De geschiedenis van de thermometrie – Van de beginselen tot precisie

Inleiding – Geschiedenis van de thermometrie

Temperatuur is een van de belangrijkste fysische grootheden in ons dagelijks leven. Zonder precieze temperatuurmeting zouden veel dingen ingewikkelijker of zelfs gevaarlijk zijn. Maar dat is niet altijd zo geweest. Eeuwenlang hadden mensen geen mogelijkheid om de temperatuur nauwkeurig te meten. Pas met de ontwikkeling van de eerste thermometers in de 16e en 17e eeuw begon een nieuw tijdperk van wetenschap en techniek. Hoe hebben thermometers zich in de loop van de tijd ontwikkeld? Welke mijlpalen hebben de temperatuurmeting op het huidige precisieniveau gebracht?

Waarom is temperatuurmeting belangrijk?

De temperatuur beïnvloedt ons dagelijks leven meer dan we ons vaak bewust zijn. Van het ’s ochtends grijpen naar een jas tot de perfect gezette koffie en de verwarmingsregeling in de winter – zonder precieze temperatuurmeting zou veel onpraktisch of zelfs gevaarlijk zijn.

Ook in de keuken speelt temperatuur een belangrijke rol. Bij het koken of bakken bepaalt het de smaak en consistentie. Een steak lukt alleen perfect als de juiste kerntemperatuur wordt bereikt, en chocolade smelt bij lichaamstemperatuur – waardoor het zo aangenaam op de tong smelt. Ook koffie smaakt alleen goed als hij heet genoeg is, maar niet zo heet dat je je tong verbrandt.

Niet alleen bij de bereiding, maar ook bij de opslag van levensmiddelen is temperatuur belangrijk. Een koelkast moet koud genoeg zijn om levensmiddelen vers te houden, maar niet zo koud dat groente en fruit bevriezen.

In de gezondheidszorg is temperatuurmeting onmisbaar. Als we koorts hebben, geeft een thermometer ons direct een inschatting of het om een onschuldige verkoudheid of mogelijk een ernstigere aandoening gaat.

Een korte blik op de thermometer bepaalt vaak hoe we ons aankleden of welke activiteiten we ondernemen. Is het buiten ijskoud, dan kleden we ons warm aan, bij hoge temperaturen grijpen we naar lichte kleding. Temperatuur is ook voor onze veiligheid in het verkeer van doorslaggevend belang: bij temperaturen onder nul kan er ijzel ontstaan.

Uiteindelijk is temperatuurmeting een onzichtbare helper die ons leven veiliger, comfortabeler en gezonder maakt. Of het nu bij het ontbijt, op het werk of op straat is – het bepaalt veel beslissingen, zonder dat we het bewust merken.

Kort overzicht van de geschiedenis van de thermometrie

De geschiedenis van de temperatuurmeting gaat ver terug. Al in de oudheid probeerden geleerden warmte en koude te begrijpen, maar pas in de 16e en 17e eeuw ontstonden de eerste meetbare schalen. Galileo Galilei ontwikkelde rond 1593 de eerste thermoscoop, die temperatuurveranderingen zichtbaar maakte, maar nog geen nauwkeurige waarden leverde. In de 18e eeuw introduceerden onderzoekers als Fahrenheit, Celsius en Réaumur precieze temperatuurschalen, die de basis legden voor moderne meetmethoden. Met de industriële revolutie ontstonden nieuwe technologieën zoals de kwikthermometer, elektrische weerstandsthermometers en later digitale sensoren.

Tegenwoordig maakt de Internationale Temperatuurschaal van 1990 (ITS-90) een uiterst precieze en wereldwijd uniforme temperatuurmeting mogelijk. Het is gebaseerd op gedefinieerde fixpunten, waaronder het tripelpunt van water (0,01 °C).

In de hoogprecisiemeting worden standaard platina weerstandsthermometers (SPRT’s) gebruikt, die metingen met een nauwkeurigheid in het microkelvinbereik mogelijk maken.

De geschiedenis van de thermometrie laat zien hoe uit oorspronkelijk eenvoudige waarnemingen een wetenschappelijke standaard werd.

Vroege pogingen tot temperatuurmeting

Voordat er thermometers waren, moesten mensen temperatuurverschillen op een eenvoudige en vaak subjectieve manier inschatten. In de oudheid bestonden er nog geen schalen of nauwkeurige meetmethoden, maar verschillende culturen ontwikkelden methoden om warmte en koude grofweg te beoordelen.

De eenvoudigste methode: voelen met de hand

De meest voor de hand liggende manier om de temperatuur te beoordelen was door aanraking. Mensen hielden hun handen in de zon, in water of in de wind om hitte of kou te voelen. Maar deze methode is foutgevoelig – onze huid past zich snel aan temperaturen aan, zodat we vaak alleen relatieve verschillen waarnemen.

Luchtuitzetting als vroege temperatuurweergave

Al in de oudheid observeerden geleerden dat lucht bij warmte uitzet en bij koude samentrekt. Hoewel er geen specifieke personen met naam zijn overgeleverd die deze observatie deden, gebruikten vroege wetenschappers dit principe om eenvoudige apparaten te ontwikkelen die op luchtuitzetting waren gebaseerd.

Medische betekenis: De temperatuur van het lichaam

In de antieke geneeskunde speelde temperatuur een belangrijke rol in de geschiedenis van de thermometrie. De Griekse arts Hippocrates (ca. 460–370 v. Chr.) adviseerde om de temperatuur van een patiënt te beoordelen door het voorhoofd of de handen aan te raken. Dit was een vroege vorm van diagnose, die ook vandaag de dag nog in de geneeskunde wordt gebruikt – ook al hebben we tegenwoordig koortsthermometers.

De methoden van de oudheid waren weliswaar rudimentair, maar ze legden de basis voor latere ontwikkelingen. De observatie van de luchtuitzetting leidde later tot de ontwikkeling van de thermoscoop, en de medische temperatuurbeoordeling liet zien hoe belangrijk de thermometrie voor het dagelijks leven is.

