Kälte
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Kälte - ein Privativum - ist per Definition keine physikalische Größe, sondern lediglich ein Zustand mit weniger Wärme, per Definition als phys. Zustand mit weniger Energie, vergleichsweise niedrige Temperatur.
Die tiefste Temperatur ist der absolute Nullpunkt. Dieser liegt bei Null Kelvin (-273,15 °C). Bei einer Temperatur von Null Kelvin gibt es definitionsgemäß keine Bewegung der Atome in einem Stoff mehr. Diese Temperatur ist jedoch nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik (Nernst-Theorem) nicht erreichbar. Hat eine Substanz eine höhere Temperatur, so schwingen ihre Atome/Moleküle und je höher die Temperatur, desto stärker ist auch diese Bewegung. Dies lässt sich so lange steigern bis die kinetische Energie der Moleküle die Bindungsenergien zwischen den Atomen/Molekülen kompensiert und sich diese in der Folge nahezu frei voneinander bewegen können. Dabei geht der Stoff mit zunehmender Bewegungsenergie der Moleküle in der Regel vom festen über den flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand über.
Die tiefste natürliche Temperatur wird im Weltraum außerhalb von Planeten und Sternen gemessen. Dort herrschen einheitlich Temperaturen von etwa 3 Kelvin (-270 °C). Diese Temperatur wird durch die Energie der kosmischen Hintergrundstrahlung erzeugt, die bei dem Urknall entstand.
Bei normalen Temperaturen befinden sich die Atome auf verschiedenen Energieniveaus. Wenn sie aber sehr nah an den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden, fallen plötzlich sehr viele auf das niedrigste Energieniveau herab, mit der Einschränkung, dass es sich bei diesen um Bosonen handelt. Das bedeutet, dass alle Atome sich im selben Energiezustand befinden und damit absolut identisch sind. Sie sind durch Messung nicht zu unterscheiden. Diesen Vorgang nennt man Bose-Einstein-Kondensation.
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[Bearbeiten] Kälteempfinden
Unter Kälte wird ein Zustand verstanden, dessen Temperatur unterhalb einer Bezugstemperatur liegt und in dem somit immer ein Wärmeübergang weg von dem wärmeren Bereich (als Bezugspunkt) hin zu dem kälteren Bereich stattfindet.
Das Kälteempfinden des Menschen ist aber eine Größe, die nicht nur von der Temperatur abhängt. Je größer der Wärmestrom vom Körper zur Umgebung ist, umso empfindlicher wird die Kälte empfunden. Der Wärmestrom nimmt zu mit dem Wärmeübergang und dem Temperaturunterschied. Besonders unangenehm wird die Kälte nach dem Baden empfunden, wenn die Haut feucht ist und die Verdampfung des Wassers den Wärmeübergang erhöht. Dabei erhöht Luftbewegung (Konvektion) generell den Wärmeübergang (Windkälte). Durch hohe Luftfeuchtigkeit oder Nebel wird die Konvektionskühlung zwischen Haut und Umgebung erhöht (größerer Wärmeübergangskoeffizient), die Verdampfungskühlung dagegen (schwüles Wetter, diffusionshemmende Kleidung) vermindert.
[Bearbeiten] Kälte aus thermodynamischer Sicht
Die Temperatur in einem Raum wird durch die mittlere kinetische Bewegungsenergie der Teilchen bestimmt. Die mittlere kinetische Energie ist proportional zu Temperatur und Teilchenmasse und proportional zum Quadrat der mittleren Geschwindigkeit. Daher ist in einem wärmeren Raum die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen größer als in einem kälteren Raum, und bei gleicher Temperatur sind schwerere Teilchen im Mittel langsamer. Die Geschwindigkeitsverteilung der einzelnen Atome oder Moleküle wird durch die Glockenkurve der Maxwell-Boltzmann-Verteilung beschrieben.
[Bearbeiten] Technologie
Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass ein Wärmeübergang immer nur von der warmen zur kalten Seite erfolgen kann; der Wärmestrom ist immer in Richtung des Temperaturgradienten gerichtet. Eine Kältemaschine wird eingesetzt, um aus einem zu kühlenden Raum Wärme abzuleiten. Dazu muss aber ein Exergiestrom in den Kühlraum geleitet werden, um einen Anergiestrom zur Umgebung abzuleiten.
Für die Kälteerzeugung bis -100°C werden bevorzugt Kaltdampf-Kältemaschinen eingesetzt. Es wird ein verflüssigtes Kältemittel entspannt und dadurch auf Temperaturen abgekühlt, die unter der Umgebungstemperatur liegen. Das Kältemittel nimmt durch Verdampfung in einem Wärmeübertrager Wärme aus dem Kühlraum auf. Die Exergie kann entweder durch einen Kältemittelverdichter (Kompressionskältemaschine) oder einen thermischen Verdichter (Absorptionskältemaschine) in den Kreisprozess eingekoppelt werden.
Bei sehr tiefen Temperaturen wird der Aufwand für Kaltdampf-Kältemaschinen sehr hoch (mehrstufige Anlagen, hohe Stillstandsdrücke). Daher verwendet man dann Gaskältemaschinen. Die Zustände des verwendeten Arbeitsgases liegen im überkritischen Bereich, so dass keine Verflüssigung oder Verdampfung auftritt. Das verdichtete Kältemittel wird nach der Kühlung auf Umgebungstemperatur in einem Wärmeübertrager durch das Sauggas unterkühlt. Die Entspannung und Abkühlung erfolgt in einer Turbine. Die Wärmeaufnahme aus dem Kühlraum erfolgt isobar.
Kältemaschinen, die Temperaturen unter 3 Kelvin erreichen, gibt es seit fast einhundert Jahren. Auch 0,001 Kelvin wurden schon vor längerer Zeit künstlich erzeugt. Eine Sensation war es jedoch, als es gelang, eine Probe von wenigen Atomen auf ein Hundertmillionstel Kelvin herunterzukühlen. Hierbei konnte zum ersten Mal die bereits erwähnte Bose-Einstein-Kondensation beobachtet werden.
Von technischer Bedeutung zur Erzeugung tiefster Temperaturen ist der Effekt der adiabatischen Entmagnetisierung.
[Bearbeiten] Biologie
Kälte kann bei Säugetieren und Vögel mit gleich bleibenden Körpertemperaturen auf (gefühlte) Kälteeinwirkung je nach Konditionierung ein Zittern folgen.
[Bearbeiten] Psychologie
In der Psychologie bezeichnet man die Unfähigkeit, Gefühle zu empfinden oder zum Ausdruck zu bringen, als Kälte oder Gefühlskälte.
[Bearbeiten] Weblinks
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Wiktionary: Kälte – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen |
