Temperatur-Pioniere: Auf den Schultern von Giganten
Die Geschichte der Thermometrie ist eine Geschichte der Entdeckungen, Irrtümer und bahnbrechenden Erkenntnisse. Sie beginnt mit den ersten Versuchen der Antike, Wärme und Kälte zu begreifen, führt über die geniale Einfachheit des Thermoskops von Galileo Galilei bis hin zu den hochpräzisen Standard-Platin-Widerstandsthermometern (SPRTs) unserer Zeit.
Jeder Fortschritt in der Geschichte der Thermometrie baut auf dem Wissen und den Experimenten der Wissenschaftler auf, die vor uns geforscht haben. Daniel Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius, William Thomson (Lord Kelvin) und viele andere haben nicht nur Temperaturskalen entwickelt, sondern unser Verständnis von Wärme und Energie revolutioniert. Ohne ihre Ideen und Messmethoden wäre eine verlässliche Temperaturmessung heute undenkbar.
Wir stehen auf den Schultern dieser „Temperatur Pioniere“. Ihre Arbeit prägt nicht nur die heutige Wissenschaft, sondern auch unser modernes Leben. Ich nehme Sie mit auf eine Reise durch die Geschichte der Thermometrie – von den ersten einfachen Versuchen der Vergangenheit bis hin zur hochpräzisen Temperaturmessung der Gegenwart.
Einleitung – Geschichte der Thermometrie
Temperatur ist eine der wichtigsten physikalischen Größen in unserem Alltag. Ohne präzise Temperaturmessung wären viele Dinge komplizierter oder sogar gefährlich. Doch das war nicht immer so. Über Jahrhunderte hinweg hatten Menschen keine Möglichkeit, Temperatur genau zu messen. Erst mit der Entwicklung der ersten Thermometer im 16. und 17. Jahrhundert begann eine neue Ära der Wissenschaft und Technik. Wie haben sich Thermometer im Laufe der Zeit entwickelt? Welche Meilensteine haben die Temperaturmessung auf das heutige Präzisionsniveau gebracht?
Inhalt
Warum ist Temperaturmessung wichtig?
Die Temperatur beeinflusst unser tägliches Leben mehr, als wir oft bewusst wahrnehmen. Vom morgendlichen Griff zur Jacke über den perfekt gebrühten Kaffee bis hin zur Heizungssteuerung im Winter – ohne präzise Temperaturmessung wäre vieles unpraktisch oder sogar gefährlich.
Schon in der Küche spielt Temperatur eine tragende Rolle. Beim Kochen oder Backen entscheidet sie über Geschmack und Konsistenz. Ein Steak gelingt nur perfekt, wenn die richtige Kerntemperatur erreicht wird, und Schokolade schmilzt bei Körpertemperatur – weshalb sie so angenehm auf der Zunge zergeht. Auch Kaffee schmeckt nur dann richtig gut, wenn er heiß genug ist, aber nicht so heiß, dass man sich die Zunge verbrennt.
Nicht nur bei der Zubereitung, sondern auch bei der Lagerung von Lebensmitteln ist Temperatur wichtig. Ein Kühlschrank muss kalt genug sein, um Lebensmittel frisch zu halten, aber nicht so kalt, dass Obst und Gemüse gefrieren.
In der Gesundheitsvorsorge ist Temperaturmessung nicht weg zu denken. Wenn wir Fieber haben, gibt uns ein Thermometer sofort eine Einschätzung, ob es sich um eine harmlose Erkältung oder möglicherweise eine ernstere Erkrankung handelt.
Ein kurzer Blick auf das Thermometer bestimmt oft, wie wir uns anziehen oder welchen Aktivitäten wir nachgehen. Ist es draußen frostig, ziehen wir uns warm an, bei hohen Temperaturen greifen wir zu leichter Kleidung. Temperatur ist auch für unsere Sicherheit im Straßenverkehr entscheidend: Bei Minusgraden kann sich Glatteis bilden.
Letztlich ist Temperaturmessung ein unsichtbarer Helfer, der unser Leben sicherer, komfortabler und gesünder macht. Ob beim Frühstück, bei der Arbeit oder auf der Straße – sie bestimmt viele Entscheidungen, ohne dass wir es bewusst merken.
Kurze Vorschau auf die Geschichte der Thermometrie
Die Geschichte der Temperaturmessung reicht weit zurück. Schon in der Antike versuchten Gelehrte, Wärme und Kälte zu verstehen, doch erst im 16. und 17. Jahrhundert entstanden die ersten messbaren Skalen. Galileo Galilei entwickelte um 1593 das erste Thermoskop, das Temperaturveränderungen sichtbar machte, jedoch noch keine genauen Werte lieferte. Im 18. Jahrhundert führten Forscher wie Fahrenheit, Celsius und Réaumur präzise Temperaturskalen ein, die die Grundlage für moderne Messmethoden legten. Mit der industriellen Revolution entstanden neue Technologien wie das Quecksilberthermometer, elektrische Widerstandsthermometer und später digitale Sensoren.
Heute ermöglicht die Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90) eine hochpräzise und weltweit einheitliche Temperaturmessung. Sie basiert auf definierten Fixpunkten, darunter der Tripelpunkt von Wasser (0,01 °C).
In der Hochpräzisionsmessung kommen Standard-Platin-Widerstandsthermometer (SPRTs) zum Einsatz, die Messungen mit einer Genauigkeit im Mikrokelvin-Bereich ermöglichen.
Die Geschichte der Thermometrie zeigt, wie aus ursprünglich einfachen Beobachtungen ein wissenschaftlicher Standard wurde.