Eerste theoretische overwegingen in de oudheid (bijv. van filosofen als Empedocles of Aristoteles)

Lang voordat er thermometers waren, hielden antieke filosofen zich bezig met de concepten van warmte en koude. Omdat ze nog geen fysische meetmethoden bezaten, interpreteerden ze temperatuur aan de hand van natuurlijke fenomenen en filosofische principes. Twee van de belangrijkste denkers op dit gebied waren Empedocles (5e eeuw v. Chr.) en Aristoteles (4e eeuw v. Chr.), wier ideeën eeuwenlang het wetenschappelijke denken beïnvloedden.

Empedocles: De vier-elementenleer en temperatuur als eigenschap van de materie

In de geschiedenis van de thermometrie was Empedocles een van de eerste filosofen die probeerde de natuur te verklaren door middel van fundamentele elementen. Hij ontwikkelde de vier-elementenleer, volgens welke alles bestaat uit de vier basissubstanties vuur, water, lucht en aarde. Warmte werd geassocieerd met vuur en lucht, terwijl koude in verband werd gebracht met water en aarde. Volgens deze theorie was temperatuur geen zelfstandige fysische grootheid, maar een eigenschap van de elementen zelf.

Deze aanpak werd eeuwenlang gebruikt als basis voor de natuurwetenschappen. Pas veel later werd erkend dat temperatuur niet afhangt van de vier elementen, maar van de beweging van de moleculen – een concept dat pas in de moderne tijd door de kinetische gastheorie werd ontwikkeld.

Aristoteles: Warmte als tegenspeler van de koude

Aristoteles breidde de ideeën van Empedocles uit en stelde een model op waarin warmte en koude als tegengestelde principes werkten. Hij geloofde dat elk materiaal van nature een bepaalde “natuurlijke warmte” of “natuurlijke koude” bezat, die door externe invloeden kon veranderen. Volgens Aristoteles was warmte verbonden met het opstijgen (bijv. hete lucht of vlammen), terwijl koude tot verdichting en afkoeling leidde.

Aristoteles kende specifieke eigenschappen toe aan de vier elementen:
• Vuur: heet en droog
• Water: koud en vochtig
• Aarde: koud en droog
• Lucht: heet en vochtig

Deze toewijzingen vormden de basis voor zijn begrip van warmte en koude als fundamentele eigenschappen van de materie.

Deze ideeën werden in de geschiedenis van de thermometrie eeuwenlang in de geneeskunde, alchemie en natuurfilosofie verder gebruikt. Vooral in de humorale geneeskunde van Hippocrates en Galenus speelde temperatuur een grote rol – men geloofde dat de balans van “hete” en “koude” sappen in het lichaam de gezondheid bepaalde.

Van de filosofie naar de meetwetenschap

Hoewel de antieke theorieën in de geschiedenis van de thermometrie nog geen nauwkeurige metingen mogelijk maakten, legden ze de basis voor het wetenschappelijke begrip van temperatuur. De voorstelling dat warmte en koude natuurlijke, meetbare grootheden zijn, leidde uiteindelijk tot de ontwikkeling van de eerste temperatuurmeetinstrumenten in de 16e en 17e eeuw.

Tegenwoordig weten we dat temperatuur een gevolg is van de beweging van atomen en moleculen – een concept dat weinig te maken heeft met de antieke voorstellingen. Toch blijft de erkenning in de geschiedenis van de thermometrie dat al meer dan 2000 jaar geleden filosofen probeerden temperatuur systematisch te verklaren.

De uitvinding van de eerste thermometers

De 16e eeuw – Galileo Galilei en de thermoscoop (ca. 1593)

In de late 16e eeuw begon in de geschiedenis van de thermometrie het systematische onderzoek naar de temperatuurmeting. Een van de eerste belangrijke ontwikkelingen was de thermoscoop, die aan Galileo Galilei (ca. 1593) wordt toegeschreven. In feite is het exacte auteurschap omstreden, omdat ook andere wetenschappers zoals Giambattista della Porta soortgelijke apparaten beschreven. Zeker is echter dat Galilei het concept verder ontwikkelde en het voor het eerst voor fysische waarnemingen gebruikte.

De thermoscoop was een eenvoudig apparaat dat temperatuurveranderingen zichtbaar kon maken. Het bestond uit een met lucht gevulde glazen bol, die via een smal buisje in een waterreservoir leidde. Als de lucht in de bol opwarmde, zette deze uit en drukte het water in het buisje naar beneden. Koelde de lucht af, dan trok deze samen en steeg het water weer. Daarmee kon een verandering van de temperatuur voor het eerst in de geschiedenis van de thermometrie kwalitatief worden waargenomen, maar er ontbrak een uniforme schaal om nauwkeurige meetwaarden te bepalen.

Een groot probleem van de thermoscoop was dat het niet alleen op temperatuur, maar ook op luchtdrukveranderingen reageerde. Deze afhankelijkheid maakte exacte metingen moeilijk en leidde later tot de ontwikkeling van thermometers met vloeistoffen zoals alcohol of kwik, die onafhankelijk van de omgevingsdruk functioneerden.

Ondanks deze beperkingen was de thermoscoop een belangrijke mijlpaal. Het legde de basis voor de latere ontwikkelingen van de thermometrie en inspireerde wetenschappers zoals Santorio Santorio, die als eerste een schaal aanbracht om temperatuurverschillen numeriek te registreren. Zodoende was de thermoscoop de eerste poging om temperatuurveranderingen systematisch zichtbaar te maken.

