Werbung

 

 

Infos:

Hochgeladen am 24.08.2004 von Stefan

Bücher zum Thema bei Amazon.de

Links zum Thema

Wurde hier abgeschrieben? Schnell per E-Mail melden!

Download im Originallayout + Bildmaterial PDF Icon

Temperatur: Messung und Maßeinheiten

Thermometer

Was ist ein Thermometer?

Ein Thermometer ist ein Gerät zur Messung der Temperatur. Das üblichste Thermometer ist das Quecksilberthermometer, das aus einer Glaskapillare mit gleich bleibendem Durchmesser besteht, welche an einem Ende in eine mit Quecksilber gefüllte Kugel mündet. Das Ganze ist luftdicht verschlossen, um im Inneren der Kapillare ein Teilvakuum zu gewährleisten. Wird die Temperatur erhöht, dehnt sich das Quecksilber aus und steigt in der Kapillare hoch. Die Temperatur kann dann an der angrenzenden Skala abgelesen werden. Zur Messung von gewöhnlichen Temperaturen ist Quecksilber weit verbreitet, es können jedoch auch andere Flüssigkeiten wie z. B. Alkohol eingesetzt werden.

Die Erfindung des Thermometers wird Galileo zugeschrieben, obwohl das luftdicht verschlossene Thermometer erst um 1650 aufkam. Das moderne Alkohol- wie auch das Quecksilberthermometer wurden von dem deutschen Physiker Gabriel Fahrenheit erfunden, der auch die erste weithin anerkannte und nach ihm benannte Temperaturskala aufstellte. Bei dieser wurde der Gefrierpunkt des Wassers bei normalem Luftdruck auf 32° F und der Siedepunkt auf 212° F festgelegt. Seither wurden unterschiedliche Temperaturskalen vorgeschlagen, wie z. B. die Celsiusskala, die von dem schwedischen Astronomen Anders Celsius entwickelt wurde. Nach der Celsiusskala liegt der Gefrierpunkt bei 0 °C und der Siedepunkt bei 100 °C. Heutzutage wird die Celsiusskala in den meisten Ländern der Welt angewendet, während man die Fahrenheitskala überwiegend in den angelsächsischen Ländern benutzt.

Arten von Thermometern

Es gibt eine Vielzahl an Geräten, die als Thermometer eingesetzt werden. Der Hauptanspruch, der an ein Thermometer gestellt wird, ist die leichte Ablesbarkeit, wie z. B. die Länge der Quecksilbersäule, die sich abhängig von den Temperaturschwankungen deutlich verändern sollte. Auch sollten die Änderungen der Säulenlänge entsprechend den Temperaturveränderungen völlig geradlinig verlaufen, d. h., eine Temperaturveränderung um eine Einheit sollte auch einer Veränderung der Säulenlänge um eine Einheit der Skala entsprechen.

Der elektrische Widerstand eines Leiters oder Halbleiters vergrößert sich mit dem Ansteigen der Temperatur. Dieses Phänomen liegt den Widerstandsthermometern zugrunde, bei denen an dem Heißleiter (auch Thermistor) bzw. an dem Messfühler eine konstante Spannung oder ein elektrisches Potential angelegt wird. Eine beliebige Temperatur erzeugt im Thermistor einen entsprechenden elektrischen Widerstand. Dieser Widerstand lässt sich mit Hilfe eines Galvanometers bestimmen (siehe elektrische Messgeräte).

Zur Messung von Temperaturen zwischen -46 °C und 150 °C werden unterschiedliche Thermistoren aus Nickel-, Mangan- oder Cobaltoxiden verwendet. Ähnlich werden bei höheren Temperaturen Thermistoren aus anderen Metallen oder Legierungen eingesetzt. Platin kann z. B. bis zu 930 °C verwendet werden. Mittels entsprechender Schalttechnik lassen sich die gemessenen Stromwerte umwandeln und können auf einer Digitalanzeige als Temperaturwerte abgelesen werden.

