Termometriens historia – Från början till precision

Inledning – Termometriens historia

Temperatur är en av de viktigaste fysikaliska storheterna i vår vardag. Utan exakt temperaturmätning skulle många saker vara mer komplicerade eller till och med farliga. Men så har det inte alltid varit. Under århundraden hade människor ingen möjlighet att mäta temperaturen exakt. Först med utvecklingen av de första termometrarna på 1500- och 1600-talet började en ny era av vetenskap och teknik. Hur har termometrar utvecklats med tiden? Vilka milstolpar har tagit temperaturmätningen till dagens precisionsnivå?

Varför är temperaturmätning viktigt?

Temperaturen påverkar vårt dagliga liv mer än vi ofta är medvetna om. Från morgonens grepp efter jackan till det perfekt bryggda kaffet till värmestyrningen på vintern – utan exakt temperaturmätning skulle mycket vara opraktiskt eller till och med farligt.

Redan i köket spelar temperaturen en viktig roll. Vid matlagning eller bakning avgör den smak och konsistens. En biff blir bara perfekt om rätt kärntemperatur uppnås, och choklad smälter vid kroppstemperatur – vilket är varför den smälter så behagligt på tungan. Även kaffe smakar bara riktigt gott om det är tillräckligt varmt, men inte så varmt att man bränner tungan.

Inte bara vid tillagningen, utan även vid förvaringen av livsmedel är temperaturen viktig. Ett kylskåp måste vara tillräckligt kallt för att hålla maten färsk, men inte så kallt att frukt och grönsaker fryser.

Inom hälsovården är temperaturmätning oumbärlig. Om vi har feber ger en termometer oss omedelbart en uppfattning om det är en ofarlig förkylning eller möjligen en allvarligare sjukdom.

En snabb blick på termometern avgör ofta hur vi klär oss eller vilka aktiviteter vi ägnar oss åt. Är det frostigt ute klär vi oss varmt, vid höga temperaturer tar vi på oss lätta kläder. Temperaturen är också avgörande för vår säkerhet i trafiken: Vid minusgrader kan det bildas is.

I slutändan är temperaturmätning en osynlig hjälpare som gör våra liv säkrare, bekvämare och hälsosammare. Oavsett om det är vid frukosten, på jobbet eller på gatan – den bestämmer många beslut utan att vi märker det medvetet.

Kort förhandsvisning av termometriens historia

Temperaturmätningens historia går långt tillbaka. Redan i antiken försökte lärda förstå värme och kyla, men först på 1500- och 1600-talet uppstod de första mätbara skalorna. Galileo Galilei utvecklade omkring 1593 det första termoskopet, som synliggjorde temperaturförändringar, men ännu inte gav exakta värden. På 1700-talet introducerade forskare som Fahrenheit, Celsius och Réaumur exakta temperaturskalor som lade grunden för moderna mätmetoder. Med den industriella revolutionen uppstod nya tekniker som kvicksilvertermometern, elektriska motståndstermometrar och senare digitala sensorer.

Idag möjliggör den Internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) en högprecis och globalt enhetlig temperaturmätning. Den baseras på definierade fixpunkter, inklusive vattnets trippelpunkt (0,01 °C).

I högprecisionsmätning används standard-platinamotståndstermometrar (SPRT) som möjliggör mätningar med en noggrannhet i mikrokelvinområdet.

Termometriens historia visar hur ursprungligen enkla observationer blev en vetenskaplig standard.

Tidiga försök till temperaturmätning

Innan det fanns termometrar var människor tvungna att uppskatta temperaturskillnader på enkla och ofta subjektiva sätt. I antiken fanns det ännu inga skalor eller exakta mätmetoder, men olika kulturer utvecklade metoder för att grovt bedöma värme och kyla.

Den enklaste metoden: Känna med handen

Det mest uppenbara sättet att bedöma temperaturen var genom beröring. Människor höll sina händer i solen, i vatten eller i vinden för att känna värme eller kyla. Men denna metod är felbenägen – vår hud anpassar sig snabbt till temperaturer, så att vi ofta bara uppfattar relativa skillnader.

Luftutvidgning som tidig temperaturindikator

Redan i antiken observerade lärda att luft expanderar när den värms upp och drar ihop sig när den kyls ner. Även om inga specifika personer har nedtecknats med namn som gjorde denna observation, använde tidiga forskare denna princip för att utveckla enkla apparater som baserades på luftutvidgning.