De 17e eeuw – De eerste geschaalde thermometers van Santorio Santorio en Ferdinand II van Medici

In de 17e eeuw werden grote vorderingen gemaakt in de geschiedenis van de thermometrie. Terwijl de thermoscoop van Galileo Galilei al temperatuurveranderingen zichtbaar kon maken, ontbrak het aan een schaal om meetbare waarden te verkrijgen. Twee wetenschappers speelden een belangrijke rol in de geschiedenis van de thermometrie: Santorio Santorio en Ferdinand II van Medici.

Santorio Santorio: De eerste geschaalde thermometer (ca. 1612)

De Italiaanse arts en wetenschapper Santorio Santorio (1561–1636) was in de geschiedenis van de thermometrie een van de eersten die een thermometer met schaal ontwikkelde. Santorio stond bekend om zijn werk in de medische meettechniek en combineerde het principe van de thermoscoop met een numerieke schaal om objectieve temperatuurvergelijkingen mogelijk te maken.

Zijn thermometer bestond uit een met alcohol gevulde glazen buis, die van een schaal was voorzien. Het was echter nog niet volledig onafhankelijk van de luchtdruk, zodat schommelingen in de omgeving de meetresultaten konden beïnvloeden. Toch was het een beslissende vooruitgang, omdat het voor het eerst toestond om temperatuurveranderingen kwantitatief te registreren en te vergelijken. Santorio gebruikte zijn thermometer met name in de geneeskunde om lichaamstemperaturen te meten – een vroege voorloper van de moderne koortsthermometer.

Ferdinand II van Medici: De eerste gesloten vloeistofthermometer (ca. 1654)

Een andere grote vooruitgang kwam van Ferdinand II de Medici (1610–1670), groothertog van Toscane en enthousiast natuurwetenschapper. Onder zijn bescherming ontwikkelden onderzoekers van de Accademia del Cimento een thermometer die alcohol of wijn als meetvloeistof gebruikte.

Het bijzondere aan deze thermometer was dat hij, in vergelijking met eerdere apparaten, een gesealde capillaire had, waardoor hij minder werd beïnvloed door schommelingen in de luchtdruk. Dit was een belangrijke stap in de geschiedenis van de thermometrie in de richting van de ontwikkeling van stabiele temperatuurschalen.

De Medici-thermometers legden de basis voor het latere werk van Daniel Gabriel Fahrenheit, die in de 18e eeuw de kwikthermometer uitvond.

Het werk van Santorio Santorio en Ferdinand II de Medici markeerde een eerste keerpunt in de geschiedenis van de temperatuurmeting.

De eerste geschaalde thermometer van Santorio en de verder ontwikkelde vloeistofthermometer, die minder werd beïnvloed door de luchtdruk, effenden de weg voor de latere temperatuurschalen en de ontwikkeling van nauwkeurigere meetinstrumenten.

Geschiedenis van de thermometrie: Eerste temperatuurschalen

Met de ontwikkeling van de eerste thermometers in de 17e eeuw ontstond in de geschiedenis van de thermometrie de noodzaak om temperatuurmetingen vergelijkbaar te maken. Zonder een uniforme schaal waren temperatuurgegevens puur relatief en afhankelijk van individuele meetinstrumenten. De eerste pogingen om een temperatuurschaal te definiëren, zijn afkomstig van verschillende wetenschappers die verschillende referentiepunten gebruikten.

Ole Rømer en de eerste gedocumenteerde temperatuurschaal (1701)

De Deense astronoom en natuurkundige Ole Rømer (1644–1710) was een van de eersten die een systematische temperatuurschaal ontwikkelde. Zijn schaal stelde het vriespunt van water in op 7,5° en het kookpunt op 60°. Dit maakte temperatuurmetingen voor het eerst reproduceerbaar.

De schaal van Rømer had echter enkele nadelen: de keuze van zijn vaste punten was willekeurig en de indeling was niet bijzonder praktisch. Toch was het een belangrijke stap in de richting van de standaardisatie van de temperatuurmeting.

Isaac Newtons temperatuurschaal (1701)

Vrijwel gelijktijdig stelde Isaac Newton (1643–1727) een temperatuurschaal voor die sterker was gebaseerd op praktische ervaringen.

In plaats van absolute vaste punten zoals het vries- of kookpunt van water te gebruiken, oriënteerde Newton zich voor het eerst in de geschiedenis van de thermometrie op alledaagse temperatuurverschijnselen en kende hij waarden toe op een schaal. Tot zijn ongeveer 20 schaalpunten behoorden onder andere „koude lucht in de winter“ als laag referentiepunt en „gloeiende kolen in het keukenfornuis“ als bovenste vaste punt.

Later stelde Newton als referentiepunt de temperatuur van smeltende sneeuw (0°) vast en mat hij andere temperaturen relatief daaraan aan de hand van de uitzetting van kwik.

De schaal van Newton was vooral bedoeld voor wetenschappelijke doeleinden en werd later vervangen door nauwkeurigere schalen. Toch was ze belangrijk op weg naar de moderne thermometrie.

Ontwikkeling van uniforme temperatuurschalen

De basis voor nauwkeurigere schalen

De vroege temperatuurschalen waren nog niet universeel gestandaardiseerd. Verschillende onderzoekers gebruikten verschillende vaste punten en veel schalen waren gebaseerd op subjectieve ervaringswaarden. De schalen, zoals die van Ole Rømer (1701) of Isaac Newton (1701), waren in ontwikkeling. Met de verdere ontwikkeling van de thermometrie in de 18e eeuw werd duidelijk dat in de geschiedenis van de thermometrie een uniforme temperatuurschaal nodig was.

Pas in de 18e eeuw slaagden wetenschappers als Daniel Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius en René Antoine Ferchault de Réaumur erin om algemeen erkende schalen te ontwikkelen, die uiteindelijk de basis werden van de moderne temperatuurmeting.