Sehr genaue Temperaturmessungen können mit Thermoelementen vorgenommen werden. In Thermoelementen entsteht ein äußerst kleiner Spannungsunterschied (gemessen in Millivolt), wenn zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen zu einem Leiterkreis zusammengeschlossen werden, wobei die beiden Verbindungsstellen verschiedene Temperaturen haben. Um das Spannungssignal zu erhöhen, werden mehrere Thermoelemente in Serie geschaltet und bilden somit eine so genannte Thermosäule. Da die Spannung vom Temperaturunterschied der Verbindungsstellen abhängig ist, muss ein Temperaturwert bekannt sein, andernfalls müsste in dem Gerät eine elektronische Kompensationsschaltung eingebaut werden, um die tatsächliche Temperatur des Messfühlers zu bestimmen.

Thermistoren und Thermoelemente besitzen oft Messfühler, die weniger als drei Zentimeter lang sind. Dadurch können sie auf Temperaturveränderungen schneller reagieren und eignen sich auch vorzüglich für viele Anwendungen in der Biologie und Technik. Das optische Pyrometer wird bei festen Gegenständen zur berührungsfreien Messung von Temperaturen über 700 °C eingesetzt. Bei derart hohen Temperaturen strahlen feste Gegenstände genügend Energie aus. Das Messprinzip des Pyrometers beruht auf dem Vergleich der Helligkeit der Messfläche mit einer Vergleichsfläche. Das Farbspektrum glühender Gegenstände erstreckt sich von mildem Rot bis Gelb und bei Temperaturen um 1 300 °C bis hin zu einem fast reinen Weiß. Das Gesamtstrahlungspyrometer misst die vom Strahler emittierte Strahlung des gesamten Strahlungsspektrums. Beim Teilstrahlungspyrometer verwendet man zur Messung einen engbegrenzten Spektralbereich. Es enthält, ähnlich wie die Glühbirne, einen Glühfaden. Dieser wird von einem Regelwiderstand (Lichtregler) gesteuert, der so eingestellt ist, dass die Farben des Glühfadens den bestimmten Temperaturen entsprechen. Die Temperatur eines glühenden Gegenstands kann gemessen werden, indem der Gegenstand durch das Pyrometer betrachtet und der Regelwiderstand so eingestellt wird, dass sich die Farbe des Glühfadens mit jener des Gegenstands deckt. An diesem Punkt haben der Glühfaden und der Gegenstand die gleiche Temperatur, die dann an der Einstellung des Regelwiderstands abgelesen werden kann.

Ein weiteres Gerät zur Temperaturmessung ist das Thermoelement. Es wird u. a. in Thermostaten verwendet und besteht im Kern aus zwei oder mehreren Metallstreifen bzw. -blättchen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, die an einem Ende miteinander verbunden sind.

Sonderthermometer

Thermometer können auch so gebaut sein, dass sie die erreichten Höchst- oder Niedrigsttemperaturen anzeigen. Ein Quecksilber-Fieberthermometer z. B. ist ein so genannter Maximumthermometer, bei dem sich zwischen dem unteren Ende der Kapillare und der Thermometerkugel eine Einschnürung befindet, durch die das Quecksilber bei ansteigender Temperatur zwar hochsteigen, jedoch erst zurückfließen kann, wenn das Thermometer kräftig geschüttelt wird.

Elektronische Thermometer besitzen einen Messfühler aus Metall. Dieser sendet Signale an einen kleinen Computer, der die Daten auswertet und anzeigt. Da diese Verbindung fast beliebig lang gemacht werden kann, eignen sich solche Thermometer vor allem zur Fernmessung, z.B. beim Kühlwasser im Auto.

Messgenauigkeit

Genaue Temperaturmessungen sind davon abhängig, dass sich zwischen dem Messgerät und seiner Umgebung ein thermisches Gleichgewicht einstellt. In einem Gleichgewichtszustand wird zwischen dem Thermometer und dem von ihm berührten Körper bzw. den angrenzenden Stoffen keine Wärme ausgetauscht. Um eine genaue Messung zu erzielen, muss daher z. B. ein Fieberthermometer eine bestimmte Zeit lang (über eine Minute) gehalten werden, bis sich ein annäherndes Gleichgewicht mit der Körpertemperatur einstellt.