Medicinsk betydelse: Kroppens temperatur

I antikens medicin spelade temperaturen en viktig roll i termometriens historia. Den grekiska läkaren Hippokrates (ca 460–370 f.Kr.) rekommenderade att man bedömde en patients temperatur genom att beröra pannan eller händerna. Detta var en tidig form av diagnos som fortfarande används inom medicinen idag – även om vi idag har febertermometrar.

Antikens metoder var visserligen rudimentära, men de lade grunden för senare utvecklingar. Observationen av luftutvidgning ledde senare till utvecklingen av termoskopet, och den medicinska temperaturbedömningen visade hur viktig termometrin är för vardagen.

Första teoretiska överväganden i antiken (t.ex. av filosofer som Empedokles eller Aristoteles)

Långt innan det fanns termometrar sysselsatte sig antika filosofer med begreppen värme och kyla. Eftersom de ännu inte hade några fysikaliska mätmetoder tolkade de temperaturen utifrån naturliga fenomen och filosofiska principer. Två av de viktigaste tänkarna inom detta område var Empedokles (5:e århundradet f.Kr.) och Aristoteles (4:e århundradet f.Kr.), vars idéer påverkade det vetenskapliga tänkandet i århundraden.

Empedokles: De fyra elementens lära och temperatur som en egenskap hos materien

I termometriens historia var Empedokles en av de första filosoferna som försökte förklara naturen genom grundläggande element. Han utvecklade de fyra elementens lära, enligt vilken allt består av de fyra grundämnena eld, vatten, luft och jord. Värme associerades med eld och luft, medan kyla förknippades med vatten och jord. Enligt denna teori var temperaturen ingen självständig fysikalisk storhet, utan en egenskap hos själva elementen.

Detta tillvägagångssätt användes som grund för naturvetenskapen i århundraden. Först mycket senare insåg man att temperaturen inte beror på de fyra elementen, utan på molekylernas rörelse – ett koncept som först utvecklades i modern tid genom den kinetiska gasteorin.

Aristoteles: Värme som motsats till kyla

Aristoteles utvidgade Empedokles idéer och skapade en modell där värme och kyla verkade som motsatta principer. Han trodde att varje material av naturen hade en viss ”naturlig värme” eller ”naturlig kyla” som kunde förändras genom yttre påverkan. Enligt Aristoteles var värme förknippad med uppstigande (t.ex. varm luft eller lågor), medan kyla ledde till förtätning och nedkylning.

Aristoteles tilldelade de fyra elementen specifika egenskaper:
• Eld: het och torr
• Vatten: kallt och fuktigt
• Jord: kall och torr
• Luft: het och fuktig

Dessa tilldelningar utgjorde grunden för hans förståelse av värme och kyla som grundläggande egenskaper hos materien.

Dessa idéer användes vidare i termometriens historia inom medicin, alkemi och naturfilosofi i århundraden. Särskilt inom Hippokrates och Galens humorala medicin spelade temperaturen en stor roll – man trodde att balansen mellan ”heta” och ”kalla” vätskor i kroppen bestämde hälsan.

Från filosofi till mätvetenskap

Även om de antika teorierna i termometriens historia ännu inte möjliggjorde exakta mätningar, lade de grunden för den vetenskapliga förståelsen av temperatur. Föreställningen att värme och kyla är naturliga, mätbara storheter ledde slutligen till utvecklingen av de första temperaturmätningsapparaterna på 1500- och 1600-talet.

Idag vet vi att temperaturen är en följd av atomers och molekylers rörelse – ett koncept som har lite att göra med de antika föreställningarna. Ändå kvarstår insikten i termometriens historia att filosofer redan för över 2000 år sedan försökte förklara temperaturen systematiskt.

Uppfinningen av de första termometrarna

1500-talet – Galileo Galilei och termoskopet (ca 1593)

I slutet av 1500-talet började den systematiska utforskningen av temperaturmätning i termometriens historia. En av de första betydande utvecklingarna var termoskopet, som tillskrivs Galileo Galilei (ca 1593). Faktum är att det exakta upphovsmannaskapet är omtvistat, eftersom även andra forskare som Giambattista della Porta beskrev liknande apparater. Säkert är dock att Galilei vidareutvecklade konceptet och använde det för första gången för fysikaliska observationer.

Termoskopet var en enkel apparat som kunde synliggöra temperaturförändringar. Det bestod av en med luft fylld glaskula som via ett smalt rör ledde ner i ett vattenkärl. Om luften i kulan värmdes upp expanderade den och tryckte ner vattnet i röret. Om luften kyldes ner drog den ihop sig och vattnet steg upp igen. Därmed kunde man för första gången i termometriens historia kvalitativt observera en förändring av temperaturen, men det saknades en enhetlig skala för att bestämma exakta mätvärden.

