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Temperaturmesser

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Team Entdeckungsreise
Temperaturmesser
lernst du in der 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung Temperaturmesser

Unser Körper zeigt uns zwar ob etwas kalt oder warm ist, jedoch immer nur mit uns als Vergleichswert. Um Temperaturen jedoch richtig anzugeben brauchen wir objektive Messgeräte Diese kannst du sogar sehr leicht selbst bauen. Du brauchst nur eine von der Temperatur abhängige Stoffeigenschaften auszunutzen und eine Skala zur Anzeige. Aus dem Flüssigkeitsthermometer kennst du bereits die Ausdehnung von Alkohol und Quecksilber. Aber es gibt auch Bi-Metall-Thermometer, diese bestehen aus zwei fest verbundenen Metallen, welche eine unterschiedliche thermische Ausdehnung besitzen. Aber auch mit Hilfe des elektrischen Widerstandes eines Leiters oder Halbleiters kannst du die Temperatur bestimmen.

Transkript Temperaturmesser

Thema dieses Films ist die Temperaturmessung. Ob wir etwas als warm oder kalt empfinden, hängt stark mit der subjektiven Wahrnehmung zusammen. Hält man etwa eine Hand eine Zeitlang in warmes Wasser und die andere gleichzeitig in kaltes Wasser, so ist anschließend das Temperaturempfinden in beiden Händen unterschiedlich. Legt man beide Hände in eine Schüssel mit lauwarmem Wasser, empfindet die eine Hand das Wasser als kalt, die andere dasselbe Wasser aber als warm. Um die Temperatur von Stoffen objektiv bestimmen zu können, brauchen wir aber Verfahren, die wiederholbar und eindeutig sind. Dazu orientieren wir uns an der Eigenschaft von Stoffen, sich unter Temperatureinfluss zu verändern. Wir kennen das vom Wasser, das mit der Temperatur seinen Aggregatzustand verändert. Unter 0°C gefriert es zu Eis, wird also zu einem Feststoff. Bei 100°C siedet es, geht also in den gasförmigen Zustand über. Wir wollen uns zur Temperaturmessung zunutze machen, dass sich Stoffe ausdehnen, wenn sie erwärmt werden. Heißes Wasser, in einer geschlossenen Flasche zum Beispiel, erhitzt die Luft zwischen Wasseroberfläche und Deckel. Diese dehnt sich aus und entweicht zischend, wenn die Flasche geöffnet wird. Umgekehrt gilt. Wenn Stoffe kälter werden, ziehen sie sich zusammen. Bei den meisten Stoffen verändert sich das Volumen in weiten Temperaturbereichen außerdem ziemlich gleichmäßig. Daher brauchen wir für unsere einfache Temperaturmessung nur noch eine geeignete Anzeigeeinrichtung, eine Skala. Denn wenn man zum Beispiel zehn Liter Wasser in einem Putzeimer von 20°C auf 30°C erwärmt, dann ist die Ausdehnung des Wassers hier kaum messbar. Der Wasserpegel steigt nur um ½mm. Hat das Wasser aber nur die Möglichkeit, sich in ein Röhrchen mit einem Querschnitt von 1cm² auszudehnen, dann steigt es in diesem Röhrchen um 21cm an. Wenn wir am Röhrchen nun in gleichmäßigen Abständen zehn Messstriche anbringen, haben wir schon einen brauchbaren Temperaturmesser gebaut, wenn auch nur für den Temperaturbereich zwischen 20 und 30°C. Tatsächlich funktionieren genauso aber Thermometer, also Temperaturmesser, die mit Flüssigkeit gefüllt sind. Das Wort „Thermometer“ kommt übrigens aus dem Altgriechischen und setzt sich zusammen aus den Wörtern „thermós“ für „warm“ und „metró“ für „messen“. Man muss allerdings eine geeignete Flüssigkeit für das Messen von Temperaturen verwenden. Da Wasser bei 0°C gefriert, könnten wir damit im Winter nur schlecht die Außentemperatur messen. Früher wurde daher meist Quecksilber verwendet. Es gefriert erst bei unter - 38°C und siedet bei über 356°C. Und es ist metallisch glänzend und dadurch gut sichtbar. Allerdings hat Quecksilber einen entscheidenden Nachteil: seine Dämpfe sind giftig. Deswegen füllt man Thermometer heute mit anderen Stoffen, zum Beispiel mit gefärbtem Alkohol. Man kann aber auch die Ausdehnung fester Körper insbesondere von Metallen zur Temperaturmessung nutzen. Man spricht dann von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. So dehnt sich zum Beispiel Zink bei Erwärmung etwa doppelt so stark aus wie Stahl. Werden dünne Streifen der Metalle fest miteinander vernietet oder verschweißt, erhält man ein sogenanntes Bimetall. Wird dieses erhitzt, biegt es sich, da sich die beiden Metallstreifen unterschiedlich stark ausdehnen. Der Bimetallstreifen biegt sich zu der Seite mit dem Metall, das sich schwächer ausdehnt. Befestigt man an einem Ende des Bimetallstreifens einen Zeiger und legt das Ganze wieder auf eine Skala, erhält man ein Bimetall-Thermometer. Damit das Ganze etwas handlicher wird, kann man den Bimetallstreifen auch zu einer Spirale aufwickeln. Tatsächlich gibt es noch einige weitere Möglichkeiten, spezifische Eigenschaften von Stoffen zur Temperaturmessung zu verwenden. So basiert zum Beispiel die Messung in einem Widerstandsthermometer darauf, dass der elektrische Widerstand eines Leiters oder Halbleiters von der Temperatur abhängig ist.