Daniel Gabriel Fahrenheit (1724) – Kwikthermometer en Fahrenheit-schaal

In het jaar 1724 introduceerde de Duitse natuurkundige Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) een van de eerste gestandaardiseerde temperatuurschalen, die vandaag de dag nog steeds in bijvoorbeeld de VS wordt gebruikt. Naast de schaal ontwikkelde hij ook de eerste betrouwbare kwikthermometer, die nauwkeurigere metingen mogelijk maakte dan eerdere alcoholthermometers.

De kwikthermometer – Nauwkeurigere metingen

Fahrenheit experimenteerde eerst met alcoholthermometers, maar stelde vast dat alcohol bij lage temperaturen bevriest en bij hogere temperaturen ongelijkmatig uitzet. Daarom begon hij kwik als meetvloeistof te gebruiken.

De voordelen van kwik:

• Blijft vloeibaar in een groot temperatuurbereik (-39 °C tot 357 °C).
• Zet lineair uit, wat nauwkeurigere metingen mogelijk maakt.
• Verdampt niet gemakkelijk, wat de levensduur van de thermometer verlengt.

Met deze eigenschappen werd de kwikthermometer de standaardmethode voor temperatuurmetingen in de wetenschap en techniek.

De Fahrenheit-schaal – Drie vaste punten voor temperatuurmetingen

Fahrenheit legde drie vaste punten vast voor zijn temperatuurschaal:

• 0 °F: De laagste temperatuur die hij met een mengsel van ijs, water en salmiak produceerde
• 32 °F: Vriespunt van water
• 96 °F: Lichaamstemperatuur van een „gezond mens“
• 212 °F: Kookpunt van water

Deze vaste punten maakten een reproduceerbare schaal mogelijk, die onafhankelijk van afzonderlijke thermometers functioneerde.

De Fahrenheit-schaal zette zich in Engeland en de Britse koloniën snel door, maar werd in de loop van de 19e en 20e eeuw in de meeste landen vervangen door de Celsius-schaal. Tegenwoordig wordt ze bijna uitsluitend in de Verenigde Staten gebruikt.

De Réaumur-schaal (1730)

De Franse wetenschapper René Antoine Ferchault de Réaumur (1683–1757) ontwikkelde 1730 een temperatuurschaal voor alcoholthermometers, die in Frankrijk en delen van Europa lange tijd werd gebruikt.

Kenmerken van de Réaumur-schaal

• 0 °Ré: Vriespunt van water
• 80 °Ré: Kookpunt van water

Réaumur koos voor een indeling in 80 graden, omdat hij aannam dat alcohol lineair uitzet met de temperatuur. Deze aanname bleek echter onnauwkeurig, omdat vloeistoffen bij verschillende temperaturen verschillend uitzetten.

De Réaumur-schaal werd vooral in Frankrijk, Italië en Rusland gebruikt, maar verloor in de geschiedenis van de thermometrie met de introductie van de Celsius-schaal steeds meer aan betekenis.

Anders Celsius (1742) – Celsius-schaal

De Zweedse astronoom en natuurkundige Anders Celsius (1701–1744) ontwikkelde in het jaar 1742 een nieuwe temperatuurschaal, die zich later als internationale standaard doorzette. In tegenstelling tot de Fahrenheit-schaal gebruikte Celsius een decimale indeling, die een intuïtieve bediening mogelijk maakte.

De Celsius-schaal

In zijn werk Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer stelde Celsius een temperatuurschaal met twee vaste punten bij normale druk voor:

• 0 °C: Het kookpunt van water.
• 100 °C: Het vriespunt van water.

Deze omgekeerde schaalverdeling was aanvankelijk ongebruikelijk. Na de dood van Celsius in het jaar 1744 zetten zijn leerlingen, met name Carl von Linné (1707–1778), zich in voor een omkering van de schaal – een bijzonder proces in de geschiedenis van de thermometrie. Daardoor werd het vriespunt op 0 °C en het kookpunt op 100 °C vastgelegd – een intuïtievere volgorde, die zich wereldwijd doorzette.

Voordelen van de Celsius-schaal

De Celsius-schaal had twee grote voordelen ten opzichte van eerdere temperatuurschalen:

• Eenvoudige bediening: De decimale indeling in 100 stappen vergemakkelijkte metingen en berekeningen.
• Nauwkeurige vaste punten: De schaal was gebaseerd op de fysische eigenschappen van water (bij normale druk), die overal reproduceerbaar waren.

Celsius-schaal en haar huidige betekenis

Tegenwoordig is de Celsius-schaal als graad Celsius (°C) een van de meest gebruikte temperatuurschalen en wordt in bijna alle landen als standaard voor temperatuurmetingen gebruikt. Alleen in de VS en enkele andere landen wordt nog de Fahrenheit-schaal gebruikt.

De Celsius-schaal vormt ook de basis voor de Kelvin-schaal (K), die in de wetenschap wordt gebruikt. Daarbij geldt:

0 °C = 273,15 K (Kelvin begint bij het absolute nulpunt).

De introductie van de Celsius-schaal was een andere grote stap in de thermometrie. Door haar eenvoudige indeling, duidelijke vaste punten en intuïtieve bediening werd ze snel de internationale standaard. Hoewel Anders Celsius zelf de huidige schaalverdeling niet meer heeft meegemaakt, behoort zijn werk tot de belangrijkste ontwikkelingen in de geschiedenis van de temperatuurmeting.

De Kelvin-schaal (1848)

In het jaar 1848 introduceerde de Schotse natuurkundige William Thomson, Lord Kelvin (1824–1907) de eerste absolute temperatuurschaal. Een belangrijke stap in de geschiedenis van de thermometrie! De Kelvin-schaal (K) is gebaseerd op het absolute nulpunt, de laagst mogelijke temperatuurwaarde, waarbij alle thermische bewegingen ophouden. De Kelvin-schaal (1848) is de eerste wetenschappelijk onderbouwde absolute temperatuurschaal.

Kenmerken van de Kelvin-schaal:

• 0 K: Absoluut nulpunt (-273,15 °C).
• 273,15 K: Vriespunt van water (0 °C).
• 373,15 K: Kookpunt van water (100 °C).