Ett stort problem med termoskopet var att det inte bara reagerade på temperatur, utan även på lufttrycksförändringar. Detta beroende gjorde exakta mätningar svåra och ledde senare till utvecklingen av termometrar med vätskor som alkohol eller kvicksilver, som fungerade oberoende av omgivningstrycket.

Trots dessa begränsningar var termoskopet en betydande milstolpe. Det lade grunden för de senare utvecklingarna inom termometrin och inspirerade forskare som Santorio Santorio, som som förste anbringade en skala för att numeriskt registrera temperaturskillnader. Därmed var termoskopet det första försöket att systematiskt synliggöra temperaturförändringar.

1600-talet – De första skalade termometrarna av Santorio Santorio och Ferdinand II av Medici

Under 1600-talet gjordes stora framsteg i termometriens historia. Medan Galileo Galileis termoskop redan kunde synliggöra temperaturförändringar saknade det en skala för att erhålla mätbara värden. Två forskare spelade en viktig roll i termometriens historia: Santorio Santorio och Ferdinand II av Medici.

Santorio Santorio: Den första skalade termometern (ca 1612)

Den italienska läkaren och vetenskapsmannen Santorio Santorio (1561–1636) var i termometriens historia en av de första som utvecklade en termometer med skala. Santorio var känd för sina arbeten inom medicinsk mätteknik och kombinerade principen för termoskopet med en numerisk skala för att möjliggöra objektiva temperaturjämförelser.

Hans termometer bestod av ett med alkohol fyllt glasrör som var försett med en skala. Det var dock ännu inte helt oberoende av lufttrycket, så att fluktuationer i omgivningen kunde påverka mätresultaten. Ändå var det ett avgörande framsteg, eftersom det för första gången tillät att kvantitativt registrera och jämföra temperaturförändringar. Santorio använde sin termometer särskilt inom medicinen för att mäta kroppstemperaturer – en tidig föregångare till den moderna febertermometern.

Ferdinand II av Medici: Den första slutna vätsketermometern (ca 1654)

Ytterligare ett stort framsteg kom från Ferdinand II av Medici (1610–1670), storhertig av Toscana och hängiven naturvetare. Under hans beskydd utvecklade forskare vid Accademia del Cimento en termometer som använde alkohol eller vin som mätvätska.

Det speciella med den här termometern var att den, jämfört med tidigare instrument, hade en förseglad kapillär, vilket gjorde den mindre påverkad av lufttrycksvariationer. Det var därmed ett viktigt steg i termometrins historia mot utvecklingen av stabila temperaturskalor.

Medici-termometrarna lade grunden för de senare arbetena av Daniel Gabriel Fahrenheit, som under 1700-talet uppfann kvicksilvertermometern.

Arbetena av Santorio Santorio och Ferdinand II av Medici markerade en första vändpunkt i temperaturmätningens historia.

Den första skalindelade termometern av Santorio och den vidareutvecklade vätsketermometern, som var mindre påverkad av lufttrycket, banade väg för de senare temperaturskalorna och utvecklingen av mer precisa mätinstrument.

Termometrins historia: Första temperaturskalorna

Med utvecklingen av de första termometrarna under 1600-talet uppstod i termometrins historia behovet av att göra temperaturmätningar jämförbara. Utan en enhetlig skala var temperaturangivelserna rent relativa och beroende av individuella mätinstrument. De första försöken att definiera en temperaturskala kom från olika vetenskapsmän som använde olika referenspunkter.

Ole Rømer och den första dokumenterade temperaturskalan (1701)

Den danske astronomen och fysikern Ole Rømer (1644–1710) var en av de första som utvecklade en systematisk temperaturskala. Hans skala satte fryspunkten för vatten vid 7,5° och kokpunkten vid 60°. Detta gjorde temperaturmätningar reproducerbara för första gången.

Rømers skala hade dock några nackdelar: Valet av hans fixpunkter var godtyckligt, och indelningen var inte särskilt praktisk. Ändå var det ett viktigt steg mot standardiseringen av temperaturmätningen.

Isaac Newtons temperaturskala (1701)

Nästan samtidigt föreslog Isaac Newton (1643–1727) en temperaturskala som var mer inriktad på praktiska erfarenheter.

