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Wärmelehre Das Messen von Temperatur

Von: Christian Döllinger

Stand: 29.03.2017

Schau dir zunächst das Video auf die folgenden Fragen hin an:

  • Wie legte Celsius die nach ihm benannte Temperaturskala fest?
  • Worin liegen die Unterschiede und die Gemeinsamkeiten der Celsius- und der Kelvin-Temperaturskala?
  • Wie kann man die beiden Temperaturskalen umrechnen?
  • Welche Überlegung führte zur Einführung der thermodynamischen Temperaturskala durch Lord Kelvin?

Weiter unten findest du die Antworten auf die Fragen und vertiefende Informationen.

Genauigkeit von Temperaturanzeigen

Flüssigkeitsthermometer wie etwa das Quecksilberthermometer haben einen grundsätzlichen Schwachpunkt: Ihre Wirkungsweise beruht auf der Ausdehnung der Messflüssigkeit im Kapillarrohr des Thermometers - und diese Flüssigkeit dehnt sich nicht exakt proportional zur Temperaturerhöhung aus.

Funktionsweise von Thermometern mit Messflüssigkeiten

Gängige Messflüssigkeiten sind Quecksilber und Alkohol. Die Celsiusskala definiert sich durch zwei Fixpunkte: den Schmelzpunkt des Eises und den Siedepunkt des Wassers. Der Abstand der beiden Markierungen, die diesen beiden Punkten entsprechen, lässt sich in 100 gleiche Skalenteile unterteilen. Der erste Teilstrich oberhalb der Marke, die dem Schmelzpunkt des Eises zugeordnet ist, entspricht einer Temperatur von 1 °C. Da die Volumenausdehnung zwischen den beiden Fixpunkten bei Flüssigkeiten nicht absolut gleichmäßig (also nicht exakt proportional) zur Temperaturänderung erfolgt, kann es durchaus sein, dass die Anzeige von zwei Thermometern, die auf dieselbe Weise geeicht wurden, im mittleren Temperaturbereich leicht differiert, ein Alkoholthermometer also eine andere Temperatur anzeigt als ein Quecksilberthermometer.

Dabei stimmt die Anzeige eines Quecksilberthermometers recht gut mit der thermodynamischen Temperaturskala, wie sie in der Wissenschaft verwendet wird, überein. Diese wurde von Lord Kelvin eingeführt und hat gegenüber der Celsius-Skala den Vorteil, unabhängig von Stoffeigenschaften wie dem Schmelz- oder Siedepunkt eines bestimmten Stoffes zu sein.

Elektronische Thermometer

Wegen der zahlreichen Nachteile von Flüssigkeitsthermometern verwendet man mittlerweile fast nur noch elektronische Temperaturmessgeräte. Die wichtigsten Vertreter dieser Gattung sind die Widerstandsthermometer.

Der Widerstand von reinen Metallen und Halbleitermaterialien hängt neben anderen Einflussgrößen auch von der Temperatur ab: Der Widerstand reiner Metalle (keine Metalllegierungen wie Konstantan!) steigt mit wachsender Temperatur, der Widerstand der Halbleiter nimmt dagegen in der Regel ab. Diese Abhängigkeit kann man zur Temperaturmessung verwenden. Ändert sich die Temperatur, so ändert sich auch der elektrische Widerstand und damit – bei konstanter, von einer Batterie gelieferten Spannung – auch der elektrische Strom im Messdraht. Als Material für den Messdraht eignet sich besonders Platin wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und der nahezu linearen Abhängigkeit seines (spezifischen) Widerstandes von der Temperatur (das heißt die Widerstandsänderung ist proportional zur Temperaturänderung).

Mit einem Widerstandsthermometer misst man primär die Stromstärke. Dabei wird der Messfühler mit dem Platindraht mit dem Objekt, dessen Temperatur bestimmt werden soll, in engen Kontakt gebracht. Zum Eichen eines Widerstandsthermometers ordnet man die gemessene Stromstärke der jeweiligen Temperatur zu. Dies fällt bei Platin durch die weitgehende Proportionalität von Temperatur- und Widerstandsänderung leicht.

Ein weiterer Vorteil von Platin-Widerstandsthermometern ist der große Einsatzbereich für Temperaturmessungen, der von -200 °C bis 850 °C reicht. Nachteilig dagegen ist die sehr kleine Widerstandsänderung bei geringen Temperaturschwankungen, was eine sehr empfindliche Messanordnung erfordert.

Vorteil von Thermistoren

Diesen Nachteil weisen Thermistoren nicht auf. Bei ihnen nutzt man meist die temperaturabhängige Widerstandsänderung von Halbleitermaterialien wie Silizium. Diese Stoffe sind in der Regel so genannte "Heißleiter", deren Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. Da die Widerstandsänderung dieser Temperaturmessgeräte bei kleinen Temperaturschwankungen wesentlich größer als bei einem Platin-Widerstandsthermometer ist, sind die Anforderungen an die Empfindlichkeit der Meßanordnung geringer. Nachteilig ist der nichtlineare Zusammenhang zwischen der Widerstands- und der Temperaturänderung (die Widerstandsänderung ist nicht proportional zur Temperaturänderung). Dadurch ist es schwerer, diese Stoffe als Temperaturmesser zu eichen.