De Kelvin-schaal wordt met name in de wetenschap, natuurkunde en thermodynamica gebruikt, omdat ze onafhankelijk is van specifieke vaste punten en op de energiebeweging van deeltjes is gebaseerd.

De Kelvin-schaal is tegenwoordig de officiële temperatuurschaal van het Internationale Stelsel van Eenheden (SI). Een groot voordeel van de Kelvin-schaal is dat ze temperatuurwaarden zonder negatieve getallen mogelijk maakt.

Vooruitgang in de 19e en 20e eeuw

Met de opkomst van de moderne wetenschap en techniek brachten de 19e en 20e eeuw grote vooruitgang in de temperatuurmeting. Er werden vooral nieuwe temperatuurschalen ontwikkeld en het onderzoek concentreerde zich op nauwkeurigere meetmethoden en nieuwe technologieën.

Vooral de introductie van de platina-weerstandsthermometrie en de thermokoppels verbeterden de industriële en wetenschappelijke temperatuurmeting en leidden tot grote vooruitgang in de geschiedenis van de thermometrie.

Ontwikkeling van weerstandsthermometers (Siemens & Callendar, 1871–1887)

De introductie van elektrische weerstandsthermometers in de late 19e eeuw was een belangrijke vooruitgang in de temperatuurmeting. Terwijl voorheen vloeistofthermometers domineerden, maakten weerstandsthermometers voor het eerst zeer nauwkeurige en reproduceerbare temperatuurmetingen mogelijk. Twee wetenschappers speelden een centrale rol in deze ontwikkeling:

• Werner von Siemens (1871): Eerste experimenten met weerstandsthermometers op basis van platina.
• Hugh Longbourne Callendar (1887): Precisering van de meetmethoden en introductie van de platina-weerstandsthermometers (PRT’s) voor wetenschappelijke toepassingen.

Werner von Siemens (1871): Eerste concepten voor weerstandsthermometrie

De Duitse uitvinder en ingenieur Werner von Siemens (1816–1892) was de eerste die in 1871 erkende dat de elektrische weerstand van een draad verandert met de temperatuur en als meetgrootte kan worden gebruikt. Hij stelde voor om metalen als temperatuursensoren te gebruiken, omdat hun weerstand met de temperatuur op voorspelbare wijze stijgt.

Siemens gebruikte eerst koper- en ijzerdraden, maar stelde vast dat deze materialen over lange perioden niet stabiel genoeg waren. Daarom zette hij zijn ontwikkelingswerk voort met platina als weerstandsmateriaal.

Callendar (1887): Platina als ideaal materiaal voor weerstandsthermometers

In het jaar 1887 verfijnde de Britse natuurkundige Hugh Longbourne Callendar (1863–1930) de weerstandsthermometrie en ontwikkelde hij de eerste nauwkeurige platina-weerstandsthermometer (PRT).

Waarom platina?
Callendar stelde net als Werner von Siemens vast dat platina ideaal is voor weerstandsthermometers, omdat het:

• Hoogste stabiliteit over lange perioden biedt.
• Bijna lineaire weerstandsstijging met de temperatuur vertoont.
• Een hoog smeltpunt (1768 °C) heeft en geschikt is voor brede temperatuurbereiken.

Hij bepaalde een weerstand-temperatuurrelatie en ontwikkelde een empirische vergelijking voor de temperatuurberekening:

[
R_T = R_0 (1 + \alpha T)
]

waarbij:

• ( R_T ) de weerstand bij temperatuur ( T ) is,
• ( R_0 ) de weerstand bij 0 °C,
• ( \alpha ) de temperatuurcoëfficiënt van platina.

Deze vergelijking was de eerste gestandaardiseerde benadering van de elektrische temperatuurmeting en werd later de basis van de platina-weerstandsthermometers (PRT’s).

De Callendar-Van-Dusen-vergelijking (CvD-vergelijking) breidt de oorspronkelijke empirische formule van Hugh Callendar uit en beschrijft de niet-lineaire weerstand-temperatuurrelatie van platina-weerstandsthermometers (PRT’s) in het bereik van -200 °C tot 850 °C, waardoor zeer nauwkeurige temperatuurmetingen mogelijk zijn. Deze stap is in de geschiedenis van de thermometrie van groot belang, omdat de zogenaamde Callendar-Van-Dusen-vergelijking vandaag de dag nog steeds wordt gebruikt.

Van Callendars thermometer tot de moderne weerstandsthermometrie

Na Callendars werk werden platina-weerstandsthermometers (PRT’s) verder verbeterd en later in de Internationale Temperatuurschaal (ITS-90) als standaard-platina-weerstandsthermometers (SPRT’s) vastgelegd.

Belangrijke verdere ontwikkelingen in de geschiedenis van de thermometrie:

• Introductie van beschermde draadwikkelingen, om mechanische spanningen te minimaliseren.
• Verbetering van de langetermijnstabiliteit door hoogzuiver platina.
• Optimalisatie van meetbruggen, om extreem kleine weerstandsveranderingen nauwkeurig te registreren.

Tegenwoordig zijn platina-weerstandsthermometers de nauwkeurigste elektrische thermometers.

Thermo-elementen

Thermo-elementen zijn een van de meest veelzijdige methoden voor temperatuurmeting en worden wereldwijd in de industrie, wetenschap en onderzoek gebruikt. Ze zijn gebaseerd op het Seebeck-effect, dat voor het eerst in de 19e eeuw werd ontdekt.

Het Seebeck-effect – Basis van de thermo-elementen

De Duitse natuurkundige Thomas Johann Seebeck (1770–1831) ontdekte in 1821 dat in een gesloten stroomkring van twee verschillende metalen een elektrische spanning ontstaat als de twee contactpunten verschillende temperaturen hebben. Dit fenomeen wordt het Seebeck-effect genoemd en vormt de basis voor thermo-elementen.