Istället för att använda absoluta fixpunkter som fryspunkten eller kokpunkten för vatten, orienterade sig Newton för första gången i termometrins historia mot vardagliga temperaturfenomen och tilldelade dem värden på en skala. Till hans cirka 20 skalpunkter hörde bland annat ”kall luft på vintern” som en låg referenspunkt och ”glödande kol i kökselden” som en övre fixpunkt.

Senare satte Newton temperaturen för smältande snö (0°) som referenspunkt och mätte andra temperaturer relativt till den baserat på kvicksilvers expansion.

Newtons skala var främst avsedd för vetenskapliga ändamål och ersattes senare av mer precisa skalor. Ändå var den viktig på vägen mot modern termometri.

Utveckling av enhetliga temperaturskalor

Grunderna för mer precisa skalor

De tidiga temperaturskalorna var ännu inte universellt standardiserade. Olika forskare använde olika fixpunkter, och många skalor baserades på subjektiva erfarenhetsvärden. Skalorna, som de av Ole Rømer (1701) eller Isaac Newton (1701), var under utveckling. Med den fortsatta utvecklingen av termometrin under 1700-talet blev det tydligt att en enhetlig temperaturskala var nödvändig i termometrins historia.

Först under 1700-talet lyckades vetenskapsmän som Daniel Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius och René Antoine Ferchault de Réaumur utveckla allmänt erkända skalor som så småningom blev grunden för modern temperaturmätning.

Daniel Gabriel Fahrenheit (1724) – Kvicksilvertermometer och Fahrenheit-skalan

År 1724 introducerade den tyska fysikern Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) en av de första standardiserade temperaturskalorna, som fortfarande används i t.ex. USA. Förutom skalan utvecklade han också den första pålitliga kvicksilvertermometern, som möjliggjorde mer exakta mätningar än tidigare alkoholtermometrar.

Kvicksilvertermometern – Mer precisa mätningar

Fahrenheit experimenterade först med alkoholtermometrar, men konstaterade att alkohol fryser vid låga temperaturer och expanderar ojämnt vid högre temperaturer. Därför började han använda kvicksilver som mätvätska.

Fördelarna med kvicksilver:

• Förblir flytande i ett stort temperaturområde (-39 °C till 357 °C).
• Expanderar linjärt, vilket möjliggör mer exakta mätningar.
• Avdunstar inte lätt, vilket förlänger termometerns livslängd.

Med dessa egenskaper blev kvicksilvertermometern standardmetoden för temperaturmätningar inom vetenskap och teknik.

Fahrenheit-skalan – Tre fixpunkter för temperaturmätningar

Fahrenheit fastställde tre fixpunkter för sin temperaturskala:

• 0 °F: Den lägsta temperaturen han kunde skapa med en blandning av is, vatten och salmiak
• 32 °F: Fryspunkt för vatten
• 96 °F: Kroppstemperatur hos en ”frisk människa”
• 212 °F: Kokpunkt för vatten

Dessa fixpunkter möjliggjorde en reproducerbar skala som fungerade oberoende av enskilda termometrar.

Fahrenheit-skalan slog igenom snabbt i England och de brittiska kolonierna, men ersattes under 1800- och 1900-talet i de flesta länder av Celsius-skalan. Idag används den nästan uteslutande i USA.

Réaumur-skalan (1730)

Den franske vetenskapsmannen René Antoine Ferchault de Réaumur (1683–1757) utvecklade 1730 en temperaturskala för alkoholtermometrar som länge användes i Frankrike och delar av Europa.

Egenskaper hos Réaumur-skalan

• 0 °Ré: Fryspunkt för vatten
• 80 °Ré: Kokpunkt för vatten

Réaumur valde en indelning i 80 grader eftersom han antog att alkohol expanderar linjärt med temperaturen. Denna antagande visade sig dock vara felaktigt, eftersom vätskor expanderar olika vid olika temperaturer.

Réaumur-skalan användes främst i Frankrike, Italien och Ryssland, men förlorade i termometrins historia alltmer sin betydelse med införandet av Celsius-skalan.

Anders Celsius (1742) – Celsius-skalan

Den svenske astronomen och fysikern Anders Celsius (1701–1744) utvecklade år 1742 en ny temperaturskala som senare slog igenom som internationell standard. I motsats till Fahrenheit-skalan använde Celsius en decimal indelning, vilket möjliggjorde en intuitiv hantering.

Celsius-skalan

I sitt arbete Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer föreslog Celsius en temperaturskala med två fixpunkter vid normaltryck:

• 0 °C: Kokpunkten för vatten.
• 100 °C: Fryspunkten för vatten.

