt. Eine Familie von Werchojansk durfte einmal ihren Urlaub auf der Insel Krim im Schwarzen Meer verbringen. Dort herrschen durchschnittliche Temperaturen von + 20 °C. Schon nach drei Tagen wollte die Familie wieder nach Hause zurückkehren, da sie diese «mörderische Hitze» nicht ertragen konnte …

Was versteht man denn eigentlich unter «Temperatur»? Das Wort wird vom lateinischen Wort «temperatura» abgeleitet und mit «richtige Mischung» übersetzt. Vermutlich geht diese Übersetzung auf die alten Römer zurück, die einen bestimmten Temperaturwert für ein wohltuendes Bad, die richtige Mischung aus heissem und kaltem Wasser, meinten. Bäder und Badeorte der Römer waren ja sehr berühmt.

Moleküle in Bewegung

Auf der Suche nach der Bedeutung des Begriffs Temperatur müssen wir wissen, dass die Materie, die wir als «kalt» oder «warm» bezeichnen, aus Molekülen besteht. Nehmen wir als Beispiel die Luft. Sie besteht im Wesentlichen aus den Molekülen Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2).

Die Luftmoleküle kann man sich wie kleine Kugeln vorstellen, die, wie beim Billardspiel, aufeinanderprallen. Der Billardspieler, der den Kugeln oder Molekülen ihren Antrieb gibt, ist die Sonne. Diesen Antrieb nennt man Bewegungsenergie. Bei den Zusammenstössen ändern die Moleküle immer wieder Richtung und Geschwindigkeit. Es gibt schnelle und langsame Moleküle. So kann man von diesen Molekülen nur eine mittlere Geschwindigkeit pro Zeiteinheit bestimmen.

Diese mittlere Geschwindig­keit ist aber genau das Geheimnis und ein direktes Mass für die Temperatur. Rasen die Moleküle im Mittel schnell hin und her, bedeutet das eine hohe Temperatur, das heisst Wärme. Umgekehrt sprechen wir von Kälte, wenn die mittlere Bewegungsenergie der Moleküle klein ist.

Die Temperatur kennzeichnet also den durch Wärme oder Kälte verursachten (thermischen) Zustand eines Körpers oder eines Systems. Nun muss ja diese Temperatur noch irgendwie gemessen werden. Dazu dient ein Thermometer mit einer geeigneten Skala. Am bekanntesten und gebräuchlichsten sind bei uns die Flüssigkeitsthermometer. Sie bestehen aus einem Thermometergefäss mit einer geeigneten Thermometerflüssigkeit, die sich in einem dünnen Röhrchen ausdehnt oder zusammenzieht. Diese Ausdehnung wird auf einer Skala angezeigt. Als Flüssigkeit dient zum Beispiel Quecksilber, das sich zwischen den Fixpunkten – 30  °C und + 350  °C langsam ausdehnt oder zusammenzieht und zwischen diesen Werten weder gefriert noch siedet.

Wasser als Anhaltspunkt

Eine weitere Flüssigkeit ist Ethyl-Alkohol (Ethanol), das für einen Bereich von – 110  °C bis + 60  °C geeignet ist. Die Thermometerskala, die in unseren Breitengraden am häufigsten Verwendung findet, geht auf den genialen schwedischen Physiker Anders Celsius (1701–1744) zurück. Celsius brachte die Temperatur eines Körpers oder eines Systems in Beziehung mit den Fixpunkten von Wasser. Aber Achtung: Er definierte den Siedepunkt von Wasser bei 0  °C und den Gefrierpunkt bei 100  °C. Nach ihm wird der Bereich zwischen diesen Fixpunkten in hundert gleich lange Abschnitte eingeteilt, die man jeweils als Grad bezeichnet. Die Temperatur eines Körpers nahm also beim Erwärmen ab und nach dem Gefrieren zu. Celsius wollte nämlich mit dieser Skala negative Werte für die Temperatur vermeiden.

Logik setzte sich durch

Nach dem Tod von Anders Celsius war es vermutlich sein Freund, der grosse Naturforscher Carl von Linné, der diese Skala umpolte. Der Gefrierpunkt von Wasser wurde bei 0  °C und der Siedepunkt bei 100  °C festgehalten. Wenn nun Wasser zu Eis gefriert, wird es unter dem Gefrierpunkt von 0  °C mit negativen Werten gekennzeichnet. Das hat sich bis heute bewährt, ist logischer und wird fast weltweit so praktiziert. Für genaue Messungen muss man noch den Luftdruck berücksichtigen. Das Wasser siedet nur bei einem Normaldruck, das heisst einem Luftdruck bezogen auf Meereshöhe von 1013,25 Hektopascal oder 760 Millimetern Quecksilbersäule bei 100  °C. Bei ­einem Luftdruck von 500 Hektopascal, was auf ca. 5000 Metern über Meer der Fall ist, siedet Wasser schon bei 80  °C.

Man sieht anhand dieser Geschichte, wie willkürlich so eine Temperaturskala ist. Es gab neben Celsius auch noch eine Skala von Fahrenheit und eine von Reaumur, aber dazu nächstes Mal mehr.

Mario Slongo ist ehemaliger DRS-­Wetterfrosch. Einmal im Monat erklärt er in den FN spannende Naturphänome­­­­ne. Weitere Beiträge unter: www.freiburger-nachrichten.ch, Dossier «Wetterfrosch».