Frühe Versuche der Temperaturmessung
Bevor es Thermometer gab, mussten Menschen Temperaturunterschiede auf einfache und oft subjektive Weise einschätzen. In der Antike existierten noch keine Skalen oder genauen Messmethoden, doch verschiedene Kulturen entwickelten Methoden, um Wärme und Kälte grob zu bewerten.
Die einfachste Methode: Fühlen mit der Hand
Die offensichtlichste Art der Temperaturbewertung war die Berührung. Menschen hielten ihre Hände in die Sonne, in Wasser oder in den Wind, um Hitze oder Kälte zu spüren. Doch diese Methode ist fehleranfällig – unsere Haut passt sich schnell an Temperaturen an, sodass wir oft nur relative Unterschiede wahrnehmen.
Luftausdehnung als frühe Temperaturanzeige
Schon in der Antike beobachteten Gelehrte, dass sich Luft bei Wärme ausdehnt und bei Kälte zusammenzieht. Obwohl keine spezifischen Personen namentlich überliefert sind, die diese Beobachtung machten, nutzten frühe Wissenschaftler dieses Prinzip, um einfache Geräte zu entwickeln, die auf Luftausdehnung basierten.
Medizinische Bedeutung: Die Temperatur des Körpers
In der antiken Medizin spielte Temperatur in der Geschichte der Thermometrie eine wichtige Rolle. Der griechische Arzt Hippokrates (ca. 460–370 v. Chr.) empfahl, die Temperatur eines Patienten durch Berührung der Stirn oder der Hände zu bewerten. Dies war eine frühe Form der Diagnose, die noch heute in der Medizin genutzt wird – auch wenn wir heute Fieberthermometer haben.
Die Methoden der Antike waren zwar rudimentär, aber sie legten den Grundstein für spätere Entwicklungen. Die Beobachtung der Luftausdehnung führte später zur Entwicklung des Thermoskops, und die medizinische Temperaturbewertung zeigte, wie wichtig die Thermometrie für den Alltag ist.
Erste theoretische Überlegungen in der Antike (z. B. von Philosophen wie Empedokles oder Aristoteles)
Lange bevor es Thermometer gab, beschäftigten sich antike Philosophen mit den Konzepten von Wärme und Kälte. Da sie noch keine physikalischen Messmethoden besaßen, interpretierten sie Temperatur anhand natürlicher Phänomene und philosophischer Prinzipien. Zwei der bedeutendsten Denker in diesem Bereich waren Empedokles (5. Jh. v. Chr.) und Aristoteles (4. Jh. v. Chr.), deren Ideen über Jahrhunderte hinweg das wissenschaftliche Denken beeinflussten.
Empedokles: Die Vier-Elemente-Lehre und Temperatur als Eigenschaft der Materie
In der Geschichte der Thermometrie war Empedokles einer der ersten Philosophen, der versuchte, die Natur durch grundlegende Elemente zu erklären. Er entwickelte die Vier-Elemente-Lehre, nach der alles aus den vier Grundsubstanzen Feuer, Wasser, Luft und Erde besteht. Wärme wurde mit Feuer und Luft assoziiert, während Kälte mit Wasser und Erde in Verbindung gebracht wurde. Nach dieser Theorie war Temperatur keine eigenständige physikalische Größe, sondern eine Eigenschaft der Elemente selbst.
Dieser Ansatz wurde über Jahrhunderte hinweg als Basis für die Naturwissenschaften verwendet. Erst viel später wurde erkannt, dass Temperatur nicht von den vier Elementen, sondern von der Bewegung der Moleküle abhängt – ein Konzept, das erst in der Neuzeit durch die kinetische Gastheorie entwickelt wurde.
Aristoteles: Wärme als Gegenspieler der Kälte
Aristoteles erweiterte die Ideen von Empedokles und stellte ein Modell auf, in dem Wärme und Kälte als gegensätzliche Prinzipien wirkten. Er glaubte, dass jedes Material von Natur aus eine bestimmte “natürliche Wärme” oder “natürliche Kälte” besaß, die sich durch äußere Einflüsse verändern konnte. Nach Aristoteles war Wärme mit dem Aufsteigen verbunden (z. B. heiße Luft oder Flammen), während Kälte zur Verdichtung und Abkühlung führte.
Aristoteles ordnete den vier Elementen spezifische Eigenschaften zu:
• Feuer: heiß und trocken
• Wasser: kalt und feucht
• Erde: kalt und trocken
• Luft: heiß und feucht
Diese Zuordnungen bildeten die Grundlage für sein Verständnis von Wärme und Kälte als grundlegende Eigenschaften der Materie.
Diese Ideen wurdenin der Geschichte der Thermometrie über Jahrhunderte hinweg in der Medizin, Alchemie und Naturphilosophie weiterverwendet. Besonders in der humoralen Medizin von Hippokrates und Galen spielte Temperatur eine große Rolle – man glaubte, dass die Balance von „heißen“ und „kalten“ Säften im Körper die Gesundheit bestimmte.
Von der Philosophie zur Messwissenschaft
Obwohl die antiken Theorien in der Geschichte der Thermometrie noch keine präzisen Messungen ermöglichten, legten sie den Grundstein für das wissenschaftliche Verständnis von Temperatur. Die Vorstellung, dass Wärme und Kälte natürliche, messbare Größen sind, führte schließlich zur Entwicklung erster Temperaturmessgeräte im 16. und 17. Jahrhundert.
Heute wissen wir, dass Temperatur eine Folge der Bewegung von Atomen und Molekülen ist – ein Konzept, das mit den antiken Vorstellungen wenig zu tun hat. Dennoch bleibt die Erkenntnis in der Geschichte der Thermometrie, dass schon vor über 2000 Jahren Philosophen versuchten, Temperatur systematisch zu erklären.