Absoluter Nullpunkt

Die Temperaturskalen sind nach oben offen, das heißt: Es gibt keine obere Grenze für Temperatur. Das ist auf den ersten Blick nicht ganz einsichtig, denn die Temperatur ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers, und die wiederum wird außer von der Masse der Teilchen von deren Geschwindigkeit bestimmt. Die Geschwindigkeit eines jeden Objekts aber ist nach der Speziellen Relativitätstheorie durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt: Kein Objekt kann mehr als Lichtgeschwindigkeit erreichen, egal wie leicht es ist. Das gilt auch für Elektronen und Protonen, die in Beschleunigungsanlagen, etwa beim CERN in Genf, durch ungeheuren Energieaufwand beschleunigt werden. Selbst dieser Grenzgeschwindigkeit kann man sich nur bis auf Bruchteile eines Prozents nähern.

Der Grund für diese Beschränkung liegt in der Masse der schnell bewegten Teilchen: Bei sehr hohen Geschwindigkeiten vergrößert sich deren Masse mit der Geschwindigkeit immer mehr. Bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit geht selbst die Masse eines Elektrons gegen Unendlich, so dass keine weitere Beschleunigung mehr möglich wird. Die Geschwindigkeit eines Teilchens unterliegt daher einer Schranke, nicht aber die für die Temperatur maßgebliche Bewegungsenergie, die wegen der Massenzunahme bei hohen Geschwindigkeiten unbegrenzt ansteigen kann.

Im Gegensatz dazu gibt es zu tiefen Temperaturen hin eine Grenze, die nicht unterschritten, ja nicht einmal genau erreicht werden kann: Den absoluten Nullpunkt bei -273,15 °C. Man kann sich das grob (und nicht ganz mit quantenphysikalischen Gesetzen in Einklang stehend) so vorstellen, dass bei dieser Temperatur die Teilchenbewegung "einfriert" und damit ein Zustand maximaler Ordnung erreicht wird. Außerdem geht bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt die spezifische Wärmekapazität aller Stoffe gegen 0, so dass es schließlich unmöglich wird, ihnen auf irgendeine Weise thermische Energie zu entziehen. Damit wird eine weitere Abkühlung unmöglich.

Bei der Annäherung an den absoluten Nullpunkt zeigen eine Reihe von Stoffen überraschende Eigenschaften: Ihr elektrischer Widerstand verschwindet völlig (Supraleitung), flüssiges Helium 3 verliert seine Viskosität (Zähigkeit), kriecht also von alleine aus einem Gefäß wieder heraus. Das nennt man Suprafluidität.

Einige markante Temperaturen

VorkommenTemperatur
Siedepunkt von Helium bei Normaldruck-268 °C
Siedepunkt von flüssigem Sauerstoff bei Normaldruck-185 °C
Tiefste und höchste Temperatur auf der Erde-85 °C und +58 °C
Temperatur auf der Sonnenoberflächeca. 5.700 °C
Temperatur im Sonneninnerenca. 15 Millionen °C

Lerncheck: Temperaturmessung

Frage

Wie legte Celsius die nach ihm benannte Temperaturskala fest?

Antwort

Celsius bestimmte den Schmelzpunkt des Eises und den Siedepunkt des Wassers als Fixpunkte seiner Temperaturskala. Dem Schmelzpunkt ordnete er ursprünglich die Temperatur 100°, dem Siedepunkt 0° zu. Den Abstand zwischen den beiden Markierungen teilte er in 100 gleiche Teile. Dem Abstand zweier benachbarter Skalenstriche entsprach demnach eine Temperaturdifferenz von 1°.

Frage

Worin liegen die Unterschiede und die Gemeinsamkeiten der Celsius- und der Kelvin-Temperaturskala?

Antwort

Die beiden Temperaturskalen unterscheiden sich im Wesentlichen durch ihren Nullpunkt. Die Skalierung beider Temperaturskalen stimmt dagegen überein. Die absolute Temperaturskala kennt im Gegensatz zur Celsiusskala keine negativen Temperaturen. Mit der absoluten Temperatur lassen sich viele Gesetzmäßigkeiten in der Wärmelehre - wie z. B. die Gasgesetze - einfacher darstellen.

Frage

Wie kann man die beiden Temperaturskalen umrechnen?

Antwort

Der Zahlenwert der absoluten Temperaturskala ergibt sich aus dem der Celsius-Skala, indem man zum Zahlenwert der Celsiustemperatur die Zahl 273 addiert.

Frage

Welche Überlegung führte zur Einführung der thermodynamischen Temperaturskala durch Lord Kelvin?

Antwort

Lord Kelvin wollte eine Temperaturskala einführen, die im Gegensatz zu der von Celsius begründeten Skala nicht auf den Eigenschaften eines bestimmten Stoffes aufbaut.