Denna omvända skalning var först ovanlig. Efter Celsius död år 1744 engagerade sig hans elever, särskilt Carl von Linné (1707–1778), för en omvändning av skalan – en speciell händelse i termometrins historia. Därigenom fastställdes fryspunkten till 0 °C och kokpunkten till 100 °C – en mer intuitiv ordning som slog igenom över hela världen.

Fördelar med Celsius-skalan

Celsius-skalan hade två stora fördelar jämfört med tidigare temperaturskalor:

• Enkel hantering: Den decimala indelningen i 100 steg underlättade mätningar och beräkningar.
• Precisa fixpunkter: Skalan baserades på de fysiska egenskaperna hos vatten (vid normaltryck), som var reproducerbara överallt.

Celsius-skalan och dess nuvarande betydelse

Idag är Celsius-skalan som grader Celsius (°C) en av de mest spridda temperaturskalorna och används i nästan alla länder som standard för temperaturmätningar. Endast i USA och några få länder används fortfarande Fahrenheit-skalan.

Celsius-skalan utgör också grunden för Kelvin-skalan (K), som används inom vetenskapen. Därvid gäller:

0 °C = 273,15 K (Kelvin börjar vid den absoluta nollpunkten).

Införandet av Celsius-skalan var ytterligare ett stort steg i termometrin. Genom sin enkla indelning, tydliga fixpunkter och intuitiva hantering blev den snabbt den internationella standarden. Även om Anders Celsius själv inte fick uppleva den nuvarande skalningen, hör hans arbete till de viktigaste utvecklingarna i temperaturmätningens historia.

Kelvin-skalan (1848)

År 1848 införde den skotske fysikern William Thomson, Lord Kelvin (1824–1907) den första absoluta temperaturskalan. Ett betydande steg i termometrins historia! Kelvin-skalan (K) baseras på den absoluta nollpunkten, det lägsta möjliga temperaturvärdet, vid vilket alla termiska rörelser upphör. Kelvin-skalan (1848) är den första vetenskapligt grundade absoluta temperaturskalan.

Egenskaper hos Kelvin-skalan:

• 0 K: Absolut nollpunkt (-273,15 °C).
• 273,15 K: Fryspunkt för vatten (0 °C).
• 373,15 K: Kokpunkt för vatten (100 °C).

Kelvin-skalan används särskilt inom vetenskap, fysik och termodynamik, eftersom den är oberoende av specifika fixpunkter och baseras på energirörelsen hos partiklar.

Kelvin-skalan är idag den officiella temperaturskalan för det internationella enhetssystemet (SI). En stor fördel med Kelvin-skalan är att den möjliggör temperaturvärden utan negativa tal.

Framsteg under 1800- och 1900-talet

Med den moderna vetenskapens och teknikens uppsving medförde 1800- och 1900-talet stora framsteg inom temperaturmätning. Framför allt utvecklades nya temperaturskalor, och forskningen koncentrerades på mer precisa mätmetoder och ny teknik.

Framför allt förbättrade införandet av platinamotståndstermometri och termoelement den industriella och vetenskapliga temperaturmätningen och ledde till stora framsteg i termometrins historia.

Utveckling av motståndstermometrar (Siemens & Callendar, 1871–1887)

Införandet av elektriska motståndstermometrar i slutet av 1800-talet var ett betydande framsteg inom temperaturmätning. Medan vätsketermometrar tidigare dominerade, möjliggjorde motståndstermometrar för första gången högprecisa och reproducerbara temperaturmätningar. Två vetenskapsmän spelade en central roll i denna utveckling:

• Werner von Siemens (1871): Första experiment med motståndstermometrar baserade på platina.
• Hugh Longbourne Callendar (1887): Precisering av mätmetoderna och införande av platina-motståndstermometrar (PRTs) för vetenskapliga tillämpningar.

Werner von Siemens (1871): Första koncepten för motståndstermometri

Den tyske uppfinnaren och ingenjören Werner von Siemens (1816–1892) var den första som 1871 insåg att den elektriska resistansen hos en tråd förändras med temperaturen och kan användas som en mätstorhet. Han föreslog att använda metaller som temperatursensorer, eftersom deras resistans ökar med temperaturen på ett förutsägbart sätt.

Siemens använde först koppar- och järntrådar, men konstaterade att dessa material inte var tillräckligt stabila över långa tidsperioder. Därför fortsatte han sitt utvecklingsarbete med platina som motståndsmaterial.

Callendar (1887): Platina som idealiskt material för motståndstermometrar

År 1887 förfinade den brittiske fysikern Hugh Longbourne Callendar (1863–1930) motståndstermometrin och utvecklade den första precisa platina-motståndstermometern (PRT).