20 Kommentare

20 Kommentare
  1. Hallo sofatutor,
    die Sektflaschen im Kühlschrank gehen gar nicht!
    Kann ich so im Unterricht leider nicht einsetzen.
    LG

    Von Sebastian Krieger, vor 2 Monaten
  2. Danke

    Von Su Vorsprach, vor 5 Monaten
  3. Hallo Baule, danke für deinen Kommentar. Wir arbeiten stetig an der Verbesserung unserer Inhalte und freuen uns immer über Feedback.
    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Albrecht K., vor 6 Monaten
  4. das video war nicht schlecht aber die aufgaben dazu waren meiner meinung nach viel zu leicht

    Von Baule, vor 6 Monaten
  5. gut

    Von Birgit 26, vor mehr als einem Jahr
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Temperaturmesser Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Temperaturmesser kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, wie Thermometer die Temperatur bestimmen.

    Tipps

    Zink dehnt sich etwa doppelt so stark aus wie Stahl, wenn beide Metalle erwärmt werden.

    Bei den meisten Stoffen wird das Volumen bei Erwärmung größer.

    Lösung

    Bei einem Flüssigkeitsthermometer mit einem engen Steigrohr nutzt man aus, dass sich Flüssigkeiten ausdehnen, wenn sie erwärmt werden. Wenn sich die Temperatur erhöht, vergrößert sich auch das Volumen der Flüssigkeit und der Flüssigkeitsspiegel im Steigrohr steigt an. Kühlt sich die Temperatur ab, dann fällt der Flüssigkeitsspiegel hingegen.

    Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei Metallen, die sich bei einer Temperaturänderung unterschiedlich stark ausdehnen oder zusammenziehen, wie beispielsweise Zink und Stahl. Wenn sich die Temperatur erhöht, dann wird der Zinkstreifen länger als der Stahlstreifen und der Bimetallstreifen krümmt sich zum Stahlstreifen hin. Fällt die Temperatur, dann zieht sich das Zink stärker zusammen als der Stahl und der Bimetallstreifen verbiegt sich in Richtung Zink.

  • Beschreibe die Thermometer.

