nr. sieben

Der Temperatur auf der Spur

Draußen steigt das Quecksilber im Röhrchen und wir fragen uns: Wie funktioniert eigentlich ein Thermometer?

Endlich frühlingshafte Temperaturen! Wenn wir wissen wollen, wie warm es draußen ist, reicht ein kurzer Blick aufs Thermometer. So einfach war die Temperaturmessung nicht immer, ganz im Gegenteil. Über Jahrhunderte hinweg scheiterten selbst die besten Gelehrten ihrer Zeit an den Problemen, die die exakte Bestimmung von Kälte und Wärme mit sich bringt.

Historiker lassen die Geschichte des Thermometers gerne mit einem Betrug beginnen. Vor über 2000 Jahren beauftragte König Hieron II. von Syrakus den griechischen Gelehrten Archimedes mit einer heiklen Aufgabe. Der König wollte wissen, ob seine Krone wirklich aus purem Gold bestand oder ob bei deren Herstellung heimlich gespart worden war. Das Problem: Archimedes konnte die königliche Krone ja kaum auseinandersägen, um nachzuschauen. Eine andere Lösung musste also her. Die rettende Idee kam ihm angeblich beim Baden, als seine Wanne überlief: Wenn die Krone wirklich aus purem Gold war, dann musste ein ebenso schwerer, reiner Goldbarren exakt gleich viel Wasser verdrängen. Also tauchte er beides nacheinander in ein randvolles Gefäß und siehe da: Sobald die Krone untergetaucht war, lief mehr Wasser über den Rand des Bottichs als beim Goldbarren. Damit war klar: Der König war betrogen worden. Soweit zumindest die Legende.

35967961
Das unterfränkische Unternehmen Amarell ist eines der letzten in Deutschland, das hoch präzise Spezialthermometer in Handarbeit für die Industrie herstellt. Foto: Daniel Karmann/dpa

Das Universalgenie Galileo Galilei besann sich Anfang des 17. Jahrhunderts auf diese Geschichte und wendete das „Archimedische Prinzip“ an, um aufzuzeigen, wie groß der Einfluss der Temperatur war. In seinen „Discorsi“ (1635/1638) berichtet er von einer Wachskugel, die so genau austariert war, dass sie unter Wasser schwebte, also weder versank noch aufstieg. Erwärmte sich nun das Wasser, so verringerte sich dadurch dessen Dichte und die Wachskugel begann abzusinken. Kühleres Wasser hingegen ließ die Kugel im Gefäß aufsteigen. Die Dichte der Flüssigkeit änderte sich also mit der Temperatur. Noch heute schmücken die dekorativen Auftriebsthermometer, die nach diesem Prinzip funktionieren – sogenannte „Galilei-Thermometer“ – unsere Wohnstuben.

Allerdings ist diese Art der Temperaturmessung recht träge und auch nicht für jede Situation geeignet. Größere Hitze misst man besser mit Metallausdehnungsthermometern. Schon in der ersten Hälfte des 18. Jahrhundert nutzte Pieter van Musschenbroek die Längenausdehnung von Metallen, um hohe Temperaturen genauer zu vermessen. Da sich unterschiedliche Metalle verschieden stark ausdehnen, wenn sie erhitzt werden, genügt es, zwei dünne Streifen andersartiger Metalle fest miteinander zu verbinden. Bei Erwärmung krümmt sich der Zweifach-Metallstreifen in Richtung des sich geringer ausdehnenden Metalls. Ein angebrachter Zeiger und eine Skala übersetzen den jeweiligen Krümmungsgrad in eine Temperaturanzeige. Diese Arten von Thermometer werden auch „Bimetallthermometer“ genannt. Sie finden heute vor allem dort Verwendung, wo extreme Temperaturen zu erwarten sind, wie etwa in Öfen, wo sie durchaus für Temperaturen von 500 Grad Celsius und mehr geeignet sind.

