Notwendigkeit der Temperaturmessung
Mit den wärmeempfindlichen und kälteempfindlichen Punkten in
unserer Haut können wir fühlen, ob z. B. Luft oder Wasser heiß,
warm oder kalt ist. Unser Temperaturempfinden lässt sich aber leicht
täuschen: Fassen wir nacheinander Gegenstände aus Metall, Glas
und Holz an, so erscheinen sie uns unterschiedlich warm, obwohl sie die
gleiche Temperatur haben. Auch bei sehr heißen oder sehr kalten
Körpern versagt unser Temperaturempfinden.
Wie leicht man sich täuscht, kann man selbst ausprobieren. Erforderlich sind dazu drei Schüsseln mit Wasser unterschiedlicher Temperatur (Bild 2). Man taucht die eine Hand in kaltes, die andere in heißes Wasser und lässt beide Hände ca. 30 s dort. Anschließend taucht man beide Hände in warmes Wasser. Bei der Hand, die zunächst im kalten Wasser war, erscheint das Wasser warm. Bei der Hand, die zunächst im heißen Wasser war, erscheint das warme Wasser kühl. Das bedeutet: Unser Temperaturempfinden ist subjektiv. Zur genaueren Bestimmung der Temperatur ist es notwendig, diese zu messen.
Flüssigkeitsthermometer
Zur Temperaturmessung werden häufig Flüssigkeitsthermometer
genutzt (Bild 3). Sie bestehen aus einem Thermometergefäß,
einem dünnen Anzeigeröhrchen und einer Skala. Je nach Verwendungszweck
kann die Thermometerflüssigkeit Quecksilber oder gefärbter Alkohol
sein. Wasser ist als Thermometerflüssigkeit nicht geeignet. Zum einen
gefriert es bei 0 °C. Zum anderen ändert sich bei Wasser mit
gleichmäßiger Temperaturänderung das Volumen nicht gleichmäßig.
Unter 4 °C dehnt sich Wasser sogar wieder aus (Anomalie des Wassers).
Die Wirkungsweise eines Flüssigkeitsthermometers beruht darauf, dass
sich das Volumen einer Flüssigkeit bei Erhöhung der Temperatur
ausdehnt und bei Verringerung der Temperatur verringert. Je höher
die Temperatur ist, desto höher steht die Flüssigkeitssäule
im Anzeigeröhrchen. Die Temperatur kann man an einer Skala ablesen.
Das abgebildete Flüssigkeitsthermometer hat einen Messbereich von
-20 °C bis +50 °C. Man kann auf 1 °C genau ablesen und auf
0,5 °C schätzen.
Flüssigkeitsthermometer gibt es in zahlreichen Bauformen (Bild 4).
Als Zimmerthermometer nutzt man meist
Thermometer mit einem Messbereich, der zwischen -10 °C und 40 °C
liegt (Bild 4a). Für Außenthermometer wählt man einen
Messbereich zwischen -30 °C und 50 °C.
Kühlschrankthermometer (Bild 4b)
dienen zur Messung der Temperatur im Inneren eines Kühlschranks einschließlich
Tiefkühlfach. Der Messbereich solcher Thermometer geht deshalb meist
bis -20 °C oder -30 °C.
Mit einem Fieberthermometer (Bild 4c)
soll möglichst genau die Körpertemperatur gemessen werden. Der
Messbereich dieser Thermometer liegt deshalb zwischen 35 °C und 42
°C, also im Bereich der normalen Körpertemperatur von 37 °C.
Da es hier auf sehr genaue Messungen ankommt, besitzen Fieberthermometer
eine hohe Messgenauigkeit. Man kann auf 0,1 °C genau ablesen.
Mit einem Laborthermometer (Bild 4d)
kann man z. B. auch Temperaturen über 100 °C messen.
Gasthermometer
Gasthermometer gehören zu den historisch
ersten Thermometern. Sie sind ähnlich wie Flüssigkeitsthermometer
aufgebaut (Bild 5). In einem durch einen Quecksilbertropfen abgeschlossenen
Bereich befindet sich ein Gas. Das kann auch Luft sein. Bei Erhöhung
der Temperatur dehnt sich das Gas aus, bei Verringerung der Temperatur
verringert sich sein Volumen. Die Temperatur kann in Höhe des Quecksilbertropfens
abgelesen werden.
Bimetallthermometer
Ein Bimetallthermometer
besteht aus einem spiralförmigen Bimetallstreifen, an dessen Ende
sich ein Zeiger befindet, und einer Skala. Die Biegung des Bimetallstreifens
ändert sich aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung der beiden
Metalle, aus denen er besteht, mit der Temperatur. Es wird also bei diesem
Thermometer der Effekt genutzt, das sich verschiedene Metalle bei gleicher
Temperaturänderung unterschiedlich ausdehnen.
