Temperatur ist wichtig – für das Wohlbefinden von Menschen, für das Pflanzenwachstum, für die Kühlketten in der Logistik und vieles mehr. Aber was ist Temperatur, was hat sie mit Wärme und Energie zu tun und wie kann man Sie messen? Das beleuchtet dieser Beitrag.
Stand 13.11.2023
Was sind Celsius, Kelvin und Fahrenheit?
Temperatur schätzen. Temperatur wird qualitativ von Menschen beurteilt (eiskalt, angenehm kühl, schön warm, drückend heiß). Die qualitative Beurteilung ist schwer reproduzierbar, da das Temperaturempfinden auch von der Luftfeuchtigkeit und der Luftsströmung (windchill) abhängt.
Temperatur messen. Temperatur ist daher etwas, das gerne mit einer Zahl bewertet wird und was man messen möchte.
Celsius. In Deutschland ist dazu °C (Grad Celsius) gebräuchlich. Die °C-Skala orientiert sich (willkürlich) am Schmelzpunkt von Wasser (0°C) und dem Siedepunkt von Wasser bei Normaldruck (100°C). Die niedrigste Temperatur, die es überhaupt geben kann, ist -273,15°C. Bei der Temperatur bewegt sich kein Atom mehr. Die Celsius Skala ist praktisch, weil menschen eine Gespür für Eis und kochendes Wasser haben.
Kelvin. Die Kelvin-Skala setzt den Nullpunkt auf die tiefste denkbare Temperatur, das heißt: 0K=-273,15°C. Damit schmilzt Eis bei 273,15 K. Die Temperaturdifferenz von 1K ist auch 1°C, damit lassen sich Kelvin und Celsius leicht ineinander umrechnen. Die Kelvin Skala ist praktisch, wenn man mit Temperaturen in Formeln rechnen will.
Fahrenheit. Die Umrechnung in Fahrenheit ist etwas komplizierter: Grad Fahrenheit = Grad Celsius mal 1,8 plus 32. Entwickelt wurde die Skala von Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 – 1736) in 1714. Fahrenheit wählte als Nullpunkt seiner Temperaturskala die tiefste Temperatur des Winters 1708 auf 1709 in seiner Heimatstadt Danzig. Die Skala ist recht unpraktisch, deshalb wird sie gerne in USA und in England eingesetzt.
Warum ist Temperatur wichtig?
Temperaturen von Lebewesen
Säugetiere. Die meiste Säugetiere (und auch Menschen) bevorzugen eine Körperinnentemperatur von knapp 37°C. Mit einer längerdauernden Körperinnentemperatur von mehr als 43°C und weniger als 31°C stirbt ein Mensch. Dabei gibt es keine Variation zwischen Afrikanern und Eskimos.
Honigbienen. Honigbienen versuchen in Ihren Beuten im Brutnest eine Temperatur von 35°C +- 1°C zu halten. Außerhalb des Temperaturbereichs entwickelt sich die Brut unzureichend. Am Rande der Wintertraube werden 10°C gemessen. Unterhalb von 8°C werden Honigbienen bewegungsunfähig. Um Hornissen zu töten, können Honigbienen Temperaturen von über 42°C erzeugen.
Fische. Die gängigen Speisefische Wolfsbarsch und Dorade vertragen Temperaturen zwischen 18 und 28 °C gut. Lachse bevorzugen im adulten Stadium Temperaturen zwischen 9 und 17 °C. Auch bei der Regenbogenforelle liegen die Temperaturen bei 10 bis 18°C, 20 °C sollten nicht überschritten werden.
Temperaturen in der Logistik
Lebensmittel und Temperatursteuerung
Lebensmittel, insbesondere frischer Fisch, verderben bei hohen Temperaturen sehr schnell, So ist es beim Transport von Gütern erforderlich, Temperaturen in einem festgelegten Bereich einzuhalten. Die Temperaturregelung gelingt in dem man
a) die Ist-Temperatur misst,
b) mit einer Soll-Temperatur vergleicht,
c) wenn die Ist-Temperatur zu hoch ist, das Transportgut kühlt (das heißt: Energie entzieht)
d) wenn die Temperatur zu niedrig ist, das Transportgut wärmt (das heißt: Energie zuführt)
Tiefkühlware
Eis und Softeis -25 C
Tiefkühlwaren -18 C
Transplantate -18 C
Fischereiprodukte -18 C
Butter, Speisefette sowie Sahne zur Butterherstellung -14 C
Eierprodukte, Innereien, Hasen, Geflügel und Wild -12 C
Fleisch -10 C
Gekühlte Ware
Frischfleisch (auf Eis), Krebstiere und andere nicht lebende Weichtiere +2 C
Fertiggerichte, Konditoreiscremen, frische Konditoreiprodukte, Zwischengerichte, Eierprodukte +3 C
Verbraucherfertig abgepackte Fleisch- und Wurstwaren +3 C
Innereien +3 C
Geflügel, Hasen, Wild +3 C
Nicht sterilisierte, frische oder pasteurisierte Milch, Sauermilch, frische Sahne, Frischkäse oder Joghurtprodukte +4 C
Milch zur industriellen Verarbeitung +6 C
Metzgereiprodukte mit Ausnahme eingesalzener, geräucherter, getrockneter und sterilisierter Produkte +6 C
Gekühlte Eier in Schale +6 C
Butter, Weich- und Schimmelkäse +6 C
Fleisch +7 C
Ohne vorherige Kühlung
Obst und Gemüse +4/6 C
Blumen +4/6 C
Blumenzwiebeln +7/8 C
Nicht haltbar gemachte tierische Fette, mit Ausnahme von Butter +10 C
Preß- oder Kochkäse +10 C
Temperaturen beim 3D-Druck
Druckplatte / Heizbett
PLA 50°C – 60°C
PETG 60°C – 85°C
Druckkopf / Hotend
PLA 200°C – 220°C
PETG 205°C – 225°C
Wie groß und wie klein kann Temperatur sein?
Dir niedrigste Temperatur ist 0 K (Kelvin) oder -273,15°C. Kälter kann nichts werden. Bei dieser Temperatur bewegen sich die Atome nicht mehr, und somit steckt auch keine Wärmeenergie mehr in einem Objekt. Man nennt diese Temperatur auch den absoluten Nullpunkt.
Wichtige Temperaturen sind
−196 °C (77 K) Stickstoff wird unterhalb flüssig
0°C Eis schmilzt
2°C ídeale Biertemperatur
100°C Wasser verdampft bei einem Druck von 1013 hPa
2700°C Temperatur einer Glühwendel. Entspricht warmen gelble Licht.
5.409°C (5.772 K) Oberflächentemperatur der Sonne, innen etwa 15 Mio °C. Entspricht Licht mit einem grünen Schwerpunkt.
Prinzipiell gibt es keine obere Grenze
Wie bekommt man etwas warm?
Wenn ein Gegenstand eine höhere Temperatur bekommen soll, muss man ihm Energie zuführen. Um beispielsweise einen Liter Wasser (das entspricht der Masse von 1kg) von 15°C (Leitungswasser) auf 100°C (Teewasser) zu erhitzen, benötige ich eine Energiemenge von (100°C – 15°C) * 4,19 kJ/(kG*K) * 1kg = 356,15kJ.
Mit der Umrechnung 1 kJ = 0.2388 kcal sind das 85kcal. kcal sind praktisch, wenn man Wasser erhitzt: 1kcal ist die Energiemenge, die 1kg Wasser um 1°C (oder 1K) erhöht.
Praktischerweise ist 1kJ (kiloJoule) = 1 kWs (kilo Watt Sekunde). Durch teilen durch 3600 erhält man die kWh (Kilowattstunden). 1 kg Wasser von 15°C auf 100°C zu erwärmen benötigt also 356,15kJ/3600=0,099 kWh, also etwa ein zehntel Kilowattstunde. Hätte ein elektrischer Wasserkocher keine Verlustleistung, würde das bei 0,35€/kWh also dreieinhalb Cent kosten.
Wenn ein Wasserkocher 2000 Watt hat, benötigt der Aufheizvorgang 356,15kWs / 2kW = 178s = 2:58 Minuten.