Die Erfindung der ersten Thermometer
Das 16. Jahrhundert – Galileo Galilei und das Thermoskop (ca. 1593)
Im späten 16. Jahrhundert begann in der Geschichte der Thermometrie die systematische Erforschung der Temperaturmessung. Eine der ersten bedeutenden Entwicklungen war das Thermoskop, das Galileo Galilei (ca. 1593) zugeschrieben wird. Tatsächlich ist die genaue Urheberschaft umstritten, da auch andere Wissenschaftler wie Giambattista della Porta ähnliche Geräte beschrieben. Sicher ist jedoch, dass Galilei das Konzept weiterentwickelte und es erstmals für physikalische Beobachtungen nutzte.
Das Thermoskop war ein einfaches Gerät, das Temperaturänderungen sichtbar machen konnte. Es bestand aus einer mit Luft gefüllten Glaskugel, die über ein schmales Röhrchen in ein Wassergefäß führte. Erwärmte sich die Luft in der Kugel, dehnte sie sich aus und drückte das Wasser im Röhrchen nach unten. Kühlte sich die Luft ab, zog sie sich zusammen und das Wasser stieg wieder an. Damit ließ sich zwar eine Veränderung der Temperatur erstmals in der Geschichte der Thermometrie qualitativ beobachten, aber es fehlte eine einheitliche Skala, um genaue Messwerte zu bestimmen.
Ein großes Problem des Thermoskops war, dass es nicht nur auf Temperatur, sondern auch auf Luftdruckänderungen reagierte. Diese Abhängigkeit machte exakte Messungen schwierig und führte später zur Entwicklung von Thermometern mit Flüssigkeiten wie Alkohol oder Quecksilber, die unabhängig vom Umgebungsdruck funktionierten.
Trotz dieser Einschränkungen war das Thermoskop ein bedeutender Meilenstein. Es legte den Grundstein für die späteren Entwicklungen der Thermometrie und inspirierte Wissenschaftler wie Santorio Santorio, der als Erster eine Skala anbrachte, um Temperaturunterschiede numerisch zu erfassen. Somit war das Thermoskop der erste Versuch, Temperaturveränderungen systematisch sichtbar zu machen.
Das 17. Jahrhundert – Die ersten skalierten Thermometer von Santorio Santorio und Ferdinand II. von Medici
Im 17. Jahrhundert wurden große Fortschritte in der Geschichte der Thermometrie erzielt. Während das Thermoskop von Galileo Galilei bereits Temperaturveränderungen sichtbar machen konnte, fehlte ihm eine Skala, um messbare Werte zu erhalten. Zwei Wissenschaftler spielten eine wichtige Rolle in der Geschichte der Thermometrie: Santorio Santorio und Ferdinand II. von Medici.
Santorio Santorio: Das erste skalierte Thermometer (ca. 1612)
Der italienische Arzt und Wissenschaftler Santorio Santorio (1561–1636) war in der Geschichte der Thermometrie einer der ersten, der ein Thermometer mit Skala entwickelte. Santorio war bekannt für seine Arbeiten in der medizinischen Messtechnik und kombinierte das Prinzip des Thermoskops mit einer numerischen Skala, um objektive Temperaturvergleiche zu ermöglichen.
Sein Thermometer bestand aus einem mit Alkohol gefüllten Glasrohr, das mit einer Skala versehen war. Es war jedoch noch nicht vollständig unabhängig vom Luftdruck, sodass Schwankungen in der Umgebung die Messergebnisse beeinflussen konnten. Dennoch war es ein entscheidender Fortschritt, da es erstmals erlaubte, Temperaturveränderungen quantitativ zu erfassen und zu vergleichen. Santorio nutzte sein Thermometer insbesondere in der Medizin, um Körpertemperaturen zu messen – ein früher Vorläufer des modernen Fieberthermometers.
Ferdinand II. von Medici: Das erste geschlossene Flüssigkeitsthermometer (ca. 1654)
Ein weiterer großer Fortschritt kam von Ferdinand II. von Medici (1610–1670), Großherzog der Toskana und begeisterter Naturwissenschaftler. Unter seiner Schirmherrschaft entwickelten Forscher der Accademia del Cimento ein Thermometer, das Alkohol oder Wein als Messflüssigkeit verwendete.
Das Besondere an diesem Thermometer war, dass es im Vergleich zu früheren Geräten eine versiegelte Kapillare hatte, wodurch es weniger von Luftdruckschwankungen beeinflusst wurde. Es stellte damit in der Geschichte der Thermometrie einen wichtigen Schritt zur Entwicklung stabiler Temperaturskalen dar.
Die Medici-Thermometer legten den Grundstein für die späteren Arbeiten von Daniel Gabriel Fahrenheit, der im 18. Jahrhundert das Quecksilberthermometer erfand.
Die Arbeiten von Santorio Santorio und Ferdinand II. von Medici markierten einen ersten Wendepunkt in der Geschichte der Temperaturmessung.
Das erste skalierte Thermometer von Santorio und das weiterentwickeltes Flüssigkeitsthermometer, das weniger vom Luftdruck beeinflusst war, ebneten den Weg für die späteren Temperaturskalen und die Entwicklung präziserer Messinstrumente.