Elektronische Thermometer
Ein elektronisches Thermometer nutzt
die starke Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von
speziellen Halbleitermaterialien (Heißleitern, Kaltleitern). Verwendet
man z. B. einen Heißleiter, so gilt: Mit Erhöhung der Temperatur
verringert sich der elektrischen Widerstand des Heißleiters. Geht
man von einer konstanten Spannung aus, so vergrößert sich mit
Verkleinerung des elektrischen Widerstandes die Stromstärke, denn
für U = konstant gilt:
Die Stromstärke ist somit ein Maß für die
Temperatur. Diese wird digital auf einem Display angezeigt. Die Vorteile
solcher Thermometer bestehen darin, dass man zum einen den Messfühler
sehr klein bauen kann und zum anderen der Messfühler sich in größerer
Entfernung vom Display befinden kann. Der Messfühler ist dann entweder
durch eine Leitung oder per Funk mit dem Display verbunden.
Verwendet man für den Messfühler statt speziellen Halbleitern
metallische Widerstände, dann spricht man von einem Widerstandsthermometer.
Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei einem elektronischen Thermometer.
Thermometer nach Galilei
Bei diesem Thermometer, dessen Aufbau auf GALILEO GALILEI (1564-1642)
zurückgehen soll, befinden sich Kugeln in einer Flüssigkeit.
Die Dichte der Flüssigkeit und die mittlere Dichte der Kugeln liegen
eng beieinander, wobei diese mittlere Dichte der Kugeln unterschiedlich
ist. An den Kugeln befinden sich kleine Schilder mit unterschiedlichen
Temperaturen.
Bei einer bestimmten Temperatur, z. B. bei 22 °C, sind die Dichten
so gewählt, dass sich ein Teil der Kugeln unten befindet, bei ihnen
also die Auftriebskraft kleiner ist als die Gewichtskraft. Das sind die
Kugeln für kleinere Temperaturen als die Umgebungstemperatur. Ein
anderer Teil der Kugeln befindet sich oben. Bei ihnen ist die Auftriebskraft
größer als die Gewichtskraft. Das sind die Kugeln für
eine höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur.
Ändert sich die Temperatur, so ändern sich auch die Dichten,
da diese temperaturabhängig sind. Da es vom Verhältnis der Dichten
abhängig ist, ob ein Körper sinkt oder steigt, bewegen sich
Kugeln nach unten oder nach oben. Die Temperatur lässt sich an der
Kugel ablesen, die gerade noch oben schwimmt.
Nutzung von Thermofarben
Es gibt auch Thermometer, bei denen genutzt wird, dass spezielle Farben,
die sogenannten Thermofarben,
bei einer bestimmten Temperatur ihre Farbe wechseln oder bei bestimmter
Temperatur Licht abgeben. Das kann man für Thermometer nutzen. Bild
9 zeigt ein solches Thermometer. Da das abgebildete Thermometer die Größe
einer Postkarte hat, wird es auch als Postkartenthermometer
bezeichnet.
Weitere Möglichkeiten der Temperaturmessung
Neben den beschriebenen Möglichkeiten kann man die Temperatur auch
folgendermaßen bestimmen:
- Für sehr hohe Temperaturen, z. B. in Brennöfen der keramischen Industrie, nutzt man Seger-Kegel. Das sind kegelförmige Körper aus speziellen Materialien, deren Form temperaturabhängig ist. Wird eine bestimmte Temperatur erreicht, dann kippt die Spitze eines Kegels um. Man kann also aus der Form des Kegels auf die Temperatur schließen.
- Bei Metallen, z. B. bei erhitztem Stahl, hängt die Farbe von
der Temperatur ab. Da diese Farben beim Glühen auftreten, nennt
man sie Glühfarben.
Glüht z. B. Stahl dunkelrot, so ist seine Temperatur geringer als
bei hellrotem Glühen. Aus der Farbe kann man auf die Temperatur
schließen. Einen Überblick über die Temperaturen, die
zu bestimmten Farben gehören, gibt
Bild 10.
Die Temperatur wird in Deutschland in der Regel in Grad Celsius gemessen. Es gibt aber auch andere Temperaturskalen. Neben der Celsius-Skala gibt es auch noch die Kelvin-Skala, die Fahrenheit-Skala und die Réaumur-Skala. Bild 11 zeigt diese vier Temperaturskalen im Überblick. Genauere Informationen zu den genannten Temperaturskalen und zu den Personen, die sie geschaffen haben, sind unter den Stichwörtern (Themen) Celsius, Kelvin, Fahrenheit und Réaumur zu finden.