Bei Olivenöl (Sie wollen bestimmt 1 Liter 100°C heißes Olivenöl) sieht die Rechnung anders aus, da Olivenöl eine Wärmekapazität von1,67 kJ/(kg * K) statt 4,19 kJ/(kg * K) wie Wasser hat. Außerdem hat ein Liter Olivenöl mit 0,92 kg/Liter eine geringere Dichte als Wasser. Die Rechnung: (100°C – 15°C) * 1,67 kJ/(kG*K) * 0,92kg = 130,6kJ. Scheinbar ist Frittieren billiger als Kochen, wenn man nur den Strom rechnet.
Wie bekommt man etwas kalt?
Wenn ein Gegenstand eine niedrigere Temperatur bekommen soll, muss man ihm Energie entziehen. Um beispielsweise 20 Liter Bier (das entspricht vereinfacht der Masse von 20kg) von 27°C (Bier aus dem Getränkehandel im Sommer) auf 2°C zu kühlen, ist eine Energiemenge von (27°C – 2°C) * 4,19 kJ/(kG*K) * 20kg = 2095kJ zu entziehen.
Dazu können Sie Eis nutzen. Eis hat eine Schmelzwärme von 334 kJ/kg , das heißt, wenn 1kg Eis von 0°C zu 1kg Wasser von 0°C wird, muss es 334 kJ aufnehmen. So könnte die o.a. Biermenge mit 2095kJ / (334kJ / kg) = 6,27 kg auf Trinktemperatur gebracht werden.
Ohne Eis benötigt man einen Kühlschrank, der über den physikalischen Trick der Verdunstungskälte dem zu kühlenden Gut Energie entzieht und damit kühlt. Damit ein Kühlschrank das kann, benötigt er selber Energie. Ein (Kompressor-)Kühlschrank ist so etwas wie eine umgedrehte Wärmepumpe.
Wie hängen Temperatur und Wärmemenge zusammen?
Temperatur ist eine Maß dafür, welche Wärmemenge in einem Objekt bei gegebener Wärmekapazität steckt. Kennt man Wärmekapazität und Temperatur, kennt man auch die Wärmemenge.
| MATERIAL / STOFF | SPEZIFISCHE WÄRMEKAPAZITÄT (IN KJ/(KG*K)) |
|---|---|
| Blei | 0,129 |
| Kupfer | 0,381 |
| Stahl | 0,477 |
| Zement | 0,754 |
| Beton | 0,879 |
| Kalksandstein | 1,0 |
| Eis | 1,377 bis 2,1 |
| Holz | 1,70 |
| Wachs | 2,931 |
| Schokolade | 3,18 |
| Wasser mit 45 Prozent Glykol (Frostschutz) | 3,33 |
| Wasser (bei 20 Grad Celsius) | 4,19 |
Wie viel Energie bevorratet ein Wasser-Wärmespeicher?
Wie viel Energie ein Puffer- oder Schichtladespeicher enthält, hängt vom Wasservorrat und der Temperaturänderung an. Erwärmt die Heizung 100 Liter Wasser von zehn auf 50 Grad Celsius, bringt sie 4,65 Kilowattstunden ein.
Berechnung: Wärmemenge (Q in Kilowattstunden) = Masse (m in Kilogramm) x spezifische Wärmekapazität (c in Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin) x Temperaturerhöhung (dT in Kelvin) / 3.600
Beispiel: (100 Liter Wasser x 4,19 Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin x 40 Kelvin) / 3.600 = 4,65 Kilowattstunden
Das Beispiel zeigt: Je stärker das Wasser erwärmt wird, umso mehr Wärme enthält der Speicher.
Wie viel Wärme transportiert das Heizungswasser?
Mit der gleichen Herangehensweise lässt sich auch berechnen, wie viel Heizungswasser nötig ist, um eine bestimmte Energiemenge durch ein Haus zu transportieren. Benötigt ein Heizkörper zum Beispiel 1.000 Watt, müssen bei einer Spreizung von 10 Grad Celsius (Unterschied Vorlauf zu Rücklauftemperatur) zum Beispiel rund 86 Liter Heizungswasser pro Stunde durch ihn hindurchfließen.
