Thermometer

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Thermometer in der Sonne | Bild: © VladisChern (Чернов Владислав)/Depositphotos.com

Thermometer: Arten, Anwendung und Hintergrundinfos

Mit einem Thermometer messen Sie die Temperatur. Es gibt verschiedene Arten, die für unterschiedliche Einsätze vorgesehen sind. Je nachdem, ob Sie wissen wollen, wie warm oder kalt es in einem Raum ist, ob Sie Fieber haben oder welche Temperatur im Garten herrscht (etwa um den Wasserbedarf der Pflanzen zu ermitteln), ist ein bestimmter Thermometertyp erforderlich. In jedem Fall handelt es sich um ein äußerst nützliches Messgerät, das Ihren Alltag spürbar erleichtern
kann.

Ein kleines Experiment zum Ausprobieren

Mit den wärme- und kälteempfindlichen Rezeptoren in Ihrer Haut – den sogenannten Wärme- und Kältepunkten – fühlen Sie, ob beispielsweise Wasser oder Luft heiß, warm oder kalt ist.
Allerdings lässt sich das Temperaturempfinden des Menschen sehr leicht täuschen: Wenn Sie nacheinander Gegenstände aus Metall, Glas und Holz berühren, so erscheinen Ihnen diese unterschiedlich warm, auch wenn sie an und für sich genau die gleiche Temperatur haben. Zudem ist
die menschliche Temperaturwahrnehmung bei besonders heißen und extrem kalten Körpern oft weit weg von realen Gegebenheiten.

Probieren Sie selbst aus, wie leicht man sich irrt!

Das brauchen Sie für das kleine Experiment:

– drei Schüsseln
– Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen (kalt, warm, heiß) – Ihre Hände

So geht’s:

  1. Befüllen Sie die drei Schüsseln mit Wasser. Die Temperaturen sollten sich deutlich unterscheiden – sprich einmal kalt, einmal warm und einmal heiß sein.
  2. Tauchen Sie gleichzeitig die eine Hand in das kalte und die andere Hand in das heiße Wasser.
  3. Belassen Sie beide Hände etwa 30 Sekunden in den Schüsseln.
  4. Tauchen Sie dann sofort beide Hände in das warme Wasser.

Merken Sie es? Der Hand, die zuvor im kalten Wasser war, erscheint das Wasser warm, während die Hand, die eben noch im heißen Wasser badete, nun den Eindruck hat, in relativ kühles Nass geraten zu sein.

Kurzum ist das Temperaturempfinden des Menschen subjektiv. Um Temperaturen zuverlässig bestimmen zu können, bedarf es eines Thermometers.

Wie ist ein Thermometer aufgebaut und wie funktioniert es?

Grundsätzlich besteht jedes Thermometer* aus zwei Hauptteilen:

  • einem Temperatursensor, in dem der Messeffekt auftritt, und
  • einer Anzeige oder einer Anschlussstelle für ein elektrisches Signal

Vom Ausdehnen und Zusammenziehen

Der Großteil der Ausführungen basiert auf dem Prinzip der temperaturabhängigen Ausdehnung geeigneter Flüssigkeiten, Gase oder Festkörper. Infrage kommen all jene Materien, deren Ausdehnungskoeffizient bekannt ist.

Hinweis: Der Ausdehnungskoeffizient ist ein Kennwert, der beschreibt, wie sich ein bestimmter Stoff je nach unmittelbarer Umgebungstemperatur verhält und verändert.

Im Thermometer ist also eine spezifische Materie enthalten. Diese reagiert auf die Temperatur, indem sie sich ausdehnt (bei Wärme) oder zusammenzieht (bei Kälte). Auf diese Weise gibt der jeweilige Stoff den Ausschlag für die Temperaturanzeige auf der Messskala.

Damit sich die Materie überhaupt bewegt, müssen Sie den Temperatursensor des Thermometers direkt
mit dem Messgegenstand in Berührung bringen. Dann nimmt der Sensor die Temperatur des Gegenstandes an und bringt so die Materie im Gerät in Bewegung.