    Tipps

    Wenn man seine Hand zuerst in Eiswasser taucht, fühlt sich zimmerwarmes Wasser anschließend sehr warm an.

    Viele Eigenschaften von Materialien sind temperaturabhängig.

    Lösung

    Um mit einem Thermometer eine Temperatur festzustellen, nutzt man aus, dass sich verschiedene Eigenschaften eines Stoffes mit der Temperatur verändern – beispielsweise das Volumen oder der elektrische Widerstand. Bei sehr heißen Objekten, wie der Sonne oder glühendem Metall, kann man die Temperatur auch anhand ihrer Wärmestrahlung feststellen, also anhand der Farbe des Lichtes, das sie abstrahlen.

    Ein Thermometer ist umso genauer, je stärker sich die Eigenschaft des Stoffes mit der Temperatur ändert und je stärker diese Änderung zu sehen ist. In einem engen Steigrohr steigt die Flüssigkeit auch bei einer kleinen Temperaturerhöhung deutlich an. Deshalb ist ein solches Flüssigkeitsthermometer genauer. Bei einem Bimetallthermometer kommt es hingegen darauf an, wie lang der Streifen ist und wie unterschiedlich sich die beiden Metalle ausdehnen und zusammenziehen. Das gleiche Metall kann man also nicht verwenden.

  • Bestimme die temperaturabhängige Ausdehnung.

    Tipps

    Die Formel für den Längenunterschied $\Delta L$ lautet:

    $\Delta L=L_{\text{Winter}}\cdot\alpha\cdot(T_{\text{Sommer}}-T_{\text{Winter}})$

    Dabei steht $L$ für die Längen und $T$ für die Temperaturen. $\alpha$ ist der Längenausdehnungskoeffizient.

    Egal, welche Temperatur im Winter angenommen wird, die Länge des Stahlbalkens soll dann immer $8\ \text{m}$ betragen.

    Lösung

    Um die Ausdehnung eines Körpers zu beschreiben, kann man den Längenausdehnungskoeffizienten benutzen.

    Wir kennen jeweils folgende Größen:

    • Länge des Stahlbalkens im Winter: $8\ \text{m}$
    • Längenausdehnungskoeffizient für Stahl: $0,000011\ \frac{1}{\text{ °C}}$
    • Temperatur im Sommer: $T_{\text{Sommer}}$
    • Temperatur im Winter: $T_{\text{Winter}}$
    So erhalten wir die folgenden Berechnungen.

    Beispiel 1

    $\begin{array}{llll} & \Delta L &=& L_{\text{Winter}}\cdot\alpha\cdot(T_{\text{Sommer}}-T_{\text{Winter}}) \\ & &=& 8\ \text{m}\cdot 0,000011\ \frac{1}{\text{°C}}\cdot (30\ ^\circ\text{C}-(-5\ ^\circ\text{C})) \\ & &=& 0,00308\ \text{m} \\ & &=& 3,08\ \text{mm} \end{array}$

    Beispiel 2

    $\begin{array}{llll} & \Delta L &=& L_{\text{Winter}}\cdot\alpha\cdot(T_{\text{Sommer}}-T_{\text{Winter}}) \\ & &=& 8\ \text{m}\cdot 0,000011\ \frac{1}{\text{°C}}\cdot (30\ ^\circ\text{C}-(-10\ ^\circ\text{C})) \\ & &=& 0,00352\ \text{m} \\ & &=& 3,52\ \text{mm} \end{array}$

    Beispiel 3

    $\begin{array}{llll} & \Delta L &=& L_{\text{Winter}}\cdot\alpha\cdot(T_{\text{Sommer}}-T_{\text{Winter}}) \\ & &=& 8\ \text{m}\cdot 0,000011\ \frac{1}{\text{°C}}\cdot (25\ ^\circ\text{C}-0\ ^\circ\text{C}) \\ & &=& 0,0022\ \text{m} \\ & &=& 2,2\ \text{mm} \end{array}$

    Beispiel 4

    $\begin{array}{llll} & \Delta L &=& L_{\text{Winter}}\cdot\alpha\cdot(T_{\text{Sommer}}-T_{\text{Winter}}) \\ & &=& 8\ \text{m}\cdot 0,000011\ \frac{1}{\text{°C}}\cdot (35\ ^\circ\text{C}-(-10\ ^\circ\text{C})) \\ & &=& 0,00396\ \text{m} \\ & &=& 3,96\ \text{mm} \end{array}$

  • Erkläre die Kalibrierung des Thermometers.

