Thermometer und ihre Funktionsweise

Es gibt viele Materialeigenschaften, die von der Temperatur abhängen und genauso viele Möglichkeiten gibt es auch, sie zu messen – zu viele, um in diesem Rahmen auf alle einzugehen. Deshalb beschränken wir uns hier nur auf drei verbreitete Arten.

Der vermutlich bekannteste Vertreter aus der Reihe der Temperaturmesser ist das Flüssigkeitsthermometer. Es besteht aus einem kleinen Behälter mit Flüssigkeit, der mit einem Röhrchen verbunden ist, in dem die Flüssigkeit wandern kann. Früher wurde Quecksilber verwendet, heute ist meist gefärbter Alkohol im Einsatz. Der Grund für diese Wahl ist die Tatsache, dass es auch im üblichen negativen Temperaturbereich nicht friert und der sogenannte Wärmeausdehnungskoeffizient sich nicht allzu sehr mit der Temperatur ändert. Denn der ist entscheidend für die Funktionsweise dieses Messinstrumentes. Erwärmt sich die Flüssigkeit, dehnt sie sich entsprechend dieses Koeffizienten aus, und zwar in die einzig mögliche Richtung: Im Röhrchen hoch, an der Messskala vorbei. Durch den Aufbau und die Skalierung des Gerätes ist der Stand der Flüssigkeitssäule mit der Temperatur verknüpft. Nimmt man es ganz genau, muss auch noch berücksichtigt werden, dass das Glas sich bei Erwärmung ebenfalls ausdehnt, aber im alltäglichen Gebrauch ist das zu vernachlässigen.

In der industriellen Messtechnik und auch in offiziellen Wetterstationen wird gerne ein Widerstandthermometer eingesetzt, weil die Temperatur nicht „von Hand“ abgelesen werden muss, sondern direkt ein elektrisches Signal vorliegt. Bei diesem Instrument basiert die Funktion auf der temperaturabhängigen elektrischen Leitfähigkeit von Metallen. Je höher die Temperatur ist, desto besser ist die Leitfähigkeit, und entsprechend geringer der Widerstand. Bei einer Temperaturänderung um ein Grad ändert sich auch der Widerstand um einen festen Wert – zumindest im Rahmen der alltäglichen Größenordnungen. Das geläufigste Thermometer dieser Art ist das sogenannte Pt100. „Pt“ bezeichnet das Material Platin mit seinem chemischen Zeichen. Die „100“ gibt an, dass es bei 0 Grad Celsius einen Widerstand von 100 Ohm hat. Durch einen Platindraht fließt ein konstanter Strom. Abhängig vom Widerstand fällt eine Spannung ab, die gemessen wird. Auf den Widerstand – und damit die Temperatur – kann mithilfe des Ohmschen Gesetzes geschlossen werden. Demzufolge ist die gemessene Spannung gleich dem Produkt aus dem vorgegebenen Strom und dem Widerstand des Leiters, der letztendlich von Interesse ist.

Eine weitere relativ bekannte Messmethode ist der Einsatz eines Strahlungsthermometers, auch Pyrometer genannt. Dabei muss das Messgerät den Körper nicht berühren, um seine Temperatur zu bestimmen. Jeder Körper, der wärmer als 0 Kelvin oder -273,15 Grad Celsius ist, gibt Wärmestrahlung ab. Die Temperatur des Körpers legt dabei die Intensität sowie die Wellenlänge der Strahlung fest, was durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben wird. Je wärmer ein Körper ist, desto höher ist die Intensität der Strahlung und desto kurzwelliger, also energiereicher ist sie. Bei Temperaturen unter 500 Grad Celsius liegt die Wellenlänge im infraroten Bereich, bei höheren Werten kann ein Glühen im sichtbaren Bereich beobachtet werden. Es gibt verschiedene Arten von Pyrometern, die sich im Kern aber alle diese Abhängigkeit zunutze machen. Die abgegebene Strahlung des zu messenden Körpers wird vom Gerät registriert und in den Tiefen seiner Technik in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dann ausgegeben wird.

Es gibt also verschiedene physikalische Prinzipien, die genutzt werden, um Wärme in Zahlenwerte umzuwandeln. Je nach Einsatzbereich und Anforderungen an die Genauigkeit sind dabei einige geeigneter als andere.

Dipl.-Met. Tobias Reinartz in Zusammenarbeit mit Hochschulpraktikantin Christina Kagel
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 08.09.2024
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