Geschichte der Thermometrie: Erste Temperaturskalen
Mit der Entwicklung der ersten Thermometer im 17. Jahrhundert entstand in der Geschichte der Thermometrie die Notwendigkeit, Temperaturmessungen vergleichbar zu machen. Ohne eine einheitliche Skala waren Temperaturangaben rein relativ und von individuellen Messinstrumenten abhängig. Die ersten Versuche, eine Temperaturskala zu definieren, stammen von verschiedenen Wissenschaftlern, die unterschiedliche Bezugspunkte verwendeten.
Ole Rømer und die erste dokumentierte Temperaturskala (1701)
Der dänische Astronom und Physiker Ole Rømer (1644–1710) war einer der Ersten, der eine systematische Temperaturskala entwickelte. Seine Skala setzte den Gefrierpunkt von Wasser bei 7,5° und den Siedepunkt bei 60° an. Dies machte Temperaturmessungen erstmals reproduzierbar.
Rømers Skala hatte jedoch einige Nachteile: Die Wahl seiner Fixpunkte war willkürlich, und die Einteilung war nicht besonders praktisch. Dennoch war es ein wichtiger Schritt zur Standardisierung der Temperaturmessung.
Isaac Newtons Temperaturskala (1701)
Fast zeitgleich schlug Isaac Newton (1643–1727) eine Temperaturskala vor, die sich stärker an praktischen Erfahrungen orientierte.
Anstatt absolute Fixpunkte wie den Gefrier- oder Siedepunkt von Wasser zu nutzen, orientierte sich Newton erstmals in der Geschichte der Thermometrie an alltäglichen Temperaturphänomenen und ordnete ihnen Werte auf einer Skala zu. Zu seinen etwa 20 Skalenpunkten gehörten unter anderem „kalte Luft im Winter“ als niedriger Referenzpunkt und „glühende Kohlen im Küchenfeuer“ als oberer Fixpunkt.
Später setzte Newton als Referenzpunkt die Temperatur von schmelzendem Schnee (0°) und maß andere Temperaturen relativ dazu anhand der Ausdehnung von Quecksilber.
Newtons Skala war vor allem für wissenschaftliche Zwecke gedacht und wurde später durch präzisere Skalen ersetzt. Dennoch war sie wichtig auf dem Weg zur modernen Thermometrie.
Entwicklung einheitlicher Temperaturskalen
Die Grundlagen für präzisere Skalen
Die frühen Temperaturskalen waren noch nicht universell standardisiert. Unterschiedliche Forscher verwendeten unterschiedliche Fixpunkte, und viele Skalen basierten auf subjektiven Erfahrungswerten. Die Skalen, wie die von Ole Rømer (1701) oder Isaac Newton (1701), waren in der Entstehung. Mit der Weiterentwicklung der Thermometrie im 18. Jahrhundert wurde klar, dass in der Geschichte der Thermometrie eine einheitliche Temperaturskala erforderlich war.
Erst im 18. Jahrhundert gelang es Wissenschaftlern wie Daniel Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius und René Antoine Ferchault de Réaumur, allgemein anerkannte Skalen zu entwickeln, die schließlich zur Grundlage der modernen Temperaturmessung wurden.
Daniel Gabriel Fahrenheit (1724) – Quecksilberthermometer und Fahrenheit-Skala
Im Jahr 1724 führte der deutsche Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) eine der ersten standardisierten Temperaturskalen ein, die heute noch in z.B. den USA verwendet wird. Neben der Skala entwickelte er auch das erste zuverlässige Quecksilberthermometer, das genauere Messungen als frühere Alkoholthermometer ermöglichte.
Das Quecksilberthermometer – Präzisere Messungen
Fahrenheit experimentierte zunächst mit Alkoholthermometern, stellte jedoch fest, dass Alkohol bei niedrigen Temperaturen gefriert und sich bei höheren Temperaturen ungleichmäßig ausdehnt. Daher begann er, Quecksilber als Messflüssigkeit zu verwenden.
Die Vorteile von Quecksilber:
- Bleibt flüssig in einem großen Temperaturbereich (-39 °C bis 357 °C).
- Dehnt sich linear aus, was genauere Messungen ermöglicht.
- Verdunstet nicht leicht, was die Lebensdauer des Thermometers verlängert.
Mit diesen Eigenschaften wurde das Quecksilberthermometer zur Standardmethode für Temperaturmessungen in Wissenschaft und Technik.
Die Fahrenheit-Skala – Drei Fixpunkte für Temperaturmessungen
Fahrenheit legte drei Fixpunkte für seine Temperaturskala fest:
- 0 °F: Die tiefste Temperatur, die er mit einer Mischung aus Eis, Wasser und Salmiak erzeugte
- 32 °F: Gefrierpunkt von Wasser
- 96 °F: Körpertemperatur eines „gesunden Menschen“
- 212 °F: Siedepunkt von Wasser
Diese Fixpunkte ermöglichten eine reproduzierbare Skala, die unabhängig von einzelnen Thermometern funktionierte.
Die Fahrenheit-Skala setzte sich in England und den britischen Kolonien schnell durch, wurde aber im Laufe des 19. und 20. Jahrhunderts in den meisten Ländern durch die Celsius-Skala ersetzt. Heute wird sie fast ausschließlich in den Vereinigten Staaten verwendet.
Die Réaumur-Skala (1730)
Der französische Wissenschaftler René Antoine Ferchault de Réaumur (1683–1757) entwickelte 1730 eine Temperaturskala für Alkoholthermometer, die in Frankreich und Teilen Europas lange verwendet wurde.
Merkmale der Réaumur-Skala
- 0 °Ré: Gefrierpunkt von Wasser
- 80 °Ré: Siedepunkt von Wasser
Réaumur wählte eine Einteilung in 80 Grad, da er annahm, dass Alkohol sich linear mit der Temperatur ausdehnt. Diese Annahme erwies sich jedoch als ungenau, da sich Flüssigkeiten bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich ausdehnen.