Varför platina?
Callendar konstaterade liksom Werner von Siemens att platina är idealiskt för motståndstermometrar eftersom det:

• Erbjuder högsta stabilitet över långa tidsperioder.
• Visar nästan linjär resistansökning med temperaturen.
• Har en hög smältpunkt (1768 °C) och är lämpligt för breda temperaturområden.

Han bestämde ett resistans-temperatur-förhållande och utvecklade en empirisk ekvation för temperaturberäkning:

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

varvid:

• ( R_T ) är resistansen vid temperaturen ( T ),
• ( R_0 ) är resistansen vid 0 °C,
• ( \alpha ) är temperaturkoefficienten för platina.

Denna ekvation var det första standardiserade tillvägagångssättet för elektrisk temperaturmätning och blev senare grunden för platina-motståndstermometrar (PRTs).

Callendar-Van-Dusen-ekvationen (CvD-ekvationen) utökar den ursprungliga empiriska formeln från Hugh Callendar och beskriver det icke-linjära resistans-temperatur-förhållandet hos platina-motståndstermometrar (PRTs) i området från -200 °C till 850 °C, vilket möjliggör högprecisa temperaturmätningar. Detta steg är av stor betydelse i termometrins historia, eftersom den så kallade Callendar-Van-Dusen-ekvationen fortfarande används idag.

Från Callendars termometer till modern motståndstermometri

Efter Callendars arbeten förbättrades platina-motståndstermometrar (PRTs) ytterligare och fastställdes senare i den internationella temperaturskalan (ITS-90) som standard-platina-motståndstermometrar (SPRTs).

Viktiga vidareutvecklingar i termometrins historia:

• Införande av skyddade trådlindningar för att minimera mekaniska spänningar.
• Förbättring av långtidsstabiliteten genom högrent platina.
• Optimering av mätbryggor för att registrera extremt små resistansförändringar på ett precist sätt.

Idag är platina-motståndstermometrar de mest exakta elektriska termometrarna.

Termoelement

Termoelement är en av de mest mångsidiga metoderna för temperaturmätning och används över hela världen inom industri, vetenskap och forskning. De baseras på Seebeck-effekten, som först upptäcktes på 1800-talet.

Seebeck-effekten – Grunden för termoelement

Den tyske fysikern Thomas Johann Seebeck (1770–1831) upptäckte år 1821 att det i en sluten krets av två olika metaller uppstår en elektrisk spänning om de två kontaktpunkterna har olika temperaturer. Detta fenomen kallas Seebeck-effekten och är grunden för termoelement.

Princip:

• Ett termoelement består av två olika metaller (ofta legeringar) som är sammanfogade i båda ändar.
• En anslutning (mätpunkt) värms upp eller kyls ner, medan den andra hålls vid en referenstemperatur (s.k. termoelementets referenspunkt eller kallpunkt).
• Temperaturskillnaden skapar en elektrisk spänning som är direkt korrelerad med temperaturen. Denna spänning kallas termospänning.

Utveckling och standardisering av termoelement

Efter Seebecks upptäckt vidareutvecklades tekniken:

• 1826: Jean Charles Athanase Peltier upptäckte den omvända effekten (Peltier-effekten), som visar att elektriska strömmar kan skapa temperaturskillnader.
• 20-talet: Termoelement standardiserades och optimerades för industriella tillämpningar. Idag är termoelement standardiserade enligt internationella standarder, t.ex. IEC 60584 och IEC 62460.

Vanliga termoelementtyper och deras egenskaper

Typ	+ Ben	– Ben	Mätområde i °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
Jfr. DIN EN 60584-1:2014-07

Fördelar och nackdelar med termoelement

Fördelar:
✔️ Mycket brett temperaturområde (från -270 °C till 1820 °C).
✔️ Robust konstruktion, tål vibrationer och mekaniska påfrestningar.
✔️ Snabb reaktionstid vid temperaturförändringar.
✔️ Ingen extern matningssignal krävs (egen energi genom Seebeck-effekten).

Nackdelar:
❌ Lägre noggrannhet än resistanstermometrar (SPRTs, PRTs).
❌ Termospänningen är inte linjär – kalibrering eller korrigeringstabeller krävs.
❌ Elektromagnetiska störningar kan påverka signalen.

Termoelement är en prisvärd, robust och mångsidig metod för temperaturmätning och har visat sig vara användbar i många industriella och vetenskapliga tillämpningar. Även om de inte når samma precision som resistanstermometrar eller SPRT:er, är de populära på grund av sina låga kostnader, breda användningsområden och höga temperaturområden.

