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Temperaturmessung

Erfahre, wie ein Thermometer die Temperatur objektiv misst und welches Prinzip dahinter steckt. Entdecke die Funktionsweise von Flüssigkeitsthermometern und Bimetallthermometern. Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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Team Digital
Temperaturmessung
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Grundlagen zum Thema Temperaturmessung

Temperaturmesser einfach erklärt

Ob wir etwas als kalt oder warm empfinden, hängt stark von der subjektiven Wahrnehmung ab. Vielleicht kennst du das Experiment, bei dem du eine Hand in eine Schüssel mit kaltem Wasser und eine Hand in eine Schüssel mit warmem Wasser legst. Nach ein paar Minuten legst du beide Hände in eine Schüssel mit lauwarmem Wasser. Beide Hände nehmen die Temperatur des Wassers in dieser Schüssel unterschiedlich wahr. Die Hand aus der kalten Schüssel empfindet es als warm, die Hand aus der warmen Schüssel empfindet es als kalt. Um die Temperatur von Stoffen objektiv bestimmen zu können, brauchen wir Verfahren, die wiederholbar und eindeutig sind. Solche Messverfahren werden durch Temperaturmesser ermöglicht. Was ein Temperaturmesser ist und wie er funktioniert, schauen wir uns im Folgenden an.


Was ist ein Temperaturmesser?

Ein Temperaturmesser ist ein Messgerät, welches die Temperatur objektiv bestimmt. Die Funktion dieser Temperaturmesser basiert auf der Eigenschaft von Stoffen, sich unter Temperatureinfluss zu verändern. Wir kennen das vom Wasser, welches unter Temperatureinfluss den Aggregatzustand ändert. Unter $0\,^\circ\pu{C}$ gefriert es zu Eis, wird also zu einem Feststoff. Bei $100\,^\circ\pu{C}$ siedet es, geht also in den gasförmigen Zustand über. Für die Temperaturmessung wird ausgenutzt, dass sich Stoffe in der Regel ausdehnen, wenn sie erwärmt werden und sich zusammenziehen, wenn sie sich abkühlen. Dafür ist es wichtig, einen Stoff auszuwählen, bei welchem sich das Volumen gleichmäßig zur Temperaturänderung ändert. Für die einfache Temperaturmessung wird dann noch eine geeignete Skala benötigt. Diese wird genutzt, um die Temperatur genau ablesen zu können. Temperaturmesser sind auch unter dem Begriff Thermometer bekannt. Aber wie funktioniert ein Thermometer? Schauen wir uns zwei unterschiedliche Bauweisen genauer an!


Flüssigkeitsthermometer

Um zu verstehen, wie ein Flüssigkeitsthermometer funktioniert, schauen wir uns ein kleines Experiment an. Erwärmt man $10\,\pu{\ell}$ Wasser in einem Topf auf dem Herd von $20\,^\circ\pu{C}$ auf $30\,^\circ\pu{C}$, dann ist die Volumenänderung im Topf kaum messbar. Hat das Wasser nun jedoch nur die Möglichkeit, sich in einem schmalen Röhrchen auszubreiten, so steigt der Wasserstand in diesem Röhrchen um mehrere $\pu{cm}$ an. Bringen wir an diesem Röhrchen zwischen dem unteren und dem oberen Wasserstand in gleichmäßigem Abstand zehn Messstriche an, so erhalten wir eine brauchbare Skala. Dieser Temperaturmesser dient jedoch nur für die Temperaturen zwischen $20\,^\circ\pu{C}$ und $30\,^\circ\pu{C}$.

