Temperatur und Temperaturmessung

Die physikalische Größe Temperatur
Die Temperatur kennzeichnet den thermischen Zustand von Körpern oder Systemen. Sie gibt an, wie heiß oder wie kalt ein Körper bzw. ein System ist.

Formelzeichen:		Einheit: ein Grad Celsius (1 °C)
	T	Einheit: ein Kelvin (1 K)

Benannt sind die Einheiten nach dem schwedischen Naturforscher ANDERS CELSIUS (1701-1744) und nach dem britischen Physiker LORD KELVIN OF LARGS, wie sich WILLIAM THOMSON (1824-1907) nach der Erhebung in den Adelsstand nennen durfte.
Temperaturdifferenzen werden meist in der Einheit Kelvin (Kurzzeichen: K) angegeben. Es gilt also:

20 °C	-	16 °C	= 4 K oder
293 K	-	289 K	= 4 K

Für die Umrechnungen von Grad Celsius in Kelvin und umgekehrt gelten die folgenden Beziehungen:

Weitere Einheiten der Temperatur sind ein Grad Fahrenheit (1 °F) und ein Grad Réaumur (1 °R), benannt nach dem deutschen Physiker GABRIEL DANIEL FAHRRENHEIT (1686-1736) bzw. nach dem französischen Naturforscher RENE ANTOINE REAUMUR (1683-1757). Nähere Erläuterungen zu den verschiedenen Temperaturskalen sind in den Biografien der betreffenden Naturwissenschaftler gegeben. Bild 2 zeigt die verschiedenen Temperaturskalen im Überblick.

Ein Überblick über Temperaturen in Natur und Technik ist in
Bild 3 gegeben. Aus dieser Übersicht ist auch erkennbar: Es gibt eine tiefstmögliche Temperatur, die bei -273,15 °C = 0 K liegt. Tiefere Temperaturen als diese absolute Temperatur sind physikalisch nicht möglich. Nach oben gibt es keine solche Grenze.

Die absolute Temperatur
Alle Stoffe bestehen aus Teilchen, die sich mehr oder weniger heftig bewegen können. Wie heftig sich die Teilchen eines Stoffes bewegen, hängt von der Art des Stoffes, vom Aggregatzustand und vor allem von der Temperatur ab. Für feste, flüssige und gasförmige Körper gilt:

Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto heftiger bewegen sich die Teilchen des Stoffes, aus dem der Körper besteht. Die Temperatur eines Körpers ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie seiner Teilchen. Es gilt:

Bei Verringerung der Temperatur bewegen sich die Teilchen weniger heftig und bei sehr tiefen Temperaturen kaum noch. Die tiefstmögliche Temperatur ist diejenige, bei der sich die Teilchen nicht mehr bewegen. Lord KELVIN kam aus anderen thermodynamischen Überlegungen zu dieser tiefstmöglichen Temperatur. Nach dem Gasgesetz von GAY-LUSSAC ändert sich bei konstantem Druck das Volumen eines Gases mit der Temperatur. Für das ideale Gas ergibt sich, dass bei einer ständigen Verringerung der Temperatur der Schnittpunkt der Graphen bei beliebigem Ausgangsvolumen bei -273,15 °C liegen würde (Bild 4). Dieser Punkt wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet, die davon ausgehende Temperaturskala nach KELVIN als absolute Temperatur. Da KELVIN die Gradeinteilung der CELSIUS-Skala übernommen hat, lassen sich beide Temperaturskalen leicht ineinander umrechnen. Es gilt:

0 K	=	-273,15 °C
273,15 K	=	0 °C

Meist wird mit dem Näherungswert 273 umgerechnet.

Messen der Temperatur
Thermometer sind Messgeräte zur Bestimmung der Temperatur. Es gibt eine Vielzahl von Thermometerarten und Bauformen. Sie arbeiten nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien und haben je nach Verwendungszweck unterschiedliche Messbereiche und verschiedene Messgenauigkeiten. Am weitesten verbreitet sind heute Flüssigkeitsthermometer (Bilder 1 und 5) und elektronische Thermometer.

Flüssigkeitsthermometer: Zur Temperaturmessung werden häufig Flüssigkeitsthermometer genutzt (Bilder 1 und 5). 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 1), z.B. als Zimmerthermometer, Kühlschrankthermometer, Fieberthermometer oder Laborthermometer.

Gasthermometer: Sie gehören zu den historisch ersten Thermometern. Sie sind ähnlich wie Flüssigkeitsthermometer aufgebaut (Bild 6). 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: Es besteht aus einem spiralförmigen Bimetallstreifen, an dessen Ende sich ein Zeiger befindet, und einer Skala (Bild 7). 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.