Internationella temperaturskalor

För att möjliggöra globalt enhetliga temperaturmätningar har olika internationella temperaturskalor utvecklats genom åren. Medan tidiga mätmetoder ofta baserades på individuella skalor, var det nödvändigt i termometrins historia att skapa en enhetlig referens.

Redan på 1800-talet gjordes de första försöken att basera temperaturskalor på fasta termodynamiska fixpunkter.

Internationella vätgasskalan (1887)

Den internationella vätgasskalan infördes 1887 och var ett av de första försöken att etablera en enhetlig temperaturskala på en fundamental fysikalisk grund. Den baserades på egenskaperna hos en gastermometer som drevs med vätgas som mätgas.

Vätgasskalan använde en gastermometer med konstant volym som bestämde temperaturen baserat på tryckförändringen hos vätgas vid konstant volym. Grunden var Gay-Lussacs lag, som säger att trycket hos en ideal gas vid konstant volym ändras linjärt med temperaturen.

Internationella temperaturskalan från 1927 (ITS-27)

Den internationella temperaturskalan från 1927 (ITS-27) var den första officiellt definierade temperaturskalan som infördes som en global standard för exakta temperaturmätningar.

Införandet av ITS-27 av Internationella kommittén för mått och vikt (CIPM) syftade till att skapa en enhetlig skala för vetenskap och teknik.

ITS-27 baserades på definierande temperaturfixpunkter som var baserade på fasövergångarna hos rena ämnen.

ITS-27 var ett stort framsteg eftersom den för första gången definierade en globalt enhetlig och exakt temperaturskala. Den användes flitigt i vetenskapliga och industriella tillämpningar.

Internationella praktiska temperaturskalan från 1948 (IPTS-48)

Den internationella praktiska temperaturskalan från 1948 (IPTS-48) infördes som en efterföljare till ITS-27 för att ytterligare förbättra temperaturmätningen och anpassa den till nya vetenskapliga rön.

Skäl till införandet av IPTS-48
ITS-27 hade vissa brister, särskilt:

• Onoggrannheter vid låga temperaturer, eftersom vätgasstermometrar inte fungerade idealiskt.
• Mätavvikelser vid höga temperaturer, som orsakades av strålningstermometri.
• Vidareutveckling av resistanstermometrar, vilket krävde en mer exakt skalning.

Med IPTS-48 infördes en mer exakt definition av fixpunkter och interpolationsmetoder.

Internationella praktiska temperaturskalan från 1968 (IPTS-68)

Den internationella praktiska temperaturskalan från 1968 (IPTS-68) var en reviderad version av IPTS-48 och infördes för att ytterligare förbättra noggrannheten i temperaturmätningen. Den var den globalt erkända temperaturskalan fram till införandet av ITS-90.

Förbättringar jämfört med IPTS-48
IPTS-68 medförde flera viktiga förändringar:

• Nya temperaturfixpunkter, särskilt vid mycket låga och mycket höga temperaturer.
• Optimerade interpolationsmetoder för mer exakta temperaturmätningar.
• Utökad användning av platinamotståndstermometrar (PRT) för en mer exakt bestämning av temperaturen.

Nackdelar och ersättning av ITS-90
Även om IPTS-68 möjliggjorde mer exakta temperaturmätningar fanns det några kända problem:

• Mätavvikelser i vissa temperaturområden.
• Icke-idealisk spårbarhet till den termodynamiska temperaturskalan.
• Olika skalfaktorer som ledde till små diskrepanser i olika tillämpningar.

På grund av dessa begränsningar ersattes IPTS-68 slutligen 1990 av ITS-90, som erbjuder bättre termodynamisk konsistens och högre noggrannhet.

Modern precisionstermometri

Temperaturmätningen har utvecklats enormt sedan de första termoskopen och vätsketermometrarna. Medan tidigare termometrar ofta var inexakta på grund av yttre påverkan som lufttrycksvariationer eller avdunstning, möjliggör moderna precisionstermometrar en extremt exakt temperaturmätning ner till mikrokelvinområdet.

Tack vare högt utvecklade sensorer kan temperaturer idag mätas med en precision på upp till några miljondels grader. Utvecklingen av Internationella temperaturskalan (ITS-90) har också skapat ett enhetligt referenssystem för högprecisionsmätningar.

Standardplatinamotståndstermometrar (SPRT) är de mest exakta resistanstermometrarna och utgör det primära interpolationsinstrumentet för Internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90), vilket möjliggör högprecisionsmätningar från -200 °C till 961,78 °C.