Principe:

• Een thermo-element bestaat uit twee verschillende metalen (vaak legeringen) die aan beide uiteinden met elkaar verbonden zijn.
• De ene verbinding (meetpunt) wordt verwarmd of gekoeld, terwijl de andere op een referentietemperatuur blijft (zogenaamde thermo-element referentiejunctie of koude junctie).
• Door het temperatuurverschil ontstaat een elektrische spanning die direct met de temperatuur samenhangt. Deze spanning wordt thermospanning genoemd.

Ontwikkeling en standaardisatie van thermo-elementen

Na Seebecks ontdekking werd de technologie verder ontwikkeld:

• 1826: Jean Charles Athanase Peltier ontdekte het omgekeerde effect (Peltier-effect), dat aantoont dat elektrische stromen temperatuurverschillen kunnen veroorzaken.
• 20e eeuw: Thermo-elementen werden gestandaardiseerd en geoptimaliseerd voor industriële toepassingen. Tegenwoordig zijn thermo-elementen gestandaardiseerd volgens internationale normen, bijvoorbeeld IEC 60584 en IEC 62460.

Gangbare thermo-elementtypen en hun eigenschappen

Type	+ Schenkel	– Schenkel	Meetbereik in °C
T	Cu	CuNi	-270 … 400
J	Fe	CuNi	-210 … 1200
E	NiCr	CuNi	-270 … 1000
K	NiCr	Ni	-270 … 1372
N	NiCrSi	NiSi	-200 … 1200
R	Pt13Rh	Pt	-50 … 1768
S	Pt10Rh	Pt	-50 … 1768
B	Pt30Rh	Pt6Rh	0 … 1820
C	W5Re	W26Re	0 … 2315
A	W5Re	W20Re	0 … 2500
Vgl. DIN EN 60584-1:2014-07

Voordelen en nadelen van thermo-elementen

Voordelen:
✔️ Zeer breed temperatuurbereik (van -270 °C tot 1820 °C).
✔️ Robuuste constructie, bestand tegen trillingen en mechanische belastingen.
✔️ Snelle reactietijd bij temperatuurveranderingen.
✔️ Geen extern voedingssignaal vereist (eigen energie door Seebeck-effect).

Nadelen:
❌ Lagere nauwkeurigheid dan weerstandsthermometers (SPRT’s, PRT’s).
❌ Thermospanning is niet lineair – kalibratie of correctietabellen vereist.
❌ Elektromagnetische storingen kunnen het signaal beïnvloeden.

Thermo-elementen zijn een goedkope, robuuste en veelzijdige methode voor temperatuurmeting en hebben zich in tal van industriële en wetenschappelijke toepassingen bewezen. Hoewel ze niet de precisie van weerstandsthermometers of SPRT’s bereiken, zijn ze populair vanwege hun lage kosten, brede toepassingsmogelijkheden en hoge temperatuurbereiken.

Internationale temperatuurschalen

Om wereldwijd uniforme temperatuurmetingen mogelijk te maken, zijn in de loop der jaren verschillende internationale temperatuurschalen ontwikkeld. Terwijl vroege meetmethoden vaak op individuele schalen waren gebaseerd, was het in de geschiedenis van de thermometrie noodzakelijk om een uniforme referentie te creëren.

Reeds in de 19e eeuw werden eerste pogingen ondernomen om temperatuurschalen op vaste thermodynamische fixpunten te baseren.

Internationale waterstofschaal (1887)

De Internationale waterstofschaal werd in 1887 ingevoerd en was een van de eerste pogingen om een uniforme temperatuurschaal op een fundamentele fysische basis te vestigen. Ze was gebaseerd op de eigenschappen van een gasthermometer die met waterstof als meetgas werd gebruikt.

De waterstofschaal gebruikte een constant volume-gasthermometer die de temperatuur aan de hand van de drukverandering van waterstof bij constant volume bepaalde. De basis was de wet van Gay-Lussac, die stelt dat de druk van een ideaal gas bij constant volume lineair met de temperatuur verandert.

Internationale temperatuurschaal van 1927 (ITS-27)

De Internationale temperatuurschaal van 1927 (ITS-27) was de eerste officieel gedefinieerde temperatuurschaal die als wereldwijde standaard voor nauwkeurige temperatuurmetingen werd ingevoerd.

De invoering van de ITS-27 door het Internationale Comité voor Maten en Gewichten (CIPM) moest een uniforme schaal voor wetenschap en techniek creëren.

De ITS-27 was gebaseerd op definiërende temperatuur-fixpunten die zich op de faseovergangen van zuivere stoffen oriënteerden.

De ITS-27 was een grote vooruitgang, omdat ze voor het eerst een wereldwijd uniforme en nauwkeurige temperatuurschaal definieerde. Ze werd in wetenschappelijke en industriële toepassingen op grote schaal gebruikt.

Internationale praktische temperatuurschaal van 1948 (IPTS-48)

De Internationale praktische temperatuurschaal van 1948 (IPTS-48) werd als opvolger van de ITS-27 ingevoerd om de temperatuurmeting verder te verbeteren en aan nieuwe wetenschappelijke inzichten aan te passen.

Redenen voor de invoering van de IPTS-48
De ITS-27 had enkele zwakke punten, met name:

• Onnauwkeurigheden bij lage temperaturen, omdat waterstof-gasthermometers zich niet ideaal gedroegen.
• Meetafwijkingen bij hoge temperaturen, die door stralingsthermometrie ontstonden.
• Verdere ontwikkeling van weerstandsthermometers, die een nauwkeurigere schaling vereisten.

Met de IPTS-48 werd een nauwkeurigere definitie van de fixpunten en interpolatiemethoden ingevoerd.