Elektrische Einflüsse

Manche Thermometer bedienen sich nicht des mechanischen Messeffektes, sondern nutzen temperaturabhängige elektrische Einflüsse. Beispielsweise wirkt sich die Temperatur auf den elektrischen Widerstand aus.

Berührungslos messende Thermometer

Des Weiteren existieren sogenannte Pyrometer, die auch als Strahlungsthermometer bezeichnet werden. Diese Varianten messen die Temperatur, ohne den jeweiligen Messgegenstand zu berühren. Sie ermitteln den Wert anhand der ausgesendeten elektromagnetischen Temperaturstrahlung des fraglichen Objekts.

Hinweis: Pyrometer werden fast ausschließlich im industriellen Bereich verwendet, beispielsweise an Lüftungsschächten oder an diversen Anlagen, die unter Spannung stehen. Aus diesem Grund spielen sie im vorliegenden Artikel keine größere Rolle. Im Übrigen gehören auch Infrarotthermometer zur Gruppe der Pyrometer.

Welche Arten von Thermometern gibt es?

Thermometer* lassen sich in jeweils zwei Typen, Anzeigen/Funktionsweisen und – Einsatzvarianten unterteilen.

Innenthermometer

Innenthermometer dienen dazu, die Temperatur in Innenräumen oder in einem klar begrenzten Bereich (etwa das Wasser im Wasserkocher mit einem Küchenthermometer oder die Körpertemperatur mit einem Fieberthermometer) zu messen und anzuzeigen. Hauptsächlich wird dieser Thermometertyp für folgende Einsatzgebiete verwendet:

  • Temperatur in Wohnräumen bestimmen (Zimmerthermometer)
  • Temperatur in gewerblich genutzten Räumlichkeiten bestimmen (Saunathermometer, Industriethermometer et cetera)
  • Temperatur von Körpern und anderen Objekten bestimmen (Fieberthermometer, Wasserthermometer und so weiter)

Üblicher Messbereich bei Innenthermometern: 0 bis 50 Grad Celsius

Letzte Aktualisierung am 21.10.2020 / Affiliate Links / Bilder von der Amazon Product Advertising API

Außenthermometer

Außenthermometer sind für Temperaturbestimmungen im Freien konzipiert. Das heißt, dass sie wetterfest und temperaturbeständig sein müssen, um trotz der vielfältigen Einflüsse im Outdoorbereich zuverlässige Messergebnisse zu liefern.

Zwar kommen Außenthermometer im Vergleich zu Innenthermometern wesentlich seltener zum Einsatz, doch ihre Wichtigkeit für den Alltag steht außer Zweifel.

Für die Wettervorhersage greifen Meteorologen auf hochpräzise Außenthermometer zurück, ohne die konkrete Einschätzungen der Wetterentwicklung unmöglich wären.

Die moderne Landwirtschaft ist ebenfalls auf genaue Bestimmungen der herrschenden Temperatur auf den Feldern angewiesen – unter anderem für gute Ernteerträge.

Auch im eigenen Garten kann ein Außenthermometer hilfreich sein, um stichhaltig zu ermitteln, wann der richtige Moment für die Aussaat ist oder ob die Pflanzen gerade Wasser brauchen (beziehungsweise wie viel sie benötigen).

Die „Gattungen“ von Außenthermometern im Überblick:

  • einfache Außenthermometer für den privaten Gebrauch (etwa im Garten)
  • komplexe Außenthermometer für den gewerblichen Gebrauch (beispielsweise in der Landwirtschaft)
  • Wetterstationen mit umfassendem Messspektrum

Üblicher Messbereich bei Außenthermometern: -40 bis +60 Grad Celsius

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Innen- und Außenthermometer können entweder mit analoger oder digitaler Anzeige versehen sein sowie mechanisch oder elektronisch funktionieren.