Nach dem gleichen Prinzip funktionieren Flüssigkeitsthermometer. Das sind Thermometer, welche mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, welche zur Temperaturmessung genutzt wird. Die Flüssigkeit zum Messen von Temperaturen muss jedoch geeignet sein. Da Wasser bei $0\,^\circ\pu{C}$ gefriert, eignet es sich nicht gut. Außerdem nimmt das Volumen von Wasser bei unter $4\,^\circ\pu{C}$ wieder zu, was ebenfalls unpraktisch für ein Thermometer ist. Früher wurde meist Quecksilber verwendet. Es gefriert erst bei unter $-38\,^\circ\pu{C}$ und siedet bei über $356\,^\circ\pu{C}$. Zudem ist es metallisch glänzend und dadurch gut sichtbar. Allerdings sind die Dämpfe von Quecksilber giftig. Deshalb werden Thermometer heute mit anderen Stoffen gefüllt, zum Beispiel mit gefärbtem Alkohol.


Bimetallthermometer

Auch die Ausdehnung fester Körper, vor allem von Metallen, kann zur Messung von Temperaturen genutzt werden. Metalle besitzen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Das heißt, sie dehnen sich bei gleicher Temperaturänderung unterschiedlich stark aus. Zink dehnt sich bei gleicher Erwärmung doppelt so stark aus wie Stahl. Werden dünne Streifen der Metalle fest miteinander vernietet oder verschweißt, erhält man ein sogenanntes Bimetall. Wird dieses erhitzt, so biegt es sich, da sich die beiden Metallstreifen unterschiedlich stark ausdehnen. Der Bimetallstreifen biegt sich zu der Seite mit dem Metall, welches sich schwächer ausdehnt. Befestigt man an einem Ende des Streifens einen Zeiger und legt eine Skala fest, so erhält man ein Bimetallthermometer. Um es handlicher zu machen, wird in manchen Fällen der Bimetallstreifen zu einer Spirale aufgewickelt.

Es gibt noch weitere Möglichkeiten, spezifische Eigenschaften von Stoffen zur Temperaturmessung zu verwenden. So gibt es verschiedene Arten von Temperaturmessern. In einem Widerstandsthermometer zum Beispiel basiert die Messung darauf, dass der elektrische Widerstand eines Leiters oder Halbleiters von der Temperatur abhängig ist.


Zusammenfassung – Temperaturmesser Physik

In diesem Video lernst du, was man unter einem Temperaturmesser versteht. Auch wird erklärt, wie man die Temperatur misst und wie ein Thermometer aufgebaut ist. Zusätzlich zum Text und Video findest du noch Aufgaben und Übungen zum Thema Temperaturmesser.