Elektronisches Thermometer: Bei der Art von Thermometern wird die starke Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von speziellen Halbleitermaterialien (Heißleitern, Kaltleitern) genutzt. Nutzt man z.B. einen Heißleiter, so gilt: Mit Erhöhung der Temperatur verringert sich der elektrische Widerstand des Heißleiters. Geht man von einer konstanten Spannung aus, so vergrößert sich mit Verkleinerung des elektrischen Widerstandes die Stromstärke. Sie 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 spezieller Halbleiter metallische Widerstände, dann spricht man von einem Widerstandsthermometer. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei einem elektronischen Thermometer.

Galileisches Thermometer: Bei diesem Thermometer, dessen Aufbau auf GALILEO GALILEI (1564-1642) zurückgehen soll, befinden sich Kugeln in einer Flüssigkeit (Bild 9). 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.

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 10 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 11.

Die gefühlte Temperatur
Unser Wärme- bzw. Kälteempfinden ist sehr subjektiv. Was der eine als warm empfindet, ist für den anderen möglicherweise kalt. Auch der Einzelne kann sich leicht täuschen. Wenn wir z. B. an einem heißen Sommertag vom Freien in den Hausflur gehen, erscheint uns die Luft dort kühl. An einem sehr kalten Wintertag erscheint es uns im Hausflur angenehm warm, wenn wir von draußen kommen.
Ein Geländer aus Holz erscheint uns beim Anfassen wärmer als ein Geländer aus Metall, obwohl beide die gleiche Temperatur haben. Die Lufttemperatur, die wir tatsächlich empfinden, nennt man gefühlte Temperatur. Diese gefühlte Lufttemperatur ist von vielen Faktoren abhängig, beispielsweise

• von der Luftfeuchtigkeit,
• von der Windgeschwindigkeit,
• davon, ob die Sonne scheint oder nicht,
• von der Art unserer Bekleidung,
• davon, ob wir körperlich tätig sind, uns bewegen oder in Ruhe sind.

Die gefühlte Temperatur ist damit von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich. Manchmal wird aber im Wetterbericht neben der gemessenen Temperatur auch eine gefühlte Temperatur angegeben. Diese im Wetterbericht angegebene gefühlte Temperatur bezieht sich auf einen Modell-Menschen. Der Deutsche Wetterdienst verwendet dazu das so genannte Klima-Michel-Modell. Das ist ein computersimulierter Durchschnittsmensch mit folgenden Eigenschaften:

• männliche Person im Freien,
• Größe 1,75 m und Masse 75 kg,
• etwa 35 Jahre alt,
• geht mit normaler Geschwindigkeit von 5 km/h,
• ist entsprechend der Witterung bekleidet.

Für einen solchen Modell-Menschen gelten folgende Festlegungen:

Empfindung	gefühlte Temperatur
kühl	-26 °C ... -13 °C
leicht kühl	-13 °C .... +5 °C
behaglich	+5 °C .... +17 °C
leicht warm	+17 °C ... +26 °C
warm	+26 °C ... +32 °C

Wenn also im Wetterbericht z. B. eine gemessene Temperatur von 7 °C und eine gefühlte Temperatur von -10 °C verkündet wird, dann würde das der Modellmensch als leicht kühl empfinden. Für den Einzelnen ist das bestenfalls eine Orientierung. Der Einzelne kann eine Lufttemperatur von 7 °C ebenso, aber auch anders empfinden.
Beachte: Das Klima-Michel-Modell des Deutschen Wetterdienstes ist ein mögliches Modell, das subjektive Temperaturempfinden zu charakterisieren. Es gibt weitere Modelle, die mit anderen Vereinfachungen arbeiten und andere Skalen zugrunde legen. Man ist deshalb gut beraten, bezüglich der Kleidung eher von seinen Erfahrungen auszugehen als von Zahlen, die mitunter ohne Nennen des zugrunde liegenden Modells im Wetterbericht verkündet werden.
Manchmal wird in Wetterberichten statt der gefühlten Temperatur die WINDCHILL-Temperatur angegeben. Diese im Zweiten Weltkrieg in der Luftwaffe der USA entwickelte Temperaturangabe hat nichts mit dem Temperaturempfinden des Menschen zu tun. Es ist vielmehr die Temperatur, bei der in einer bestimmten Zeit ¼ Liter Wasser in einem Plastikrohr zu Eis wird.