    Tipps

    Die Flammen eines Holzfeuers können bis zu $1000\text{ °C}$ heiß werden.

    Die Körpertemperatur eines Menschen beträgt $36,5$ bis $37,6\text{ °C}$.

    Ein Tiefkühlschrank hat eine Temperatur von ca. $-15\text{ °C}$.

    Lösung

    Damit Maike die Skala an ihrem Thermometer richtig kalibrieren kann, benötigt sie einige Temperaturfixpunkte, also bestimmte physikalische Ereignisse, die immer genau bei der gleichen Temperatur auftreten. Hier könnte Maike beispielsweise das Eiswasser und das kochende Wasser verwenden. Weil ein Teil des Eiswassers noch flüssig und ein anderer Teil bereits gefroren ist, kann sich Maike sicher sein, dass sich die Temperatur genau an der Grenze zwischen dem flüssigen und dem festen Aggregatzustand liegt, also bei $0\text{ °C}$. Genauso kann sie sich sicher sein, dass das kochende Wasser und der daraus emporsteigende Wasserdampf genau eine Temperatur von $100\text{ °C}$ haben.

    Streng genommen muss Maike jedoch noch auf den Luftdruck achten, denn die Schmelz- und Siedepunkte von verschiedenen Stoffen sind auch vom Druck abhängig, wie du in diesem Phasendiagramm erkennen kannst. Im Normalfall kann Maike auf der Erde aber immer einen Luftdruck von 1 bar erwarten.

    Sehr genaue Thermometer für die Forschung kalibriert man übrigens mit den Tripelpunkten von verschiedenen Stoffen. An seinem Tripelpunkt ist Wasser beispielsweise eine Mischung aus flüssigem Wasser, Eis und Wasserdampf und damit dieser Fall eintritt müssen die Temperatur und der Druck ganz genau passen. Deshalb kann man sich beim Tripelpunkt auch ohne auf den Druck zu achten ganz sicher sein, welche Temperatur das Gemisch gerade hat.

    Mit einem Feuer oder der Körpertemperatur kann man ein Thermometer nicht gut kalibrieren, denn diese Temperaturen schwanken zu stark. Bei dem Eis kann sich Maike auch nicht sicher sein, welche Temperatur es hat. Sie wüsste nur, dass es weniger als $0\text{ °C}$ sind.

  • Nenne die Möglichkeiten zur Temperaturmessung.

    Tipps

    Flüssiges Wasser hat eine Temperatur zwischen $0°\text{C}$ und $100°\text{C}$.

    Die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit hängt z. B. vom Gefälle ab.

    Wenn man viel oder wenig Gas in einer Flasche lagert, ändert sich nur der Druck.

    Der Aggregatzustand eines Stoffes ändert sich (unter Normalbedingungen) immer bei einer konkreten Temperatur, aber nicht in einem größeren Temperaturbereich.

    Lösung

    Um eine Temperatur exakt zu messen, kann man verschiedene Eigenschaften von Stoffen nutzen, die sich mit der Veränderung der Temperatur verändern. Es gibt viele solcher Eigenschaften, allerdings eignen sich nicht alle für eine genaue Messung der Temperatur.