Die Réaumur-Skala wurde vor allem in Frankreich, Italien und Russland genutzt, verlor jedoch in der Geschichte der Thermometrie mit der Einführung der Celsius-Skala zunehmend an Bedeutung.
Anders Celsius (1742) – Celsius-Skala
Der schwedische Astronom und Physiker Anders Celsius (1701–1744) entwickelte im Jahr 1742 eine neue Temperaturskala, die sich später als internationaler Standard durchsetzte. Im Gegensatz zur Fahrenheit-Skala verwendete Celsius eine dezimale Einteilung, die eine intuitive Handhabung ermöglichte.
Die Celsius-Skala
In seiner Arbeit Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer schlug Celsius eine Temperaturskala mit zwei Fixpunkten bei Normaldruck vor:
- 0 °C: Der Siedepunkt von Wasser.
- 100 °C: Der Gefrierpunkt von Wasser.
Diese umgekehrte Skalierung war zunächst ungewöhnlich. Nach Celsius’ Tod im Jahr 1744 setzten sich seine Schüler, insbesondere Carl von Linné (1707–1778), für eine Umkehrung der Skala ein – Ein besonderer Vorgang in der Geschichte der Thermometrie. Dadurch wurde der Gefrierpunkt auf 0 °C und der Siedepunkt auf 100 °C festgelegt – eine intuitivere Ordnung, die sich weltweit durchsetzte.
Vorteile der Celsius-Skala
Die Celsius-Skala hatte zwei große Vorteile gegenüber früheren Temperaturskalen:
- Einfache Handhabung: Die dezimale Einteilung in 100 Schritte erleichterte Messungen und Berechnungen.
- Präzise Fixpunkte: Die Skala basierte auf den physischen Eigenschaften von Wasser (bei Normaldruck), die überall reproduzierbar waren.
Celsius-Skala und ihre heutige Bedeutung
Heute ist die Celsius-Skala als Grad Celsius (°C) eine der am weitesten verbreiteten Temperaturskalen und wird in fast in allen Ländern als Standard zur Temperaturmessungen verwendet. Nur in den USA und einigen wenigen Ländern wird noch die Fahrenheit-Skala genutzt.
Die Celsius-Skala bildet auch die Grundlage für die Kelvin-Skala (K), die in der Wissenschaft verwendet wird. Dabei gilt:
0 °C = 273,15 K (Kelvin beginnt beim absoluten Nullpunkt).
Die Einführung der Celsius-Skala war ein weiterer großer Schritt in der Thermometrie. Durch ihre einfache Einteilung, klare Fixpunkte und intuitive Handhabung wurde sie schnell zum internationalen Standard. Obwohl Anders Celsius selbst die heutige Skalierung nicht mehr erlebte, gehört seine Arbeit zu den wichtigsten Entwicklungen in der Geschichte der Temperaturmessung.
Die Kelvin-Skala (1848)
Im Jahr 1848 führte der schottische Physiker William Thomson, Lord Kelvin (1824–1907) die erste absolute Temperaturskala ein. Ein bedeutender Schritt in der Geschichte der Thermometrie! Die Kelvin-Skala (K) basiert auf dem absoluten Nullpunkt, dem tiefstmöglichen Temperaturwert, bei dem alle thermischen Bewegungen aufhören. Die Kelvin-Skala (1848) ist die erste wissenschaftlich fundierte absolute Temperaturskala.
Merkmale der Kelvin-Skala:
- 0 K: Absoluter Nullpunkt (-273,15 °C).
- 273,15 K: Gefrierpunkt von Wasser (0 °C).
- 373,15 K: Siedepunkt von Wasser (100 °C).
Die Kelvin-Skala wird insbesondere in der Wissenschaft, Physik und Thermodynamik verwendet, da sie unabhängig von spezifischen Fixpunkten ist und auf der Energiebewegung von Teilchen basiert.
Die Kelvin-Skala ist heute die offizielle Temperaturskala des Internationalen Einheitensystems (SI). Ein große Vorteil der Kelvin Skala ist es, dass sie Temperaturwerte ohne negative Zahlen ermöglicht.
Fortschritte im 19. und 20. Jahrhundert
Mit dem Aufschwung der modernen Wissenschaft und Technik brachten das 19. und 20. Jahrhundert große Fortschritte in der Temperaturmessung. Es wurden vor allem neue Temperaturskalen entwickelt, und die Forschung konzentrierte sich auf präzisere Messmethoden und neue Technologien.
Vor allem die Einführung der Platin-Widerstandsthermometrie und der Thermoelemente verbesserten die industrielle und wissenschaftliche Temperaturmessung und führten zu großen Fortschritten in der Geschichte der Thermometrie.
Entwicklung von Widerstandsthermometern (Siemens & Callendar, 1871–1887)
Die Einführung von elektrischen Widerstandsthermometern im späten 19. Jahrhundert war ein bedeutender Fortschritt in der Temperaturmessung. Während zuvor Flüssigkeitsthermometer dominierten, ermöglichten Widerstandsthermometer erstmals hochpräzise und reproduzierbare Temperaturmessungen. Zwei Wissenschaftler spielten eine zentrale Rolle in dieser Entwicklung:
- Werner von Siemens (1871): Erste Experimente mit Widerstandsthermometern auf Basis von Platin.
- Hugh Longbourne Callendar (1887): Präzisierung der Messmethoden und Einführung der Platin-Widerstandsthermometer (PRTs) für wissenschaftliche Anwendungen.
