Temperaturmessung

Temperaturmesser einfach erklärt

Ob wir etwas als kalt oder warm empfinden, hängt stark von der subjektiven Wahrnehmung ab. Vielleicht kennst du das Experiment, bei dem du eine Hand in eine Schüssel mit kaltem Wasser und eine Hand in eine Schüssel mit warmem Wasser legst. Nach ein paar Minuten legst du beide Hände in eine Schüssel mit lauwarmem Wasser. Beide Hände nehmen die Temperatur des Wassers in dieser Schüssel unterschiedlich wahr. Die Hand aus der kalten Schüssel empfindet es als warm, die Hand aus der warmen Schüssel empfindet es als kalt. Um die Temperatur von Stoffen objektiv bestimmen zu können, brauchen wir Verfahren, die wiederholbar und eindeutig sind. Solche Messverfahren werden durch Temperaturmesser ermöglicht. Was ein Temperaturmesser ist und wie er funktioniert, schauen wir uns im Folgenden an.

Was ist ein Temperaturmesser?

Ein Temperaturmesser ist ein Messgerät, welches die Temperatur objektiv bestimmt. Die Funktion dieser Temperaturmesser basiert auf der Eigenschaft von Stoffen, sich unter Temperatureinfluss zu verändern. Wir kennen das vom Wasser, welches unter Temperatureinfluss den Aggregatzustand ändert. Unter $0\,^\circ\pu{C}$ gefriert es zu Eis, wird also zu einem Feststoff. Bei $100\,^\circ\pu{C}$ siedet es, geht also in den gasförmigen Zustand über. Für die Temperaturmessung wird ausgenutzt, dass sich Stoffe in der Regel ausdehnen, wenn sie erwärmt werden und sich zusammenziehen, wenn sie sich abkühlen. Dafür ist es wichtig, einen Stoff auszuwählen, bei welchem sich das Volumen gleichmäßig zur Temperaturänderung ändert. Für die einfache Temperaturmessung wird dann noch eine geeignete Skala benötigt. Diese wird genutzt, um die Temperatur genau ablesen zu können. Temperaturmesser sind auch unter dem Begriff Thermometer bekannt. Aber wie funktioniert ein Thermometer? Schauen wir uns zwei unterschiedliche Bauweisen genauer an!

Flüssigkeitsthermometer

Um zu verstehen, wie ein Flüssigkeitsthermometer funktioniert, schauen wir uns ein kleines Experiment an. Erwärmt man $10\,\pu{\ell}$ Wasser in einem Topf auf dem Herd von $20\,^\circ\pu{C}$ auf $30\,^\circ\pu{C}$, dann ist die Volumenänderung im Topf kaum messbar. Hat das Wasser nun jedoch nur die Möglichkeit, sich in einem schmalen Röhrchen auszubreiten, so steigt der Wasserstand in diesem Röhrchen um mehrere $\pu{cm}$ an. Bringen wir an diesem Röhrchen zwischen dem unteren und dem oberen Wasserstand in gleichmäßigem Abstand zehn Messstriche an, so erhalten wir eine brauchbare Skala. Dieser Temperaturmesser dient jedoch nur für die Temperaturen zwischen $20\,^\circ\pu{C}$ und $30\,^\circ\pu{C}$.

Nach dem gleichen Prinzip funktionieren Flüssigkeitsthermometer. Das sind Thermometer, welche mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, welche zur Temperaturmessung genutzt wird. Die Flüssigkeit zum Messen von Temperaturen muss jedoch geeignet sein. Da Wasser bei $0\,^\circ\pu{C}$ gefriert, eignet es sich nicht gut. Außerdem nimmt das Volumen von Wasser bei unter $4\,^\circ\pu{C}$ wieder zu, was ebenfalls unpraktisch für ein Thermometer ist. Früher wurde meist Quecksilber verwendet. Es gefriert erst bei unter $-38\,^\circ\pu{C}$ und siedet bei über $356\,^\circ\pu{C}$. Zudem ist es metallisch glänzend und dadurch gut sichtbar. Allerdings sind die Dämpfe von Quecksilber giftig. Deshalb werden Thermometer heute mit anderen Stoffen gefüllt, zum Beispiel mit gefärbtem Alkohol.

Bimetallthermometer

Auch die Ausdehnung fester Körper, vor allem von Metallen, kann zur Messung von Temperaturen genutzt werden. Metalle besitzen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Das heißt, sie dehnen sich bei gleicher Temperaturänderung unterschiedlich stark aus. Zink dehnt sich bei gleicher Erwärmung doppelt so stark aus wie Stahl. Werden dünne Streifen der Metalle fest miteinander vernietet oder verschweißt, erhält man ein sogenanntes Bimetall. Wird dieses erhitzt, so biegt es sich, da sich die beiden Metallstreifen unterschiedlich stark ausdehnen. Der Bimetallstreifen biegt sich zu der Seite mit dem Metall, welches sich schwächer ausdehnt. Befestigt man an einem Ende des Streifens einen Zeiger und legt eine Skala fest, so erhält man ein Bimetallthermometer. Um es handlicher zu machen, wird in manchen Fällen der Bimetallstreifen zu einer Spirale aufgewickelt.

Es gibt noch weitere Möglichkeiten, spezifische Eigenschaften von Stoffen zur Temperaturmessung zu verwenden. So gibt es verschiedene Arten von Temperaturmessern. In einem Widerstandsthermometer zum Beispiel basiert die Messung darauf, dass der elektrische Widerstand eines Leiters oder Halbleiters von der Temperatur abhängig ist.

Zusammenfassung – Temperaturmesser Physik

In diesem Video lernst du, was man unter einem Temperaturmesser versteht. Auch wird erklärt, wie man die Temperatur misst und wie ein Thermometer aufgebaut ist. Zusätzlich zum Text und Video findest du noch Aufgaben und Übungen zum Thema Temperaturmesser.