Maßeinheiten zur Temperaturmessung

Definition und Geschichte

Es gibt verschiedene Maßeinheiten zur Messung der Temperatur.
Eine der Ältesten stammt von dem deutschen Physiker Gabriel Daniel Fahrenheit. Damals wurde ein Thermometer noch mit Weingeist gefüllt. Er verbesserte ihn, indem er statt dem Alkohol Quecksilber einfüllte. Die Maßeinheit Fahrenheit wird heute noch in den USA im Alltag angewandt. Bei ihr ist der Gefrierpunkt von Wasser bei 32° Fahrenheit und der Siedepunkt bei 212° Fahrenheit festgelegt.

In Deutschland wird dagegen die Celsius- Skala benutzt. Sie wurde von dem schwedischen Astronomen Anders Celsius aufgestellt. Der Schmelzpunkt des Eises liegt bei 0°, die Siedetemperatur von Wasser bei 100°. Da dieser Temperaturbereich in 100 gleich große Teile eingeteilt ist, können auch höhere (über 100°) und tiefere (unter 0°) Temperaturen in dieser Einheit angegeben werden.

Für wissenschaftliche Zwecke verwendet man heute oft die Kelvin- Skala des englischen Physikers William Thompson Lord Kelvin. Sie geht vom absoluten Temperaturnullpunkt (0 Kelvin) aus. Dieser entspricht in Celsius einer Temperatur von -273,15°. Bei dieser Temperatur haben die Moleküle keine Bewegungsenergie mehr.

Der Franzose Reaumur (1683 - 1757) nahm als Termometerflüssigkeit Weingeist. Er fand heraus, dass sich 1000 Teile Weingeist am Gefrierpunkt des Wassers auf 1080 Teile bei der Siedetemperatur ausdehnen. Deshalb unterteilte er seine Skala vom Gefrierpunkt bis zum Siedepunkt des Wassers in 80 Teile. Diese Skala wird heutzutage allerdings nicht mehr verwendet.

Umrechnungsfaktoren

>Die Umrechnungsfaktoren zwischen den drei Maßeinheiten Celsius, Fahrenheit und Kelvin sind teilweise recht kompliziert.

Um von Celsius in Fahrenheit umzuwandeln, benutzt man den Term x * 1,8 + 32. Das x steht steht jeweils für die Anfangstemperatur. Um nach Kelvin umzurechnen, nimmt man x + 273,15.

Bei Fahrenheit in Celsius lautet der Term (x - 32) / 1,8. Im Kelvin umzurechnen ist dagegen schwieriger. Am besten rechnet man von Fahrenheit in Celsius und dann in Kelvin um, ((x - 32) / 1,8) + 273,15.

Um vom Kelvin in Celsius umzurechnen zieht man einfach von der Kelvintemperatur 273,15 ab, also x - 273,15. Bei Kelvin in Fahrenheit dagegen stellt sich wieder das gleiche Problem wie bei der Fahrenheitumrechnung. Auch hier ist es am besten, zuerst in Celsius und diesen Wert dann in Fahrenheit umzurechnen, ((x - 273,15) *1,8) + 32.

Welche Auswirkungen haben Temperaturen auf Stoffe?

Die folgenden 5 Versuche zeigen deutlich, wie sich Temperatursteigungen und Senkungen auf verschiedene Stoffe auswirken.

Versuch 1

V: Wasser wird in einem Becherglas auf einer Gasflamme erhitzt.

Beob: Beim Erhitzen entstehen Bläschen, die an der Wasseroberfläche zerplatzen. Die Temperatur steigt, das Wasser wird weniger. Hat es 100° erreicht, steigt die Temperatur nicht weiter an.

Erkl: Wenn 100 Grad erreicht sind, steigt die Temperatur des Wassers nicht weiter an, da die Energie nun beim Übergang flüssig - gasförmig verbraucht wird. Wird einer Flüssigkeit Wärme zugeführt, verstärkt sich die thermische Bewegung der Mikroteilchen, die Flüssigkeit wird heißer. An der Oberfläche gelingt es sehr schnellen Teilchen den Anziehungskräften in ihrer Umgebung zu entkommen. Es bildet sich Wasserdampf über dem Wasser. Schließlich zappeln die Teilchen so heftig, dass sie auch innerhalb des Wassers andere wegstoßen, um sich mehr Platz zu schaffen. Im Wasser entstehen Blasen, es siedet.