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Vorschaubild einer Übung

Transkript Temperaturmessung

So ein Mist. Gino hat eine Sommergrippe. Und Fieber hat er auch. Warum benutzen wir zu Hause eigentlich so ein altmodisches Thermometer, das man in den Mund nehmen muss. In der Schule hatten wir doch neulich so ein cooles, das man nur vor die Stirn halten musste. Und auf dem Balkon gibt es dieses komische runde Thermometer. Und wenn Tante Lisa kocht, dann kommt sie nicht ohne ihr merkwürdiges Grillthermometer aus Vielleicht können wir in diesem Video ein bisschen Ordnung in Ginos wirre Fiebergedanken bringen. Denn das Thema dieses Videos ist TEMPERATURMESSUNG. Wir erinnern uns: Die Temperatur gibt an, wie warm oder kalt ein Körper ist. Sie ist ein Maß für die INNERE Energie eines Körpers. Sie ist umso höher, je schneller die ungeordnete Bewegung der Teilchen ist, aus denen der Körper besteht. Wir messen die Temperatur mit einem Thermometer. Das Wort kommt aus dem Altgriechischen. thermos heißt warm, metron heißt Maß. Bei der Konstruktion eines Thermometers können wir uns vier Fragen stellen:Erstens: Wofür wird das Thermometer gebraucht? Zweitens: In welchem Temperaturbereich soll damit gemessen werden? Drittens: Nach welchem Messprinzip soll das Thermometer funktionieren? Und viertens: Wie ist das Thermometer aufgebaut? Natürlich hängen diese Fragen eng zusammen. Wie du weißt, haben Stoffe und die Körper, die aus Stoffen aufgebaut sind, bestimmte Eigenschaften. Ein Körper hat z. B. eine bestimmte Länge oder ein bestimmtes Volumen.Manche Stoffe, wie Metalle, leiten den elektrischen Strom. Andere Stoffe hingegen leiten ihn nicht, wie z. B. Kunststoffe oder Gummi.Auch seine Farbe ist eine Eigenschaft eines Stoffes. Beim Thermometer macht man sich nun die TEMPERATURABHÄNGIGKEIT bestimmter Eigenschaften von Stoffen zu Nutze. Bei einem AUSDEHNUNGSthermometers verwendet man die Tatsache, dass die Länge beziehungsweise das Volumen von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen mit steigender Temperatur zunehmen. In Ginos altmodischem Fieberthermometer verändert eine Flüssigkeit, vermutlich Ethanol, in einem engen Röhrchen ihre Höhe, je nachdem, wie warm es ist. Diese Art Ausdehnungsthermometer nennt man FLÜSSIGKEITSthermometer. Ginos rundes Balkonthermometer ist ein BIMETALLthermometer. Darin dehnen sich zwei verschiedene Metalle, die fest miteinander verbunden sind, unterschiedlich stark aus. Bei STRAHLUNGSthermometer macht man sich zu Nutze, dass jeder Körper Wärmestrahlung abgibt, die für unser Auge unsichtbar ist. Ein Beispiel hierfür ist das Pyrometer, das in Ginos Schule zum Fiebermessen benutzt wird. Man nennt diese Thermometer auch INFRAROTthermometer. WIDERSTANDSthermometer arbeiten mit der Tatsache, dass Stoffe den elektrischen Strom abhängig von der Temperatur gut oder weniger gut leiten.Tante Lisas Grillthermometer ist so eins. Aber auch digitale Fieberthermometer beruhen auf diesem Prinzip. Sehr nützlich sind auch Flüssigkeiten, deren Farbe von der Temperatur abhängig ist. Diesen Effekt nennt man THERMOCHROMIE, vom Altgriechischen Chroma, auf Deutsch Farbe.Häufig wird dieser Effekt in Folienthermometern angewendet. Wir wollen uns im Folgenden noch mit den beiden Arten von Ausdehnungsthermometern beschäftigen, dem Flüssigkeitsthermometer und dem Bimetallthermometer. Lass uns beispielhaft einmal ein FLÜSSIGKEITSthermometer bauen. Nehmen wir