Die Temperaturmessung ist ein wiederkehrender Vorgang in Wissenschaft und Technik. Von der Laborforschung bis hin zu industriellen Prozessen ermöglicht uns der Einsatz thermometrischer Waagen die Interpretation und Kontrolle thermischer Phänomene.
Doch was genau sind thermometrische Waagen und welche Rolle spielen sie bei der Temperaturmessung? In diesem Artikel werden die Grundlagen, Klassifizierungen und Anwendungen dieser Skalen mit einem didaktischen und leicht zugänglichen Ansatz untersucht.
Was ist eine thermometrische Skala?
Eine thermometrische Skala ist ein Referenzsystem, das eine messbare physikalische Eigenschaft mit Temperaturwerten in Beziehung setzt.
Diese Skalen basieren auf physikalischen Phänomenen, die sich vorhersehbar mit Temperaturänderungen ändern, beispielsweise der Ausdehnung von Flüssigkeiten, der Änderung des elektrischen Widerstands oder dem Druck eines Gases bei konstantem Volumen.
Es ist wichtig, thermometrische Skalen von Temperaturskalen zu unterscheiden. Temperaturskalen wie Celsius, Fahrenheit und Kelvin sind standardisierte Systeme zur quantitativen Angabe der Temperatur.
Thermometrische Skalen hingegen sind mit den Methoden und Instrumenten zur Messung der Temperatur verbunden.
Grundlagen thermometrischer Skalen
Thermometrische Skalen sind grundlegende Instrumente zur Temperaturmessung, die auf der Beziehung zwischen den physikalischen Eigenschaften von Materialien und Temperaturänderungen basieren.
Um zu verstehen, wie sie funktionieren, ist es notwendig, die ihnen zugrunde liegenden Prinzipien zu kennen, wie zum Beispiel thermometrische Eigenschaften, Kalibrierung und Reproduzierbarkeit.
Thermometrische Eigenschaften
Eine thermometrische Eigenschaft ist eine physikalische Größe, die vorhersehbar mit der Temperatur variiert. Dadurch kann es als Grundlage für die Messung dieses Parameters verwendet werden.
Gängige Beispiele für thermometrische Eigenschaften sind die Ausdehnung von Flüssigkeiten wie Quecksilber oder Alkohol, die mit der Wärme zunimmt, und die Druckänderung eines Gases bei konstantem Volumen.
Weitere Beispiele sind Änderungen des elektrischen Widerstands leitfähiger Materialien und die Wärmestrahlung heißer Körper, die in Geräten wie Pyrometern verwendet werden.
Kalibrierung
Die Kalibrierung einer thermometrischen Skala erfolgt durch die Definition spezifischer Referenzpunkte, beispielsweise des Gefrier- und Siedepunkts von Wasser oder des Tripelpunkts von Wasser, der 273,16 K auf der Kelvin-Skala entspricht .
Durch diese Punkte lassen sich den gemessenen Temperaturen genaue und einheitliche Werte zuordnen.
Linearität und Reproduzierbarkeit
Darüber hinaus zeichnen sich ideale thermometrische Waagen durch ihre Linearität und Reproduzierbarkeit aus . Dies bedeutet, dass die Beziehung zwischen der gemessenen Eigenschaft und der Temperatur proportional und konsistent ist und gewährleistet, dass die Ergebnisse unabhängig vom verwendeten Instrument zuverlässig und vergleichbar sind.
Klassifizierung thermometrischer Skalen
Thermometrische Skalen werden nach der physikalischen Eigenschaft klassifiziert, die zur Messung der Temperatur verwendet wird.
Die häufigsten und ihre Hauptmerkmale werden im Folgenden beschrieben:
1. Basierend auf der Dilatation
Quecksilber- und Alkoholthermometer sind die repräsentativsten Beispiele dieser Kategorie. Diese Geräte messen die Temperatur, indem sie die Ausdehnung einer in einem Kapillarrohr enthaltenen Flüssigkeit ausnutzen.
Aufgrund ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit werden sie häufig in alltäglichen Anwendungen eingesetzt.
Quecksilberthermometer sind kostengünstig, einfach zu bedienen und erfordern wenig Wartung. Allerdings ist ihr Messbereich durch den Gefrier- und Siedepunkt der verwendeten Flüssigkeit eingeschränkt, sodass sie für extreme Temperaturen ungeeignet sind.
2. Basierend auf dem Druck eines Gases
Gasthermometer mit konstantem Volumen messen den Druck eines Gases, der sich linear mit der Temperatur ändert, solange das Volumen konstant bleibt.
Generell bieten sie eine hohe Präzision und einen sehr großen Messbereich.
Sie kommen häufig in der wissenschaftlichen Forschung und bei der Kalibrierung anderer Messgeräte vor.
3. Basierend auf elektrischen Eigenschaften
In dieser Kategorie finden wir Widerstandsthermometer (RTD) und Thermoelemente. RTDs nutzen die Variation des elektrischen Widerstands in Materialien wie Platin, dessen Widerstand vorhersehbar mit der Temperatur ansteigt. Thermoelemente wiederum erzeugen eine Spannung proportional zur Temperaturdifferenz zwischen zwei verbundenen Metallen.
Ihre Vorteile bestehen darin, dass sie robust sind, über einen großen Temperaturbereich verfügen und Fernmessungen ermöglichen.
Sie werden in der industriellen Steuerung, Prozessüberwachung und wissenschaftlichen Experimenten eingesetzt.
4. Basierend auf Wärmestrahlung
Pyrometer und Infrarot-Thermometer messen die Wärmestrahlung heißer Körper und bestimmen so deren Temperatur.
Diese Arten von thermothermischen Waagen erfordern keinen physischen Kontakt mit dem Messobjekt und sind ideal für extrem hohe Temperaturen oder sich bewegende Objekte.
Sie werden unter anderem in der metallurgischen Industrie, in der Qualitätskontrolle und in Sicherheitssystemen eingesetzt.
5. Basierend auf Phasenübergängen
Diese Skalen basieren auf den Temperaturen von Phasenübergängen wie Schmelzen oder Erstarren, die sehr genaue Referenzpunkte sind. Ein bemerkenswertes Beispiel ist der Tripelpunkt von Wasser (273,16 K), der zur Kalibrierung der Kelvin-Skala verwendet wird.
Diese thermoelektrischen Waagen bieten eine extrem hohe Präzision.
Zusammenhang zwischen thermometrischen Skalen und Temperaturskalen
Thermometrische Skalen ermöglichen eine genaue Messung der Temperatur, die Ergebnisse müssen jedoch auf einer standardisierten Temperaturskala ausgedrückt werden.
Beispiel: Ein in Celsius kalibriertes Quecksilberthermometer liefert Werte wie 0 °C (Gefrierpunkt von Wasser) oder 100 °C (Siedepunkt von Wasser). Andererseits könnte ein Widerstandsthermometer in Kelvin kalibriert sein und beispielsweise 273,15 K für den Gefrierpunkt von Wasser anzeigen.