Internationella temperaturskalan (ITS-90)

Den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) är den globalt erkända referensen för högprecisionsmätningar. Den infördes av Internationella kommissionen för mått och vikt (CIPM) och ersätter tidigare skalor som IPTS-68 (Internationella praktiska temperaturskalan från 1968). ITS-90 fungerar som en praktisk realisering av den termodynamiska temperaturskalan genom att fastställa ett antal definierande fixpunkter för exakt bestämning av temperaturen.

Med ITS-90 fastställdes standardplatinamotståndstermometrar SPRT som interpolationsinstrument i intervallet från 13,8033 K (trippelpunkten för väte) till 961,78 °C (fryspunkten för silver).

ITS-90 är den mest exakta och internationellt standardiserade temperaturskalan och används inom många områden. Den utgör den nuvarande internationella standarden för exakta temperaturmätningar. Genom sina temperaturfixpunkter och interpolationsinstrument möjliggör den en globalt enhetlig och reproducerbar temperaturbestämning.

Temperaturfixpunkter för ITS-90

Nr.	T90 i K	t90 i °C	Ämne	Representation
1	3 till 5	-270 till 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 = Ångtryck TP = Trippelpunkt SP = Smältpunkt EP = Fryspunkt * = Det finns flera temperaturer

High End SPRT-precisionsmätning – John P. Tavener och koppar-fixpunkt-SPRT

Baserat på arbetet av John P. Tavener (1942-2020) utgör utvecklingen av en ny standardplatinamotståndstermometer (SPRT) för koppar-temperaturfixpunkten (1084,62 °C) en preliminär höjdpunkt i termometrins historia. Tidigare SPRT:er var begränsade till silverfixpunkten (961,78 °C) eftersom problem med materialstabilitet och kontaminering uppstod vid högre temperaturer. Tavener löste detta problem genom att använda en syntetisk safirbärare för platinavindningen och ett aluminiumoxid-skyddsrör som är försett med ett lätt övertryck av syre. Detta förhindrar inträngning av föroreningar och säkerställer en stabil oxidationsmiljö som är nödvändig för platina. Dessutom försågs termometern med en +9V DC-biasering för att förbättra isolationsegenskaperna och aktivt stöta bort joniska föroreningar genom ett elektriskt fält.

Tester under flera hundra timmar vid temperaturer upp till 1090 °C visade en exceptionell långtidsstabilitet med en drift på endast 0,1 mK/h. Medan tidigare försök med safirskyddsrör misslyckades på grund av termiska spänningar, visade denna nya design en hittills ouppnådd reproducerbarhet och är därför lämplig för karakterisering av koppar-temperaturfixpunktceller med hittills ouppnådd mätosäkerhet.

Med utvecklingen av denna högprecisions-SPRT för kopparfixpunkten når termometrins historia en preliminär höjdpunkt – från antiken via de första enkla termoskopen till modern precisionstermometri, som idag möjliggör temperaturmätningar med en hittills ouppnådd noggrannhet.

Källor

Heron från 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/

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

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

Chemie.de – Fyraelementsteorin – 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

Porträtt av Galileo Galilei, målat av Domenico Tintoretto (1602–1607), foto från National Maritime Museum, Greenwich, London, tillgängligt på Wikimedia Commons

Foto av Galileo Galileis termoskop på Musée des Arts et Métiers, taget av Chatsam, licensierat under CC BY-SA 3.0 – tillgängligt på Wikimedia Commons

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

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

Porträtt av Sir Isaac Newton, English School, ca. 1715–1720 – Wikimedia Commons

Daniel Gabriel Fahrenheit, ca. 17:e till 18:e århundradet – Wikimedia Commons

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

Porträtt av René-Antoine Ferchault de Réaumur från ‘Galerie des naturalistes’ av Jules Pizzetta, 1893 – tillgängligt på Wikimedia Commons

Porträtt av Anders Celsius målat av Olof Arenius – Wikimedia Commons

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

Porträtt av William Thomson – 1:e Baron Kelvin – 1906 – Wikimedia Commons

Porträtt av Werner von Siemens fotograferad av Giacomo Brogi – Wikimedia Commons

Porträtt av Hugh Longbourne Callendar – ca 1900 – okänd fotograf – public domain – via Wikimedia Commons

Porträtt av Thomas Johann Seebeck – tidigt 1800-tal, avbildad i “Goethe und seine Welt” av Hans Wahl och Anton Kippenberg – 1932 – Wikimedia Commons