Versuch 2

V: Ein Reagenzglas wird mit Wasser gefüllt und in eine Kältemischung gestellt.

Beob: Die Temperatur im Reagenzglas sinkt zunächst bis auf 0° C. Dann tut sich längere Zeit nichts mehr. Erst wenn das Wasser im Reagenzglas gefroren ist, sinkt die Temperatur unter 0°C.

Erkl: Durch die Kältemischung wird dem Wasser Wärme entzogen. So nimmt die Energie der Mikroteilchen ab, d.h. sie bewegen sich langsamer. Schließlich werden sie so langsam, dass die Bindungskräfte wieder wirksam werden und die Teilchen sich gegenseitig auf bestimmten Plätzen festhalten. Das Wasser gefriert.

Versuch 3

V: Wasser wird zusammen mit zerstoßenem Eis in ein Becherglas gefüllt und erhitzt.

Beob: Das Eis schmilzt. Er wenn es ganz weg ist, steigt die Temperatur über 0°C an.

Erkl: Im Eis schwingen die Teilchen um ihre Ruhelage. Wird Wärme zugeführt, werden diese Schwingbewegungen heftiger. Weil die zugeführte Wärme die Bewegung der Teilchen verstärkt, steigt auch die Temperatur des Körpers. Bei 0°C wird das Schwingen so stark, dass die Teilchen einander nicht an Ort und Stelle halten können. Das Eis schmilzt. Jetzt wird die zugeführte Wärme zum "Knacken" der Bindungen zwischen benachbarten Mikroteilchen eingesetzt. Daher ist die Temperatur konstant. Wenn alle Bindungen gelöst sind, ist aus dem Eis Wasser geworden.

Versuch 4

V: Wasser wird in einem mit einer Glasscheibe verschlossenen Behälter erhitzt.

Beob: Durch die Erhitzung steigt Dampf auf, das Wasser siedet. Auf der Glasscheibe bilden sich Tropfen.

Erkl: Mikroteilchen aus dem Gas (Dampf) treffen auf die Oberfläche von Tröpfchen. Dabei werden sie von den Anziehungskräften an den Oberflächen beschleunigt, gewinnen also Energie. Diese wird an die Mikroteilchen der kühleren Tröpfchen abgegeben und erhöht deren thermische Energie. Das Teilchen aus dem Gas hat seinen Energieüberschuss verloren, es bleibt in der Flüssigkeit.

Versuch 5

V: Ein Bimetallstreifen wird einsichtig in eine Halterung eingespannt und mit einer Kerzenflamme erwärmt.

Beob: Der Bimetallstreifen biegt sich durch die Erwärmung mit der Flamme nach oben und bei Abkühlung mit Wasser wieder nach unten.

Erkl: Der Bimetallstreifen besteht aus Nickel- und Kupferblechstreifen. Verschiedene Metalle dehnen sich bei gleichen Temperaturen unterschiedlich aus. Kupfer dehnt sich stärker aus als Nickel; da die zwei Metalle miteinander verbunden sind, krümmt sich der Streifen zum Nickel hin. Bei Abkühlung geht die Biegung wieder zurück, der Streifen biegt sich zum Kupfer hin.

Hauptmenü

Home

Impressum

Evolution

Suche

Links

Link uns!

KosRef-Blog

Referate

Übersicht

Mathematik

Biologie

Chemie

Deutsch

Englisch

Erdkunde

Französisch

Geschichte

Informatik

Physik

Religion

Sozialkunde

Technik

Wirtschaftskunde / BWL

Kunst

Tipps zum Erstellen eines Referates

Upload

Sonstiges

Studienliteratur

Partnerseiten

abi-pur.de Die große Hausaufgaben-Seite

www.e-hausaufgaben.de

www.biologie-lk.de

Lernen mit Spass

Deutschlands Schulportal

Erörterung
Interpretation

Werbung