an, wir wollen ein Thermometer für den Außenbereich, z. B. unseren Balkon. Dieses Thermometer sollte also, wenn wir für alle Eventualitäten gewappnet sein wollen, in einem Bereich zwischen minus fünfzig Grad Celsius und plus fünfzig Grad Celsius messen können. Für das Messprinzip haben wir uns ja schon entschieden: Wir wollen die Wärmeausdehnung einer Flüssigkeit verwenden. Aber welche? Wasser scheidet schonmal aus. Damit würde das Thermometer ja möglicherweise sogar platzen, wenn wir uns dem Gefrierpunkt nähern. Alkohol käme dafür in Frage. Meistens verwendet man Ethanol. Es hat eine Gefriertemperatur von zirka minus hundertfünfzehn Grad Celsius und eine Siedetemperatur von zirka plus achtundsiebzig Grad Celsius. Früher hat man Quecksilber genommen. Das hat gegenüber Alkohol einige Vorteile - man muss es zum Beispiel nicht färben, damit man es sieht, und es hat eine höhere Siedetemperatur - aber auch einen schwerwiegenden Nachteil: Es ist hochgiftig. Dann färben wir den Alkohol halt an. Jetzt müssen wir uns noch überlegen, wie wir das Thermometer geeignet aufbauen. Wir können nicht einfach ein großes Glas mit Ethanol nehmen und erwarten, dass wir die Wärmeausdehnung des Ethanols direkt sehen. Dazu ist der Effekt zu gering. Wir verwenden daher ein schmales Röhrchen, in dem das Ethanol hochsteigt, wenn die Temperatur zunimmt. Je nach Temperatur hat das Ethanol im Röhrchen eine gewisse Ausdehnung. Neben dem Röhrchen befindet sich eine Skala, die die zu der Ausdehnung gehörige Temperatur anzeigt. Der Ethanolvorrat befindet sich im sog. RESERVOIR. Schauen wir zum Schluss noch schnell das BIMETALLthermometer an. Grundsätzlich besteht ein BIMETALLSTREIFEN aus zwei verschiedenen, fest miteinander verbundenen Metallen, die sich unterschiedlich stark bei Erwärmung ausdehnen. Beim Erwärmen verbiegt sich der Metallstreifen in die Richtung DESJENIGEN Metalls, das sich bei Erwärmung schwächer ausdehnt. In dem Balkonthermometer von Gino oder auch oft bei Badewannenthermometern ist das Bimetall zu einer Spirale aufgerollt.Der Zeiger bewegt sich dann, wenn die Spirale ihre Form ändert, und kann die Temperatur anzeigen. Wo wir gerade von Anzeigen sprechen: Wie man eine Skala an einem Thermometer anbringt und was es mit Grad Celsius eigentlich auf sich hat, erfährst du in einem anderen Video. Und wir fassen zusammen: Zur Messung von Temperaturen macht man sich die TEMPERATURABHÄNGIGKEIT bestimmter Eigenschaften von Stoffen zu Nutze. In AUSDEHNUNGSthermometern nutzt man die Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten und Festkörpern. STRAHLUNGSthermometer verwenden die für unser Auge unsichtbare Wärmestrahlung jedes Körpers zur Temperaturbestimmung. WIDERSTANDSthermometer arbeiten mit der Tatsache, dass Stoffe den elektrischen Strom abhängig von der Temperatur gut oder weniger gut leiten. Mit THERMOCHROMIE bezeichnet man den Effekt, dass bestimmte Flüssigkeiten ihre Farbe temperaturabhängig ändern. Das verwendet man zum Beispiel bei FOLIENthermometern. Das gebräuchlichste Thermometer ist das Flüssigkeitsthermometer. Eine gefärbte Flüssigkeit, meist gefärbtes Ethanol, steigt aus einem Reservoir eine dünne Röhre hoch, damit der Effekt der Wärmeausdehnung auch sichtbar wird. Und wie sieht es bei Gino aus? Der ist wieder gesund und probiert Tante Lisas Grillthermometer gleich mal aus. Jetzt müsste er nur noch wissen, bei welcher Temperatur so ein Tier eigentlich GAR ist.