  • 41253603
    Warum die Temperatur nicht mit einem Wetterhäuschen messen? Foto: Martin Schutt/dpa
  • 41253520
    Diese historischen Zimmerthermometer sind im Thermometermuseum in Geraberg, Thüringen ausgestellt. Foto: Martin Schutt/dpa
  • 41253551
    Ein Fieberthermometer gehört in jeden Haushalt. Foto: Martin Schutt/dpa

Von Wasser über Wein zu hochprozentigem Alkohol

Die meisten Stolpersteine lagen denjenigen Forschern im Weg, die sich mit der Ausdehnung von Flüssigkeiten zur Temperaturanzeige beschäftigten. Schon in der Antike kannte man sogenannte „Thermoskope“. Das sind einfache Vorläufer des Thermometers ohne wirklich brauchbare Skalen, die zudem alles andere als zuverlässig und exakt die wirkliche Wärme oder Kälte anzeigten. Das Prinzip war allerdings einfach: Ein dünnes Röhrchen wurde in einen Behälter mit Wasser getaucht, und nun konnte das Wasser bei steigender Temperatur aufgrund seiner Ausdehnung in diesem Röhrchen emporsteigen oder eben auch in kälterer Umgebung darin absinken. Allerdings gab es da ein Problem: Der Wasserstand änderte sich nämlich auch aufgrund des Luftdrucks, der auf das offene System einwirken konnte und das Ergebnis verfälschte.

Die Forscher der 1657 in Florenz gegründeten Accademia del Cimento verschlossen darum kurzerhand beide Seiten des Röhrchens, so dass der Luftdruck keinen Einfluss mehr auf das Messergebnis ausübte. Dafür mussten sich die Florentiner mit anderen Problemen herumschlagen. Wasser hat den ganz großen Nachteil, dass es in einem klaren Glasröhrchen auf Dauer trüb und unansehnlich werden kann. In den dünnen Kapillaren war es aufgrund seiner Durchsichtigkeit ohnehin schlecht zu erkennen. Aber welche Flüssigkeit war besser geeignet?

41253525
Ein Florentiner Thermometer, ausgestellt im Deutschen Thermometermuseum Foto: Martin Schutt/dpa

Rotwein vielleicht? Der zeichnete sich zwar schön deutlich in dem kleinen Röhrchen ab, verschmutzte aber auch mit winzigen Traubenrückständen die dünnen Kapillaren. Der Alkohol sollte es dennoch richten. Schon bald war Weingeist die Thermometerflüssigkeit der Wahl. Dieser verdarb nicht und ließ sich mit Cochenille-Schildläusen sehr schön dekorativ rot einfärben. Safran sorgte hingegen für eine gelbe Färbung, und mit etwas Kupferblume sowie Salmiakgeist ergab sich einen schöne blaue Messflüssigkeit.

Aber auch der Alkohol löste längst nicht alle Probleme der Forscher. Die Zusatzstoffe, die zum Einfärben verwendet wurden, lagerten sich ebenfalls in den Glasröhrchen ab, und zudem hing das Messergebnis entscheidend von der Konzentration des Weingeistes ab. Das Problem: Die Konzentration des Alkohols ließ sich mit damaligen Mitteln nicht messen. Verschiedene Thermometer konnten also mit unterschiedlicher Weingeistfüllung völlig andere Temperaturen anzeigen.

Sinnvolle und weniger sinnvolle Skalierungen

Der Schweizer Jacques-Barthélemy Micheli du Crest (1690-1766) verwendete daher für seine Thermometer „Weingeist, der Pulver entzündet“. Dazu goss er Weingeist über etwas Schwarzpulver und entzündete die Alkoholdämpfe. Da die Temperatur der Flamme maßgeblich von der Konzentration des Alkohols abhängig ist, entzündet sich das Schwarzpulver nur dann, wenn der Alkohol stark genug konzentriert ist, um die Zündtemperatur zu erreichen.

