Thermometer

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 und elektronische Thermometer.

Elektronisches Thermometer mit zwei Temperaturanzeigen

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. 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.

Experiment zum Temperaturempfinden des Menschen

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.

Aufbau eines Flüssigkeitsthermometers

Flüssigkeitsthermometer gibt es in zahlreichen Bauformen. 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.

Verschiedene Flüssigkeitsthermometer

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.

Aufbau eines Gasthermometers

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.

Bimetallthermometer und sein Aufbau

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:

I~1R

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.

Elektronisches 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.

Galileisches Thermometer

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.

Nutzung von Thermofarben (Postkartenthermometer)

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.

Glühfarben von Werkzeugstahl

Temperaturskalen

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.

Verschiedene Temperaturskalen
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