9 Kommentare
9 Kommentare
  1. 👍👍👍👍👍👍👍👍👍👍👍👍👍👍👍 suuuuuper

    Von Nicholas, vor 5 Monaten
  2. Ser lerrech

    Von Tia, vor 8 Monaten
  3. Gutes

    Von Tristan, vor 10 Monaten
  4. Glutes video

    Von Tristan, vor 10 Monaten
  5. Wirklich gut gemacht.

    Von Felix, vor 11 Monaten
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Temperaturmessung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Temperaturmessung kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme alle Abbildungen, auf denen ein Thermometer zu sehen ist.

    Tipps

    Es gibt fünf Abbildungen, auf denen ein Thermometer zu sehen ist.

    Mit einem Thermometer kann man die Temperatur messen.

    Die Temperatur gibt an, wie warm oder kalt ein Körper ist.

    Lösung

    Das Wort „Thermometer“ kommt aus dem Altgriechischen, „thermós“ heißt „warm“ und „métron“ heißt „Maß“. Mit einem Thermometer können wir die Temperatur messen.

    Die Temperatur gibt an, wie warm oder kalt ein Körper ist. Sie ist ein Maß für die innere Energie eines Körpers. Die Temperatur ist umso höher, je schneller die ungeordnete Bewegung der Teilchen ist, aus denen der Körper besteht.

    Es gibt viele verschiedene Arten von Thermometern, zum Beispiel:

    • Ausdehnungsthermometer
    • Widerstandsthermometer
    • Strahlungsthermometer
    • Folienthermometer

  • Charakterisiere die Konstruktion eines Flüssigkeitsthermometers.

    Tipps

    Das Messprinzip beruht auf einer Stoffeigenschaft.

    Ein Pyrometer (Strahlenthermometer) wird in die Nähe der Stirn gehalten, um Fieber zu messen.

    Lösung

    Bei der Konstruktion eines Thermometers können wir uns vier Fragen stellen:

    • Wofür wird das Thermometer gebraucht? (Anwendungsbereich)
    • In welchem Temperaturbereich soll damit gemessen werden? (Messbereich)
    • Nach welchem Prinzip soll das Thermometer funktionieren? (Messprinzip)
    • Wie ist das Thermometer aufgebaut? (Aufbau)

    Das Flüssigkeitsthermometer wollen wir im Außenbereich, zum Beispiel auf dem Balkon, verwenden (Anwendungsbereich).
    Damit sollte also, wenn wir für alle Eventualitäten gewappnet sein wollen, in einem Bereich zwischen $- 50~^\circ\text{C}$ und $+ 50~^\circ\text{C}$ gemessen werden können (Messbereich).
    Das Messprinzip bei einem Flüssigkeitsthermometer ist klar: Wir wollen die Wärmeausdehnung einer Flüssigkeit, in dem Fall Ethanol, nutzen.
    Für den Aufbau nehmen wir ein schmales Röhrchen, in dem das Ethanol hochsteigt, wenn die Temperatur steigt. Neben dem Röhrchen befindet sich eine Skala, welche die zu der Ausdehnung gehörige Temperatur anzeigt.

  • Vergleiche die verschiedenen Thermometer.

    Tipps

    Bei einem Ausdehnungsthermometer wendet man die Tatsache, dass die Länge beziehungsweise das Volumen mit steigender Temperatur zunimmt, an.

    Ein Pyrometer (Strahlungsthermometer) wird zum Beispiel in Schulen zum Fiebermessen benutzt.

    Lösung

    Stoffe haben verschiedene Stoffeigenschaften. Beim Thermometer macht man sich die Temperaturabhängigkeit bestimmter Eigenschaften von Stoffen zunutze:


    • Bei einem Ausdehnungsthermometer wendet man die Tatsache, dass die Länge beziehungsweise das Volumen von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen mit steigender Temperatur zunimmt, an.
    • Widerstandsthermometer basieren auf der Eigenschaft, dass Stoffe den elektrischen Strom abhängig von der Temperatur gut oder weniger gut leiten.
    • Sehr nützlich sind auch Flüssigkeiten, deren Farbe von der Temperatur abhängig ist. Diesen Effekt nennt man Thermochromie, was vom Altgriechischen „chróma“ kommt – auf Deutsch „Farbe“. Häufig wird dieser Effekt in einem Folienthermometer angewendet.
    • Bei einem Strahlungsthermometer macht man sich zunutze, dass jeder Körper Wärmestrahlung abgibt, die für das menschliche Auge unsichtbar ist.

  • Erkläre die Funktionsweise eines Flüssigkeitsthermometers.

    Tipps

    Wasser gefriert bei $0~^\circ\text{C}$.

    Auch ein Lineal hat eine Skala.

    Das französische Wort „réservoir“ bedeutet so viel wie „Tank“ oder „Speicher“.