Analoges/mechanisches Thermometer

Ein analoges beziehungsweise mechanisches Thermometer präsentiert sich meist als luftdichtes Röhrchen, in das eine spezifische Flüssigkeit gefüllt ist. Früher kam standardmäßig
Quecksilber zum Einsatz, heutzutage bauen Hersteller gemeinhin auf gefärbten Alkohol oder Galinstan (Legierung aus Gallium, Indium und Zinn). Die Stoffe gefrieren nicht und breiten sich bei Wärme aus, weshalb sie sich gut eignen.

Regeln: Je wärmer der zu messende Raum, Körper oder Gegenstand ist, desto stärker dehnt sich die Flüssigkeit aus und steigt im Röhrchen nach oben. Bei kühler Temperatur zieht sie sich zusammen und sinkt ab. Am Flüssigkeitsstand im Röhrchen und an der beschrifteten Leiste (Messskala) können Sie den Wert der Temperatur ablesen.

Vor- und Nachteile analog-mechanischer Thermometer

Einer der größten Vorteile analog-mechanischer Thermometer ist der Fakt, dass es für diese
Messgeräte keine externe Energiequelle braucht, damit sie funktionieren (weder Strom noch Batterie erforderlich). Bei einem angemessenen, vorsichtigen Umgang kann das Thermometer ein Leben lang oder gar über Generationen hinweg uneingeschränkt verwendet werden. Ein wenig Glück gehört dazu, da
der Glasbehälter leicht zerbricht.

Der bedeutendste Nachteil eines analog-mechanischen Thermometers ist die häufig reduzierte

Messgenauigkeit im Vergleich zu den digital-elektrischen Ausführungen. Abweichungen von bis zu drei Grad Celsius zur tatsächlichen Temperatur sind keine Seltenheit, insbesondere bei älteren
Modellen.

Apropos ältere Modelle: Bei Ausführungen mit Quecksilber ist allerhöchste Vorsicht geboten. Wird das Thermometer beschädigt (etwa wenn es aus der Hand rutscht und zerbricht), sodass die giftige Flüssigkeit austritt, besteht Gesundheitsgefahr.

Hinweis: Es gibt auch elektronische Thermometer mit analoger Anzeige. Da jedoch die Kombinationen aus analog und mechanisch sowie digital und elektrisch vorherrschen, werden sie in diesem Beitrag gekoppelt behandelt. Letztlich definieren die Begriffe „analog“ und „digital“ aber lediglich die Art der Anzeige. Lassen Sie sich nicht irritieren.

Die Vor- und Nachteile analog-mechanischer Thermometer im Überblick:

+ traditionelle Bauart


+ keine Energiequelle erforderlich


+ keine Folgekosten


+ theoretisch jahrzehntelanger Einsatz möglich

– oft eingeschränkte Messgenauigkeit (Abweichungen von bis zu 3° C)

– Wert muss selbst genau abgelesen werden


– bei Beschädigung teilweise gesundheitsgefährdend (Quecksilber)

Digitales/elektronisches Thermometer

Bei den elektronischen Thermometern wird die Temperatur über die Ermittlung des elektrischen Widerstandes durch moderne Sensoren gemessen.

Präziser formuliert nutzen elektronische Thermometer das physikalische Gesetz aus, wonach der elektrische Widerstand spezieller Halbleitermaterialien (Heißleiter und Kaltleiter) stark temperaturabhängig ist.

Wird das Thermometer beispielsweise mit einem Heißleiter verwendet, so gilt: Der elektrische Widerstand des Heißleiters verringert sich mit zunehmender Temperatur.

In der Regel erfolgt die Anzeige bei diesen Ausführungen digital. Selten begegnen Sie analogen Ausführungen mit elektronischer Funktionsweise.

Spezialform Bimetallthermometer

Eine Spezialform des elektrisch funktionierenden Thermometers ist das sogenannte Bimetallthermometer. Dabei sind zwei Metallstreifen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten fest miteinander verbunden.