Internationale praktische temperatuurschaal van 1968 (IPTS-68)

De Internationale praktische temperatuurschaal van 1968 (IPTS-68) was een herziene versie van de IPTS-48 en werd ingevoerd om de nauwkeurigheid van de temperatuurmeting verder te verbeteren. Ze was tot de invoering van de ITS-90 de wereldwijd erkende temperatuurschaal.

Verbeteringen ten opzichte van de IPTS-48
De IPTS-68 bracht meerdere belangrijke veranderingen met zich mee:

• Nieuwe temperatuur-fixpunten, met name bij zeer lage en zeer hoge temperaturen.
• Geoptimaliseerde interpolatiemethoden voor nauwkeurigere temperatuurmetingen.
• Uitgebreid gebruik van platina-weerstandsthermometers (PRT’s) voor een nauwkeurigere bepaling van de temperatuur.

Nadelen en aflossing door de ITS-90
Hoewel de IPTS-68 nauwkeurigere temperatuurmetingen mogelijk maakte, waren er enkele bekende problemen:

• Meetafwijkingen in bepaalde temperatuurbereiken.
• Niet ideale terugvoerbaarheid op de thermodynamische temperatuurschaal.
• Verschillende schaalfactoren, die tot kleine discrepanties in verschillende toepassingen leidden.

Vanwege deze beperkingen werd de IPTS-68 uiteindelijk in 1990 door de ITS-90 vervangen, die een betere thermodynamische consistentie en hogere nauwkeurigheid biedt.

Moderne precisiethermometrie

De temperatuurmeting heeft zich sinds de eerste thermoscoopen en vloeistofthermometers enorm verder ontwikkeld. Terwijl eerdere thermometers vaak door externe invloeden zoals luchtdrukschommelingen of verdamping onnauwkeurig waren, maken moderne precisiethermometers een extreem nauwkeurige temperatuurbepaling tot in het microkelvin-bereik mogelijk.

Dankzij hoogontwikkelde sensoren kunnen tegenwoordig temperaturen met een precisie van tot enkele miljoenste graden worden gemeten. De ontwikkeling van de Internationale temperatuurschaal (ITS-90) heeft bovendien een uniform referentiesysteem voor uiterst nauwkeurige temperatuurmetingen gecreëerd.

Standaard platina-weerstandsthermometers (SPRT’s) zijn de meest nauwkeurige weerstandsthermometers en vormen het primaire interpolatie-instrument van de Internationale temperatuurschaal van 1990 (ITS-90), waardoor uiterst nauwkeurige temperatuurmetingen van -200 °C tot 961,78 °C mogelijk worden.

Internationale temperatuurschaal (ITS-90)

De Internationale temperatuurschaal van 1990 (ITS-90) is de wereldwijd erkende referentie voor uiterst nauwkeurige temperatuurmetingen. Ze werd door de Internationale Commissie voor Maten en Gewichten (CIPM) ingevoerd en vervangt eerdere schalen zoals de IPTS-68 (Internationale praktische temperatuurschaal van 1968). De ITS-90 dient als praktische realisatie van de thermodynamische temperatuurschaal, door een reeks definiërende fixpunten voor de nauwkeurige bepaling van de temperatuur vast te leggen.

Met de ITS-90 werden standaard platina-weerstandsthermometers SPRT als interpolatie-instrument in het bereik van 13,8033 K (tripelpunt van waterstof) tot 961,78 °C (stollingspunt van zilver) vastgelegd.

De ITS-90 is de meest nauwkeurige en internationaal gestandaardiseerde temperatuurschaal en wordt in veel gebieden gebruikt. Ze vormt de huidige internationale standaard voor nauwkeurige temperatuurmetingen. Door haar temperatuur-fixpunten en interpolatie-instrumenten maakt ze een wereldwijd uniforme en reproduceerbare temperatuurbepaling mogelijk.

Temperatuur fixpunten van de ITS-90

Nr.	T90 in K	t90 in °C	Stof	Weergave
1	3 tot 5	-270 tot 268,15	He	DD
2	13,8033	-259,3467	H2	TP
3*	ca 17	ca 256,15	H2	DD
4*	ca 20,3	ca 252,85	H2	DD
5	24,5561	-248,5939	Ne	TP
6	54,3584	-218,7916	O2	TP
7	83,8058	-189,3442	Ar	TP
8	234,3156	-38,8344	Hg	TP
9	273,15	0,01	H2O	TP
10	302,9146	29,7646	Ga	SP
11	429,7485	156,5985	In	EP
12	505,078	231,928	Sn	EP
13	692,677	419,527	Zn	EP
14	933,473	660,323	Al	EP
15	1234,93	961,78	Ag	EP
16	1337,33	1064,18	Au	EP
17	1357,77	1084,62	Cu	EP
Walter Blanke: Die Internationale Temperaturskala von 1990: ITS-90DD = Dampfdruck TP = Tripelpunkt SP = Schmelzpunkt EP = Erstarrungspunkt * = Es liegen mehrere Temperaturen vor

High End SPRT-precisiemeting – John P. Tavener en de koper-fixpunt-SPRT

Gebaseerd op het werk van John P. Tavener (1942-2020) vormt de ontwikkeling van een nieuwe standaard platina-weerstandsthermometer (SPRT) voor het koper-temperatuur-fixpunt (1084,62 °C) een voorlopig hoogtepunt in de geschiedenis van de thermometrie. Eerdere SPRT’s waren beperkt tot het zilver-fixpunt (961,78 °C), omdat bij hogere temperaturen problemen met materiaalstabiliteit en contaminatie optraden. Tavener loste dit probleem op door het gebruik van een synthetische saffierdrager voor de platinawikkeling en een alumina-beschermbuis, die van een lichte overdruk aan zuurstof wordt voorzien. Dit voorkomt het binnendringen van verontreinigingen en zorgt voor een stabiele oxidatieomgeving, die voor platina noodzakelijk is. Daarnaast werd de thermometer van een +9V DC-biasering voorzien om de isolatie-eigenschappen te verbeteren en ionische verontreinigingen door een elektrisch veld actief af te stoten.