    Lösung

    Bei einem Flüssigkeitsthermometer wird die Temperatur anhand der Wärmeausdehnung einer Flüssigkeit gemessen. Ein solches finden wir oft auf dem Balkon. Mit diesem Thermometer sollte man in einem Bereich zwischen $\boldsymbol{-50~^\circ\text{C}}$ und $\boldsymbol{+50~^\circ\text{C}}$ messen können.

    Wäre die Flüssigkeit Wasser, würde das Thermometer möglicherweise platzen, wenn sich die Temperatur dem Gefrierpunkt nähert. Daher wird meistens Ethanol verwendet:
    Es hat eine Gefriertemperatur von ca. $\boldsymbol{-115~^\circ\text{C}}$ und eine Siedetemperatur von ca. $+ 78~^\circ\text{C}$ .

    Es gibt ein schmales Röhrchen, in dem das Ethanol hochsteigt, wenn die Temperatur steigt. Neben dem Röhrchen befindet sich eine Skala, welche die zu der Ausdehnung gehörige Temperatur anzeigt. Der Ethanolvorrat befindet sich im sogenannten Reservoir.

  • Kennzeichne die Stoffeigenschaften.

    Tipps

    Das Volumen ist der Rauminhalt eines Körpers.

    Elektrisch leitfähige Stoffe leiten den elektrischen Strom.

    Lösung

    Stoffe und Körper, die aus Stoffen aufgebaut sind, haben bestimmte Stoffeigenschaften:

    • Ein Körper hat zum Beispiel eine bestimmte Länge oder ein bestimmtes Volumen.
    • Manche Stoffe wie Metalle leiten den elektrischen Strom. Andere Stoffe hingegen leiten ihn nicht, beispielsweise Kunststoffe oder Gummi.
    • Auch seine Farbe ist eine Eigenschaft eines Stoffes.

    Beim Thermometer macht man sich die Temperaturabhängigkeit bestimmter Eigenschaften von Stoffen zunutze:

    • Bei einem Ausdehnungsthermometer wendet man die Tatsache, dass die Länge beziehungsweise das Volumen von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen mit steigender Temperatur zunimmt, an.
    • Widerstandsthermometer basieren auf der Eigenschaft, dass Stoffe den elektrischen Strom abhängig von der Temperatur gut oder weniger gut leiten.

  • Entscheide, welches Thermometer gemeint ist.

    Tipps

    Bei einem Ausdehnungsthermometer wendet man die Tatsache, dass die Länge beziehungsweise das Volumen von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen mit steigender Temperatur zunimmt, an.

    Das digitale Fieberthermometer und das Grillthermometer gehören zur gleichen Kategorie.

    Ein Pyrometer kann man auch Infrarotthermometer nennen.

    Lösung

    1) Mit diesem Thermometer lässt sich die Kerntemperatur eines Steaks messen, um den perfekten Garpunkt im Fleischkern zu treffen.
    $\to$ Widerstandsthermometer

    2) Das Pyrometer wird gern zur Fiebermessung in Schulen verwendet, da man es nur vor die Stirn halten muss.
    $\to$ Strahlungsthermometer

    3) Dieses Thermometer enthielt früher Quecksilber, das eine hohe Siedetemperatur hat, jedoch hochgiftig ist.
    $\to$ Flüssigkeitsthermometer

    4) Beim Bimetallthermometer ist das Bimetall zu einer Spirale aufgerollt: Die Temperatur wird angezeigt, wenn die Spirale ihre Form ändert.
    $\to$ Ausdehnungsthermometer

    5) In manchen Haushalten findet man heute noch ein altmodisches Fieberthermometer, das man in den Mund stecken muss und bei dem eine Skala die Körpertemperatur anzeigt.
    $\to$ Ausdehnungsthermometer

    6) Doch viele besitzen heutzutage digitale Fieberthermometer, welche die Körpertemperatur nicht mittels einer Skala, sondern auf einem kleinen Bildschirm digital anzeigen.
    $\to$ Widerstandsthermometer

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