Je nach Temperatur des zu messenden Gegenstandes dehnen sich die beiden Metalle unterschiedlich stark aus. Damit bewirken sie eine Krümmung des Bimetalls (also der verbundenen Metallstreifen).

Aus der Stärke der Krümmung beziehungsweise des resultierenden Winkels können Sie dann über die Skala die Temperatur ablesen.

Vor- und Nachteile digital-elektronischer Thermometer

Im Vergleich zu mechanischen Thermometern messen die elektronischen Geräte oft genauer. Abweichungen von ein bis zwei Grad Celsius sind üblich.

Praktisch: Häufig bringt ein elektronisches Thermometer noch ein Hygrometer mit. Letzteres dient dazu, die Luftfeuchtigkeit zu messen.

Die Vor- und Nachteile digital-elektronischer Thermometer im Überblick:

+ hohe Messgenauigkeit (meist Abweichungen von maximal 2° C)

+ Wert wird automatisch auf dem Display angezeigt

+ häufig mit Hygrometer zur Messung der Luftfeuchte kombiniert

– teilweise Batteriewechsel nötig (Folgekosten)


– eingeschränkte Messgenauigkeit bei niedrigem Energiestand


Die letzte Unterscheidung betrifft den Wärmekontakt zum Messobjekt.

Berührungsthermometer

Die meisten Thermometer sind sogenannte Berührungsthermometer. Diese Geräte erfordern den direkten Kontakt zu dem Gegenstand, der gemessen werden soll. Ist der Wärmekontakt zum Messobjekt unzureichend oder die Wämeableitung durch das Thermometer zu groß, kommt es zu Messabweichungen.

Berührungslos messende Thermometer (Pyrometer)

Berührungslos messende Thermometer* messen die Temperatur ohne Wärmekontakt. Objekte senden aufgrund ihrer eigenen Temperatur eine elektromagnetische Temperaturstrahlung aus. Über die Messung dieser Strahlung finden die Thermometer heraus, wie warm oder kalt der Gegenstand ist.

Die Temperaturstrahlung von Objekten liegt bei unter 500 Grad Celsius im Bereich der Infrarotstrahlung. Demnach sind zum berührungslosen Messen der Temperatur in der Regel Infrarotsensoren erforderlich – schließlich gilt es so gut wie nie Gegenstände zu messen, deren Temperatur die 500-Grad-Celsius-Marke übersteigt.

Welche Zwecke kann ein Thermometer erfüllen?

Einige Einsatzgebiete, in denen ein Thermometer* Ihnen wertvolle Dienste zu erweisen vermag, haben Sie im Verlauf des Beitrags schon kennengelernt.

Diese und weitere Zwecke, die ein Gerät zur Messung der Temperatur erfüllen kann, im Überblick:

Mithilfe eines Thermometers im Wohnraum ist es besser möglich, Energiekosten zu sparen. Sobald die ideale (empfohlene) Raumtemperatur von 16 bis 23 Grad Celsius erreicht ist, können Sie Ihre Heizung(en) entsprechend regulieren.

Optimale Temperatur und Luftfeuchtigkeit je nach Raum:

Haben Sie eine Sauna oder Badewanne, können Sie die gewünschte Temperatur im „Schwitzkasten“ oder des Badewassers mit einem dafür vorgesehenen Thermometer ziemlich genau umsetzen und in der Folge höchsten Komfort genießen.

Sind Sie regelmäßig im Garten aktiv und möchten sicherstellen, die Saatgut immer zum richtigen Zeitpunkt auszubringen, den Wasserbedarf der Pflanzen anhand der jeweils herrschenden Außentemperatur präzise anzupassen und allgemeine Gartenarbeiten im passenden Moment durchzuführen, ist ein Außenthermometer ein guter Helfer.

Trinken Sie häufig Tees oder sonstige Heißgetränke, die eine andere Temperatur als die üblichen 100 Grad Celsius erfordern, treffen Sie mit einem Küchenthermometer zur Messung der Wassertemperatur eine gute Wahl. Auch beim Kochen kann ein solches Utensil sehr nützlich sein.