Tests gedurende meerdere honderden uren bij temperaturen tot 1090 °C toonden een uitzonderlijke langetermijnstabiliteit met een drift van slechts 0,1 mK/h. Terwijl eerdere pogingen met saffier-beschermbuizen vanwege thermische spanningen mislukten, toonde dit nieuwe ontwerp een tot nu toe ongeëvenaarde reproduceerbaarheid en is daarmee geschikt voor de karakterisering van koper-temperatuur-fixpuntcellen met een tot nu toe onbereikbare meetonzekerheid.

Met de ontwikkeling van deze uiterst nauwkeurige SPRT voor het koper-fixpunt bereikt de geschiedenis van de thermometrie een voorlopig hoogtepunt – van de oudheid via de eerste eenvoudige thermoscoopen tot de moderne precisiethermometrie, die tegenwoordig temperatuurmetingen met een tot nu toe onbereikte nauwkeurigheid mogelijk maakt.

Bronnen

Heron van Alexandria – Wikipedia https://de.wikipedia.org/wiki/Heron_von_Alexandria

PubMed. (1997). Historical aspects of temperature measurement in medicine – https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9290139/

Vier-elementen-leer – Wikipedia https://de.wikipedia.org/wiki/Vier-Elemente-Lehre

StudySmarter – Empedokles Elemente – https://www.studysmarter.de/schule/griechisch/griechische-philosophie-theorie/empedokles-elemente/

Chemie.de – Vier-Elemente-Lehre – https://www.chemie.de/lexikon/Vier-Elemente-Lehre.html

Viviani, V. (1654). Racconto istorico della vita del Sig. Galileo Galilei

Die Erfindung des Thermometers und seine Gestaltung im XVII. Jahrhundert – Burckhardt, Fritz – Basel, 1867

Museo Galileo – Thermoscope – https://catalogue.museogalileo.it/object/Thermoscope.html

Bigotti, F. – The Weight of the Air: Santorio’s Thermometers and the Early History of Medical Quantification Reconsidered – https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6407691/

Wikipedia. – Santorio Santorio – https://en.wikipedia.org/wiki/Santorio_Santorio

Accademia del Cimento. (1667) – Saggi di Naturali Esperienze

Middleton, W. E. K. (1966) – A History of the Thermometer and its Use in Meteorology

Newton, (1701) – Scala graduum Caloris – Philosophical Transactions of the Royal Society

Fahrenheit, D. G. (1724) – Experimenta et Observationes de Congelatione Aquae – Philosophical Transactions of the Royal Society.

Réaumur, R. A. F. (1730). Observations sur la Construction des Thermomètres

Celsius, A. (1742) – Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer – Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar.

Thomson, W. (1848) – On an Absolute Thermometric Scale – Philosophical Magazine

Siemens, W. (1871) – On the increase of resistance in conductors with rise of temperature – Philosophical Transactions of the Royal Society

Callendar, H. L. (1887) – On the Practical Measurement of Temperature – Philosophical Transactions of the Royal Society.

Seebeck, T. J. (1821) – Über die magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz

IEC 60584-1:2013 – Thermocouples – Part 1: EMF Specifications and Tolerances

Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) (1948) – Report on the International Practical Temperature Scale of 1948

Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) (1968) – International Practical Temperature Scale of 1968

Preston-Thomas, H. (1990) – The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) – Metrologia, 27(1), 3–10.

BIPM. (2018). Guide to the Realization of the ITS-90.

Tavener, J. P. (2014) – A New Thermometer for the Copper Point – National Physical Laboratory

Tavener, J. P. (2013) – Further Investigations into the Performance of Copper Point Standard Resistance Thermometers – Tempmeko 2013

Bildrechte

“Vier Elemente der Alchemie”, gemeinfrei, verfügbar auf Wikimedia Commons

“Die vier Elemente” im Kaiserdom Königslutter – August von Essenwein (1831-1892); Adolf Quensen (1851-1911), Public domain, aufgenommen von Rabanus Flavus, Wikimedia Commons, 15. Februar 2012

Portret van Galileo Galilei, geschilderd door Domenico Tintoretto (1602–1607), foto van het National Maritime Museum, Greenwich, Londen, beschikbaar op Wikimedia Commons

Foto van het thermoscoop van Galileo Galilei in het Musée des Arts et Métiers, genomen door Chatsam, gelicenseerd onder CC BY-SA 3.0 – beschikbaar op Wikimedia Commons

Santorio Santorio – Commentaria in primam Fen primi libri Canonis Avicennae – Apud Jacobum Sarcinam, 1626 – Public Domain Mark

Medici-thermometer – Accademia del Cimento. (1667) – Saggi di Naturali Esperienze

Portret van Sir Isaac Newton, English School, ca. 1715–1720 – Wikimedia Commons

Daniel Gabriel Fahrenheit, ca. 17e tot 18e eeuw – Wikimedia Commons

Réaumur, R. A. F. (1730). Observations sur la Construction des Thermomètres

Portret van René-Antoine Ferchault de Réaumur uit ‘Galerie des naturalistes’ van Jules Pizzetta, 1893 – beschikbaar op Wikimedia Commons

Portret van Anders Celsius geschilderd door Olof Arenius – Wikimedia Commons

Celsius, A. (1742) – Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer – Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar.

Portret van William Thomson – 1e Baron Kelvin – 1906 – Wikimedia Commons

Portret van Werner von Siemens gefotografeerd door Giacomo Brogi – Wikimedia Commons

Portret van Hugh Longbourne Callendar – rond 1900 – onbekende fotograaf – publiek domein – via Wikimedia Commons

Portret van Thomas Johann Seebeck – vroege 19e eeuw, afgebeeld in “Goethe und seine Welt” van Hans Wahl en Anton Kippenberg – 1932 – Wikimedia Commons