Werner von Siemens (1871): Erste Konzepte zur Widerstandsthermometrie
Der deutsche Erfinder und Ingenieur Werner von Siemens (1816–1892) war der Erste, der 1871 erkannte, dass der elektrische Widerstand eines Drahtes sich mit der Temperatur verändert und als Messgröße genutzt werden kann. Er schlug vor, Metalle als Temperatursensoren einzusetzen, da ihr Widerstand mit der Temperatur auf vorhersehbare Weise steigt.
Siemens verwendete zunächst Kupfer- und Eisendrähte, stellte jedoch fest, dass diese Materialien über lange Zeiträume nicht stabil genug waren. Deswegen setzte er seine Entwicklungsarbeit mit Platin als Widerstandsmaterial fort.
Callendar (1887): Platin als ideales Material für Widerstandsthermometer
Im Jahr 1887 verfeinerte der britische Physiker Hugh Longbourne Callendar (1863–1930) die Widerstandsthermometrie und entwickelte das erste präzise Platin-Widerstandsthermometer (PRT).
Warum Platin?
Callendar stellte wie Werner von Siemens fest, dass Platin ideal für Widerstandsthermometer ist, weil es:
- Höchste Stabilität über lange Zeiträume bietet.
- Nahezu linearen Widerstandsanstieg mit der Temperatur zeigt.
- Einen hohen Schmelzpunkt (1768 °C) hat und sich für weite Temperaturbereiche eignet.
Er bestimmte eine Widerstands-Temperatur-Beziehung und entwickelte eine empirische Gleichung zur Temperaturberechnung:
[
R_T = R_0 (1 + \alpha T)
]
wobei:
- ( R_T ) der Widerstand bei Temperatur ( T ) ist,
- ( R_0 ) der Widerstand bei 0 °C,
- ( \alpha ) der Temperaturkoeffizient von Platin.
Diese Gleichung war der erste standardisierte Ansatz zur elektrischen Temperaturmessung und wurde später zur Grundlage der Platin-Widerstandsthermometer (PRTs).
Die Callendar-Van-Dusen-Gleichung (CvD-Gleichung) erweitert die ursprüngliche empirische Formel von Hugh Callendar und beschreibt die nichtlineare Widerstands-Temperatur-Beziehung von Platin-Widerstandsthermometern (PRTs) im Bereich von -200 °C bis 850 °C, wodurch hochpräzise Temperaturmessungen möglich sind. Dieser Schritt ist in der Geschichte der Thermometrie von große Bedeutung, da die so genannte Callendar-Van-Dusen-Gleichung heute noch verwendet wird.
Von Callendars Thermometer zur modernen Widerstandsthermometrie
Nach Callendars Arbeiten wurden Platin-Widerstandsthermometer (PRTs) weiter verbessert und später in der Internationalen Temperaturskala (ITS-90) als Standard-Platin-Widerstandsthermometer (SPRTs) festgelegt.
Wichtige Weiterentwicklungen in der Geschichte der Thermometrie:
- Einführung von geschützten Drahtwicklungen, um mechanische Spannungen zu minimieren.
- Verbesserung der Langzeitstabilität durch hochreines Platin.
- Optimierung von Messbrücken, um extrem kleine Widerstandsänderungen präzise zu erfassen.
Heute sind Platin-Widerstandsthermometer die genauesten elektrischen Thermometer.
Thermoelemente
Thermoelemente sind eine der vielseitigsten Methoden zur Temperaturmessung und werden weltweit in Industrie, Wissenschaft und Forschung eingesetzt. Sie basieren auf dem Seebeck-Effekt, der erstmals im 19. Jahrhundert entdeckt wurde.
Der Seebeck-Effekt – Grundlage der Thermoelemente
Der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck (1770–1831) entdeckte im Jahr 1821, dass in einem geschlossenen Stromkreis aus zwei unterschiedlichen Metallen eine elektrische Spannung entsteht, wenn die beiden Kontaktstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Dieses Phänomen wird als Seebeck-Effekt bezeichnet und bildet die Grundlage für Thermoelemente.
Prinzip:
- Ein Thermoelement besteht aus zwei verschiedenen Metallen (oft Legierungen), die an beiden Enden verbunden sind.
- Eine Verbindung (Messstelle) wird erhitzt oder gekühlt, während die andere auf einer Referenztemperatur (sog. Thermoelement Vergleichsstelle oder Kaltstelle) bleibt.
- Durch die Temperaturdifferenz entsteht eine elektrische Spannung, die direkt mit der Temperatur korreliert. Diese Spannung wird Thermospannung genannt.
Entwicklung und Standardisierung von Thermoelementen
Nach Seebecks Entdeckung wurde die Technologie weiterentwickelt:
- 1826:Jean Charles Athanase Peltier entdeckte den umgekehrten Effekt (Peltier-Effekt), der zeigt, dass elektrische Ströme Temperaturdifferenzen erzeugen können.
- 20. Jahrhundert: Thermoelemente wurden standardisiert und für industrielle Anwendungen optimiert. Heute sind Thermoelemente nach internationalen Normen genormt, z. B. IEC 60584 und IEC 62460.
Gängige Thermoelement-Typen und ihre Eigenschaften
| Typ | + Schenkel | – Schenkel | Messbereich 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 | |||
Vorteile und Nachteile von Thermoelementen
Vorteile:
✔️ Sehr breiter Temperaturbereich (von -270 °C bis 1820 °C).
✔️ Robuste Bauweise, widerstandsfähig gegenüber Vibrationen und mechanischen Belastungen.
✔️ Schnelle Reaktionszeit bei Temperaturänderungen.