Berechnung: Massenstrom (in Liter pro Stunde) = Wärmestrom (in Watt) x 3.600 / (spezifische Wärmekapazität (c in Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin) x Spreizung (dT in Kelvin)
Beispiel: (1.000 Watt x 3.600) / (4,19 Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin x 10 Kelvin) = 85,9 Kilogramm pro Stunde
Diese Überlegungen sind wichtig, wenn Sie eine Heizung auslegen.
Wie kann man Temperatur messen?
Temperatur messen mit Längenänderung
Temperatur messen mit Druckänderung
Temperatur messen durch Strahlung und Temperatur eines Strahlers
Temperatur messen durch Widerstandsänderung
Temperaturbereich: -50°C … +300°C
Die Umsetzung in einen digitalen Wert erfolgt über einen Analog-Digital-Wandler (ADC), wie sie im Arduino oder ESP8266 vorhanden sind.
Temperatur-Spannungsumsetzer LM35
Die LM35 sind Präzisions-Temperatursensoren, deren lineare Ausgangsspannung proportional zur Temperatur ist.
Versorgungsspannung +4 -+30 V
Temperaturmessbereich 0-+100 °C
Genauigkeit ±0.4 °C
Gehäuse TO-92 (sieht aus wie ein Transistor mit drei Anschlüssen)
Temperaturempfindlichkeit, Spannung 10 mV/K
Preis: 2,40€
Die Umsetzung in einen digitalen Wert erfolgt über einen Analog-Digital-Wandler (ADC), wie sie im Arduino oder ESP8266 vorhanden sind.
One-Wire Temperatursensor DS18B20
Der DS18B20 hat in der Bauform eines Transistors bereits einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) implementiert. Er ist kalibriert und gibt auf einer bidirektionalen seriellen Schnittstelle Daten aus und kann darüber eingestellt werden.
Bauform TO-92
Auflösung 9 – 12-Bit
Ausführung
Messbereich -55 … +125 °C
Elektrische Werte
Stromaufnahme 1 mA
Nennspannung 3-5,5 VDC
Abb.: Empfohlene Beschaltung für den DS18B20. Die 100Ohm-Widerstände vor der Versorgungsspannung (Nr 16) und dem Datenpin (Nr 15) sorgen dafür, dass der DS18B20 nicht durch Verpolung zerstört wird. Der Pull-Up-Widerstand von 4,7kOhm (Nr 17) legt den mittleren Datenanschluss auf 3,3V. Da die GPIO des ESP8266 nur 3,3V vertragen, sollte auch der DS18B20 mit 3,3V betrieben werden.
Anleitung, um Temperaturen mit dem DS18B20 und dem Raspberry Pi zu messen: Raspilab Wetterstation dritte Mission Temperatur messen mit dem DS18B20
Beschreibung, wie eine Temperaturmessung mit dem DS18B20 und dem ESP8266 – ESP-01 im Rahmen eines kleinen Forschungsprojektes eingesetzt werden kann: Heizungsüberwachung mit ESP8266 – Energiesparen mit IoT
Anhang
Quellen
Zusammenhang der Lichtfarbe und der Temperatur in der Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Farbtemperatur
Wassertemperatur und Fischwohl: https://seawatercubes.de/wassertemperatur-fischwohl/#:~:text=Die%20g%C3%A4ngigen%20Speisefische%20Wolfsbarsch%20und,C%20sollten%20nicht%20%C3%BCberschritten%20werden. Abgerufen am 08.11.2023
Temperaturen für Kühl-Transportgut: https://www.engelhart-kuehlmaschinen.de/abteilung-transportkuehlmaschinen/empfehlungen-fuer-kuehltransporte/transporttemperaturen/
Temperatur-Transportlogger von Testo: https://static-int.testo.com/media/6d/78/8e4873e8af0c/Brochure-testo-184-Pharma-297×210-DE.pdf
Temperaturen beim 3D-Druck: https://www.filamentpreis.de/die-richtige-drucktemperatur/
Wärmemengenberechnung einer Heizung: https://www.heizung.de/ratgeber/diverses/waermekapazitaet-die-bedeutung-einfach-erklaert.html