Ausdehnungsthermometer

Links ein Thermometer aus dem Wohnbereich. Mitte Außenthermometer. Rechts Fieberthermometer.

Ausdehnungsthermometer sind spezielle Thermometer, mit denen man die Temperatur durch Messen der Längen- oder Volumenänderung eines Körpers bestimmt. Ein typisches Beispiel für ein Ausdehnungsthermometer ist das Quecksilberthermometer, das zur Fiebermessung verwendet wird (Fieberthermometer).

Man kann Ausdehnungsthermometer grob unterteilen in

• Flüssigkeitsthermometer
• Gasthermometer
• Festkörperthermometer

Unten werden Beispiele solcher Thermometer beschrieben.

Das Messprinzip dieser Thermometer beruht auf der thermischen Ausdehnung von Stoffen:

mit β = Volumenausdehnungskoeffizient des verwendeten Materials.

Die Grenzen werden durch die jeweiligen Eigenschaften des Materials gesetzt, zum Beispiel den Siedepunkt oder die Erstarrungstemperatur. Fehler können zum Beispiel durch thermische Nachwirkung des Glasröhrchens sowie nicht gleichmäßige Ausdehnung des Stoffes und der Kapillare über den gesamten Temperaturbereich verursacht werden.

Flüssigkeitsthermometer bestehen aus einem kleinen Glas-Kolben zur Aufnahme der Thermometerflüssigkeit mit angeschmolzener kalibrierter Glaskapillare und einer Anzeige (Skala). Proportional zur Temperaturänderung verändert sich das Volumen der Flüssigkeit, wodurch der Stand in der Kapillare steigt beziehungsweise sinkt.

Anhand des Standes und der Skalenmarkierung lässt sich die Temperatur ablesen. Je nach Messbereich verwendet man verschiedene Flüssigkeiten, z. B. Ethanol (-120 °C bis 60 °C), Toluol (-90 °C bis 110 °C) oder Pentan (-200 °C bis 35 °C) und früher sehr häufig auch Quecksilber (-35 °C bis 357 °C), das heute aber fast nur noch im wissenschaftlichen Bereich anzutreffen ist, weil es wegen seiner Eigenschaft, Glas nicht zu benetzen, immer noch bevorzugt wird. Die ersten brauchbaren Quecksilberthermometer wurden von Daniel G. Fahrenheit gebaut. Als ungiftiger Ersatz für Quecksilber hat sich auch eine Legierung aus Gallium, Indium und Zinn (Galinstan) etablieren können.

Eine besondere Form des Flüssigkeitsthermometers ist das Minimum-Maximum-Thermometer. Es besteht aus einer u-förmigen Glaskapillare mit zwei separaten Skalen, eine für die maximale (von unten nach oben ansteigend), eine für die minimale Temperatur (von unten nach oben fallend). An beiden Enden der Kapillare befinden sich Kolben: am "Minimal-Ende" mit Alkohol gefüllt, am "Maximal-Ende" evakuiert oder mit Alkoholdampf gefüllt.

In der Biegung der Kapillare befindet sich Quecksilber, welches durch den sich ausdehnenden oder zusammenziehenden Alkohol hin und her geschoben wird. Der Alkohol dient hierbei als eigentliche temperaturmessende Flüssigkeit, das Quecksilber zeigt die Temperatur an beiden Skalen an. Dabei sollte die angezeigte Temperatur an beiden Skalen gleich sein, ansonsten sind die Skalen nicht korrekt positioniert.

Über beiden Enden des Quecksilbers befinden sich Stahlnadeln, die durch das Quecksilber entsprechend verschoben werden. An der Rückseite des Thermometers befindet sich ein Magnet, der die Nadeln in ihrer jeweiligen Position hält. Hierdurch lässt sich die jeweilige Maximal- und Minimal-Temperatur seit dem letzten Zurückstellen des Thermometers ablesen. Durch kurzzeitiges Entfernen des Magneten (meist durch einen Rückstellknopf am Thermometer) kann die Maximal-/Minimal-Anzeige zurückgestellt werden.

Flüssigkeits-Feder-Thermometer bestehen aus einem Gefäß, an das über ein Kapillarrohr ein Manometer angekoppelt ist. Das Gefäß ist mit einer Flüssigkeit gefüllt; verwendet werden Quecksilber, Xylol, Toluol oder andere. Bei einer Temperaturänderung steigt oder sinkt der Druck im System, was durch das Manometer angezeigt wird. Der Einsatzbereich dieser Thermometer liegt bei -60 °C bis 500 °C.

Gas-Feder-Thermometer (oder Gasthermometer) sind aufgebaut wie Flüssigkeits-Feder-Thermometer. Statt mit einer Flüssigkeit sind sie mit einem Gas gefüllt (Stickstoff oder Helium bei ungefähr 50 Bar). Der Einsatzbereich dieser Thermometer liegt bei -200 °C bis 800 °C.

Festkörperthermometer sind zum Beispiel Bimetallstreifenthermometer, bei denen zwei Streifen unterschiedlicher Metalle aufeinander befestigt werden. Durch ihre unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten dehnen sie sich bei Temperaturveränderung in verschiedener Art aus. Dadurch verbiegt sich der Bimetallstreifen. Dies wird als Thermoschalter zum Beispiel im Bügeleisen ausgenutzt.