✔️ Kein externes Speisesignal erforderlich (Eigenenergie durch Seebeck-Effekt).
Nachteile:
❌ Geringere Genauigkeit als Widerstandsthermometer (SPRTs, PRTs).
❌ Thermospannung ist nicht linear – Kalibrierung oder Korrekturtabellen erforderlich.
❌ Elektromagnetische Störungen können das Signal beeinflussen.
Thermoelemente sind eine preiswerte, robuste und vielseitige Methode zur Temperaturmessung und haben sich in zahlreichen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen bewährt. Obwohl sie nicht die Präzision von Widerstandsthermometern oder SPRTs erreichen, sind sie aufgrund ihrer geringen Kosten, breiten Einsatzmöglichkeiten und hohen Temperaturbereiche beliebt.
Internationale Temperaturskalen
Um weltweit einheitliche Temperaturmessungen zu ermöglichen, wurden über die Jahre verschiedene internationale Temperaturskalen entwickelt. Während frühe Messverfahren oft auf individuellen Skalen basierten, war es in der Geschichte der Thermometrie notwendig, eine einheitliche Referenz zu schaffen.
Bereits im 19. Jahrhundert wurden erste Versuche unternommen, Temperaturskalen auf festen thermodynamischen Fixpunkten zu basieren.
Internationale Wasserstoff-Skala (1887)
Die Internationale Wasserstoff-Skala wurde 1887 eingeführt und war einer der ersten Versuche, eine einheitliche Temperaturskala auf einer fundamentalen physikalischen Basis zu etablieren. Sie basierte auf den Eigenschaften eines Gasthermometers, das mit Wasserstoff als Messgas betrieben wurde.
Die Wasserstoff-Skala nutzte ein konstantes Volumen-Gasthermometer, das die Temperatur anhand der Druckänderung von Wasserstoff bei konstantem Volumen bestimmte. Grundlage war das Gesetz von Gay-Lussac, das besagt, dass sich der Druck eines idealen Gases bei konstantem Volumen linear mit der Temperatur ändert.
Internationale Temperaturskala von 1927 (ITS-27)
Die Internationale Temperaturskala von 1927 (ITS-27) war die erste offiziell definierte Temperaturskala, die als weltweiter Standard für präzise Temperaturmessungen eingeführt wurde.
Die Einführung der ITS-27 durch das Internationale Komitee für Maße und Gewichte (CIPM) sollte eine einheitliche Skala für Wissenschaft und Technik schaffen.
Die ITS-27 basierte auf definierenden Temperatur-Fixpunkten, die sich an den Phasenübergängen reiner Substanzen orientierten.
Die ITS-27 war ein großer Fortschritt, da sie erstmals eine weltweit einheitliche und präzise Temperaturskala definierte. Sie wurde in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen weit verbreitet genutzt.
Internationale Praktische Temperaturskala von 1948 (IPTS-48)
Die Internationale Praktische Temperaturskala von 1948 (IPTS-48) wurde als Nachfolger der ITS-27 eingeführt, um die Temperaturmessung weiter zu verbessern und an neue wissenschaftliche Erkenntnisse anzupassen.
Gründe für die Einführung der IPTS-48
Die ITS-27 hatte einige Schwächen, insbesondere:
- Ungenauigkeiten bei niedrigen Temperaturen, da sich Wasserstoff-Gasthermometer nicht ideal verhielten.
- Messabweichungen bei hohen Temperaturen, die durch Strahlungsthermometrie entstanden.
- Weiterentwicklung von Widerstandsthermometern, die eine genauere Skalierung erforderten.
Mit der IPTS-48 wurde eine genauere Definition der Fixpunkte und Interpolationsmethoden eingeführt.
Internationale Praktische Temperaturskala von 1968 (IPTS-68)
Die Internationale Praktische Temperaturskala von 1968 (IPTS-68) war eine überarbeitete Version der IPTS-48 und wurde eingeführt, um die Genauigkeit der Temperaturmessung weiter zu verbessern. Sie war bis zur Einführung der ITS-90 die weltweit anerkannte Temperaturskala.
Verbesserungen gegenüber der IPTS-48
Die IPTS-68 brachte mehrere wichtige Änderungen mit sich:
- Neue Temperatur-Fixpunkte, insbesondere bei sehr niedrigen und sehr hohen Temperaturen.
- Optimierte Interpolationsmethoden für genauere Temperaturmessungen.
- Erweiterte Nutzung von Platin-Widerstandsthermometern (PRTs) für eine präzisere Bestimmung der Temperatur.
Nachteile und Ablösung durch die ITS-90
Obwohl die IPTS-68 präzisere Temperaturmessungen ermöglichte, gab es einige bekannte Probleme:
- Messabweichungen in bestimmten Temperaturbereichen.
- Nicht ideale Rückführbarkeit auf die thermodynamische Temperaturskala.
- Unterschiedliche Skalierungsfaktoren, die zu kleinen Diskrepanzen in verschiedenen Anwendungen führten.
Aufgrund dieser Einschränkungen wurde die IPTS-68 schließlich 1990 durch die ITS-90 ersetzt, die eine bessere thermodynamische Konsistenz und höhere Genauigkeit bietet.
Moderne Präzisionsthermometrie
Die Temperaturmessung hat sich seit den ersten Thermoskopen und Flüssigkeitsthermometern enorm weiterentwickelt. Während frühere Thermometer oft durch äußere Einflüsse wie Luftdruckschwankungen oder Verdunstung ungenau waren, ermöglichen moderne Präzisionsthermometer eine extrem genaue Temperaturbestimmung bis in den Mikrokelvin-Bereich.