    Zum Beispiel ändert sich der Aggregatzustand zwar mit der Temperatur, aber man kann mit ihm nur einen sehr groben Temperaturbereich feststellen. Wenn Wasser beispielsweise flüssig ist, wissen wir, dass es eine Temperatur zwischen $0°\text{C}$ und $100°\text{C}$ hat. Es ist aber nicht möglich, so die genaue Temperatur festzustellen.

    Mit der Wärmeausdehnung von Gasen kann man die Temperaturänderung etwas genauer feststellen. Allerdings sind Gase kompressibel, das heißt, dass sie auch durch Druckänderung ihr Volumen sehr stark ändern. Wenn sich ein Luftballon ausdehnen würde, wüssten wir beispielsweise nicht, ob vielleicht der Luftdruck gesunken ist oder ob sich seine Temperatur verändert hat.

    Die Wärmeausdehnung von Feststoffen und Flüssigkeiten ist hingegen gut geeignet, um die Temperatur festzustellen, da sie nicht kompressibel sind. Auch die Änderung des elektrischen Widerstands ist ein gutes Maß für eine Temperaturänderung.

    Zudem kann man bei sehr heißen Objekten auch ihre Wärmestrahlung verwenden, um ihre Temperatur festzustellen. Denn jedes Objekt erzeugt aufgrund seiner Temperatur elektromagnetische Strahlung, also Licht oder beispielsweise Infrarotstrahlung. Die Temperatur der Sonne kann man z. B. durch ihr Lichtspektrum sehr gut bestimmen. Aber auch ein Schmied erkennt z. B. an der Farbe eines glühenden Metalls, wie heiß es ist.

    Die Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten hat mit der Temperatur nicht viel zu tun. Entscheidender ist, wie groß der Zufluss und der Abfluss sind oder wie groß das Gefälle ist, über das die Flüssigkeit strömt.

  • Ermittle den Flüssigkeitsspiegel.

    Tipps

    Wenn sich das Ethanol von $20\text{ °C}$ auf $25\text{ °C}$ erhöht, steigt sein Volumen um den Faktor $f=1+5\cdot 0,0011=1,0055$. Es beträgt also:

    • $V(25\text{ °C})=V(20\text{ °C})\cdot (1,0055)$.

    Die Kapillaren von Flüssigkeitsthermometern sind meistens zylinderförmig. Deshalb kannst du das Volumen der Flüssigkeit mit dem Produkt aus der Grundfläche der Kapillare und der Höhe des Flüssigkeitsspiegels bestimmen:

    • $V_{Flüssigkeit}=A_{Kapillare}\cdot h$

    Bestimme zuerst das zusätzliche Volumen, das mit der höheren Temperatur dazu kommt. Anschließend kannst du es mit der Volumenformel aus Tipp 1 gleichsetzen, um die Höhe herauszufinden.

    Lösung

    Wenn sich die Temperatur um $10\text{ °C}$ erhöht, vergrößert sich das Volumen der Flüssigkeit um den Faktor $f=1+10\text{ K}\cdot\frac{0,0011}{\text{K}}=1,011$. Das zusätzliche Volumen beträgt also $\Delta V=600\text{mm}^3\cdot 0,011=6,6\text{mm}^3$.

    Die Steighöhe $h$ der Flüssigkeit ergibt sich dann, wenn du das zusätzliche Volumen mit der Volumenformel gleichsetzt, also $\Delta V=A_{Kapillare}\cdot h$. Nun kannst du die Formel nach der Steighöhe umstellen, indem du durch die Grundfläche der Kapillare teilst. Du erhältst dann $h=\frac{6,6\text{mm}^3}{0,55\text{mm}^2}=12\text{ mm}$. Die Flüssigkeitssäule steigt also um $12\text{ Millimeter}$.

    Da die Ausdehnung einer Flüssigkeit meist eher gering ist, braucht man sehr dünne Kapillaren, um die Temperaturänderung gut ablesen zu können. Je dünner die Kapillare ist, desto besser kann man abschätzen, wie stark sich eine Temperatur ändert und desto genauer ist auch das Thermometer.

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