Ein Fieberthermometer darf in keinem Haushalt fehlen. Wenn es darum geht, eine potenziell gefährliche Grippe von einer einfachen Erkältung zu unterscheiden, ist es elementar. Überhaupt fungiert dieses Gerät oft als unverzichtbares Hilfsmittel, um gesundheitliche Probleme besser einschätzen zu können („Soll ich zum Arzt?“).

Letzte Aktualisierung am 21.10.2020 / Affiliate Links / Bilder von der Amazon Product Advertising API

Hintergrundwissen

Zum Abschluss dieses Artikels erhalten Sie ein paar interessante Informationen zur Geschichte des Thermometers*. Ein einzelner Erfinder lässt sich nicht nennen; vielmehr führten zahlreiche wissenschaftliche Erkenntnisse zum Temperaturbegriff, wie wir ihn heute kennen, sowie zur Einführung von Temperaturskalen und deren technischer Umsetzung in Form von Thermometern.

Meilensteine in der Geschichte des Thermometers:

2. Jahrhundert: Galen, der bekannte griechische Arzt, führt acht „Grade der Hitze und Kälte“ ein – vier über und vier unter einem neutralen Punkt. Letzterer sollte einer gleichmäßigen Mischung aus Eis- und kochendem Wasser entsprechen.

Antike: Heron von Alexandria, Philon von Byzanz und Andere verwenden die durch Temperaturveränderungen bedingte thermische Ausdehnung von Luft dazu, diverse Mechanismen in Bewegung zu setzen.

Anfang des 17. Jahrhunderts: Über das gerade beschriebene Prinzip entwickeln Fachkundige (Galileo Galilei gilt diesbezüglich als wichtigste Persönlichkeit) das Thermoskop, einen Vorläufer des Thermometers. Dieses Utensil zur Bestimmung der Temperatur besteht aus einer Glaskugel und einem angesetzten Glasrohr. Die untere Öffnung des langen, dünnen Röhrchens wird ins Wasser getaucht.

Je nach Temperatur ändert sich das Volumen der im Glas eingeschlossenen Luft, was in der Folge die Wassersäule steigen beziehungsweise fallen lässt. Mit einem Zirkel wird die Länge der
Wassersäule abgegriffen, da es anfänglich noch keine Skala gibt.

Ab 1612: Giovanni Francesco Sagredo baut Thermoskope in verschiedenen Formen. Santorio Santorio, ein italienischer Arzt aus Padua, setzt Thermoskope bei seinen medizinischen Untersuchungen ein. Um die Instrumente zur Temperaturmessung zu eichen, nutzt er Schnee und eine Kerzenflamme als Referenzpunkte.

1643/44: Evangelista Torricelli stellt klar, dass die bis dato verwendeten Thermoskope extrem luftdruckabhängig sind und Barometern gleichen, weshalb die Genauigkeit der Messergebnisse unzureichend ist.

1654: Ferdinando II. de‘ Medici, toskanischer Großherzog, lässt das erste „echte“ Thermometer fertigen. Dieses nutzt zur Messung der Temperatur die Ausdehnung alkoholischer Flüssigkeit in einem geschlossenen Glasröhrchen.

Ab 1714: Daniel Gabriel Fahrenheit ersetzt Alkohol durch Quecksilber – er gilt als der Erfinder des Quecksilberthermometers. 1724 schlägt er die nach ihm benannte Temperaturskala vor.

1742: Anders Celsius legt seine Temperaturskala fest, die in abgewandelter Form die meistgenutzte Skala im deutschsprachigen Raum ist.

1859: Gustav Robert Kirchhoff formuliert das Strahlungsgesetz. Damit sorgt er für die entscheidende Basis der Thermometer, die anhand der Temperaturstrahlung der analysierten Objekte die Temperatur messen.