Dank hochentwickelter Sensoren können heute Temperaturen mit einer Präzision von bis zu wenigen Millionstel Grad gemessen werden. Die Entwicklung der Internationalen Temperaturskala (ITS-90) hat zudem ein einheitliches Referenzsystem für hochpräzise Temperaturmessungen geschaffen.
Standard-Platin-Widerstandsthermometer (SPRTs) sind die präzisesten Widerstandsthermometer und bilden das primäre Interpolationsinstrument der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90), wodurch hochgenaue Temperaturmessungen von -200 °C bis 961,78 °C ermöglicht werden.
Internationale Temperaturskala (ITS-90)
Die Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90) ist die weltweit anerkannte Referenz für hochpräzise Temperaturmessungen. Sie wurde von der Internationalen Kommission für Maße und Gewichte (CIPM) eingeführt und ersetzt frühere Skalen wie die IPTS-68 (Internationale Praktische Temperaturskala von 1968). Die ITS-90 dient als praktische Realisierung der thermodynamischen Temperaturskala, indem sie eine Reihe von definierenden Fixpunkten zur präzisen Bestimmung der Temperatur festlegt.
Mit der ITS-90 wurden Standard-Platin-Widerstandsthermometern SPRT als Interpolationsinstrument im Bereich von 13,8033 K (Tripelpunkt von Wasserstoff) bis 961,78 °C (Erstarrungspunkt von Silber) festgelegt.
Die ITS-90 ist die präziseste und international standardisierte Temperaturskala und wird in vielen Bereichen eingesetzt. Sie stellt den aktuellen internationalen Standard für präzise Temperaturmessungen dar. Durch ihre Temperatur-Fixpunkte und Interpolationsinstrumente ermöglicht sie eine weltweit einheitliche und reproduzierbare Temperaturbestimmung.
Temperatur Fixpunkte der ITS-90
| Nr. | T90 in K | t90 in °C | Stoff | Darstellung |
| 1 | 3 bis 5 | -270 bis 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-Präzisionsmessung – John P. Tavener und das Kupfer-Fixpunkt-SPRT
Basierend auf den Arbeiten von John P. Tavener (1942-2020) stellt die Entwicklung eines neuen Standard-Platin-Widerstandsthermometers (SPRT) für den Kupfer- Temperatur-Fixpunkt (1084,62 °C) einen vorläufigen Höhepunkt in der Geschichte der Thermometrie dar. Bisherige SPRTs waren auf den Silber-Fixpunkt (961,78 °C) begrenzt, da bei höheren Temperaturen Probleme mit Materialstabilität und Kontamination auftraten. Tavener löste dieses Problem durch den Einsatz eines synthetischen Saphir-Trägers für die Platinwicklung und eines Alumina-Schutzrohrs, das mit einem leichten Überdruck an Sauerstoff versorgt wird. Dies verhindert das Eindringen von Verunreinigungen und sorgt für eine stabile Oxidationsumgebung, die für Platin notwendig ist. Zusätzlich wurde das Thermometer mit einer +9V DC-Biasierung versehen, um die Isolationseigenschaften zu verbessern und ionische Verunreinigungen durch ein elektrisches Feld aktiv abzustoßen.
Tests über mehrere hundert Stunden bei Temperaturen bis zu 1090 °C zeigten eine außergewöhnliche Langzeitstabilität mit einer Drift von nur 0,1 mK/h. Während frühere Versuche mit Saphir-Schutzrohren aufgrund thermischer Spannungen scheiterten, zeigte dieses neue Design eine bisher unerreichte Reproduzierbarkeit und eignet sich damit zur Charakterisierung von Kupfer-Temperatur-Fixpunktzellen mit bislang unerreichter Messunsicherheit.
Mit der Entwicklung dieses hochpräzisen SPRTs für den Kupfer-Fixpunkt erreicht die Geschichte der Thermometrie einen vorläufigen Höhepunkt – von der Antike über den ersten einfachen Thermoskopen bis hin zur modernen Präzisionsthermometrie, die heute Temperaturmessungen mit einer bisher unerreichten Genauigkeit ermöglicht.
Quellen
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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
Porträt von Galileo Galilei, gemalt von Domenico Tintoretto (1602–1607), Foto vom National Maritime Museum, Greenwich, London, verfügbar auf Wikimedia Commons
Foto des Thermoskops von Galileo Galilei im Musée des Arts et Métiers, aufgenommen von Chatsam, lizenziert unter CC BY-SA 3.0 – verfügbar auf Wikimedia Commons
Medici-Thermometer – Accademia del Cimento. (1667) – Saggi di Naturali Esperienze
Porträt von Sir Isaac Newton, English School, ca. 1715–1720 – Wikimedia Commons
Réaumur, R. A. F. (1730). Observations sur la Construction des Thermomètres
Porträt von René-Antoine Ferchault de Réaumur aus ‘Galerie des naturalistes’ von Jules Pizzetta, 1893 – verfügbar auf Wikimedia Commons
Porträt von Anders Celsius gemalt von Olof Arenius – Wikimedia Commons
Celsius, A. (1742) – Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer – Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar.
Porträt von William Thomson – 1. Baron Kelvin – 1906 – Wikimedia Commons
Porträt von Werner von Siemens fotografiert von Giacomo Brogi – Wikimedia Commons
Porträt von Hugh Longbourne Callendar – um 1900 – unbekannter Fotograf – gemeinfrei – via Wikimedia Commons
Porträt von Thomas Johann Seebeck – frühes 19. Jahrhundert, abgebildet in “Goethe und seine Welt” von Hans Wahl und Anton Kippenberg – 1932 – Wikimedia Commons