Zufriedenstellend war aber auch diese Lösung nicht, denn die Volumenänderung des Weingeistes verläuft nicht linear über das gesamte Temperaturspektrum hinweg. 1714 löste der in Danzig geborene Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit das Problem mit Quecksilber, das sein Volumen zwar nur minimal, dafür aber absolut linear ändert. Dass die giftigen Quecksilberfüllungen mittlerweile für den Hausgebrauch verboten sind, konnte er Anfang des 18. Jahrhunderts nicht vorausahnen. Als Ersatz wird nun eine Legierung aus Gallium, Indium und Zinn (Galinstan) verwendet. Fahrenheit verbesserte das Thermometer aber noch weiter, indem er eine brauchbare Skala einführte.

„Fahrenheit und Celsius verbesserten das Thermometer, indem sie brauchbare Skalen einführten.“

Viele Ideen anderer Forscher hatten sich nicht bewährt oder waren zu ungenau. So verzeichnete das „Kleine Florentiner“-Thermometer etwa die Bluttemperatur von Tieren als höchsten Wert. Aber auch schmelzende Butter, fest werdendes Bienenwachs oder die Wassertemperatur, bei der man sich gerade eben nicht die Hand verbrüht, waren auf Dauer nicht praktikabel. Fahrenheit wählte ab 1727 den Schmelzpunkt des Eises als einen Fixpunkt seiner Thermometerskala (32 Grad). Als tiefsten Wert – 0 Grad – verankerte er die niedrigste Temperatur, die er mit einer Kältemischung herstellen konnte. Sie liegt bei umgerechnet minus 17,5 Grad Celsius. Als oberen Punkt wählte er die Körpertemperatur des Menschen: 96 Grad Fahrenheit. Der Siedepunkt des Wasser rangiert in seiner Skala bei 212 Grad. Diesen oberen Fixpunkt hatte schon der Niederländer Christiaan Huygens 1665 vorgeschlagen.

Carl von Linné hat die Skala umgedreht. Seither liegt der Gefrierpunkt von Wasser bei 0 Grad Celsius.

Auch der französische Naturforscher René-Antoine Ferchault de Réaumur wählte die Eckpunkte Schmelz- und Siedepunkt des Wassers auf seiner Weingeist-Thermometerskala, die trotz der genannten Besonderheiten des Weingeistes vor allem in Frankreich und Deutschland lange Zeit verwendet wurde. Unter anderem bei der Käseherstellung kommt sie teilweise heute noch zum Einsatz. Der Schwede Anders Celsius unterteilte seine Skala mit eben diesen beiden Eckpunkten in einhundert gleiche Teile. Den Gefrierpunkt des Wassers setzte er bei 100 Grad an, dessen Siedepunkt bei 0 Grad. Warum auch nicht? Seinem Freund, dem schwedischen Naturforscher Carl von Linné, ist es zu verdanken, dass diese Skala 1744 umgekehrt wurde und somit der Gefrierpunkt des Wassers bei 0 Grad Celsius liegt und der Siedepunkt des Wassers bei 100 Grad Celsius.

Fotolia 199462894 L
Seit April 2009 ist in der EU Quecksilber in Fieberthermometern verboten. Stattdessen steigt nun Galinstan im Röhrchen. Foto: k_samurkas/Fotolia

Nun ist bei 0 Grad Celsius noch lange nicht Schluss, es geht auch noch kälter, viel kälter sogar. Die nun wirklich bitterkalten minus 273,15 Grad Celsius wählte dann auch William Thomson, der spätere Lord Kelvin, als absoluten Nullpunkt seiner Temperaturskala. „Grad Kelvin“ ist die internationale Basiseinheit (SI-Einheit) für die Thermodynamische Temperatur. Wärmer geht es natürlich auch. Immerhin beträgt die Oberflächentemperatur der Sonne ganze 5500 Grad Celsius und in einem Kernfusionsreaktor können atemberaubende 150 Millionen Grad Celsius herrschen. Selbst das ist aber noch zu toppen. Die sogenannte Planck-Temperatur liegt bei 1,4 mal 10 hoch 32 Grad Celsius. Da dürfte unser gutes, altes Außenthermometer dann wohl doch ein wenig überfordert sein.

Titeloptik: MR/Fotolia
Fotos: Daniel Karmann/dpa, Martin Schutt/dpa, k_samurkas/Fotolia
Text: Christian Satorius

Teilen