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Thermometer

Thermometer

Je nachdem Temperatur- oder Wärmemessungen für allgemeine oder besondere (technische oder wissenschaftliche) Zwecke auszuführen sind, hat man den Thermometern verschiedene Formen und verschiedenen Inhalt gegeben. Alle Thermometer müssen aber, falls sie zuverlässige Angaben liefern sollen, mit Normalthermometern verglichen werden. Als solches gilt nach dem Gesetz vom 1. April 1898 das Gasthermometer, bei dem die Ausdehnung oder Druckzunahme eines bestimmten Volumens Wasserstoffgas gemessen wird; man nimmt dabei an, daß gleiche Änderungen des Volumens oder der Spannung eines Gases durch gleiche Änderungen seiner Temperatur verursacht werden. Es entsprechen sich folgende Stände bei Thermometern mit:

Ein Gasthermometer ist innerhalb viel weiterer Temperaturgrenzen brauchbar als das Quecksilberthermometer. Auch hat die Verschiedenheit der Ausdehnung verschiedener Glassorten auf die Angaben der Gasthermometer weit geringern Einfluß als auf die Quecksilberthermometer, da Gas sich 146mal, Quecksilber nur 7mal stärker ausdehnt als Glas. Die Benutzung eines Gasthermometers ist aber unbequemer, weil man die Temperatur nicht direkt ablesen, sondern jedesmal durch einen mehr oder minder umständlichen Versuch ermitteln muß.

1. Jollys Luftthermometer.

2. Hahn.

Alle Gasthermometer besitzen ein Gefäß L (Fig. 1), das durch ein Kapillarrohr C mit einem aus zwei Schenkeln A und B bestehenden Manometer verbunden werden kann. Das Gefäß L wird in den Stoff gesenkt, dessen Temperatur bestimmt werden soll. Bei Jollys Luftthermometer sind A und B durch den Kautschukschlauch S und ein stählernes Zwischenstück verbunden. Mittels der Schlitten HH' werden A und B an der Säule emporgeschoben und an beliebiger Stelle mittels der Klemmschrauben ss' befestigt. In der Röhre A befindet sich bei m eine Spitze, die als Marke dient. Der Hahn R ist so durchbohrt, wie Fig. 2 zeigt. Der Silberspiegel MM' mit Skala gestattet, die Höhendifferenz der beiden Quecksilbersäulen abzulesen. Ist der Ausdehnungskoeffizient der Glassorte bekannt, so wird das Verhältnis v: V ermittelt. V ist das Volumen des Gefäßes L und des Teiles des Kapillarrohrs, der die zu messende Temperatur annimmt, v das Volumen des übrigen Kapillarrohrs und des Stückes von A bis zur Spitze m.

3. Rutherfords Maximum- und Minimumthermometer.

Der Apparat wird bei u abgeschraubt und mittels der Luftpumpe getrocknet. Dann schließt man den Hahn R (Stellung wie in Fig. 2) und läßt das Quecksilber steigen, indem man H' emporschiebt. Sobald der erste Tropfen Quecksilber aus der Längsbohrung von R austritt, dreht man diesen um 90°, so daß die Verbindung hergestellt ist. Man taucht L in einen Stoff, dessen Temperatur man kennt, und hebt B so hoch, bis das Quecksilber in A die Spitze m erreicht; der Stand des Quecksilbers in B wird notiert. Dann wird L in den zu messenden Stoff gebracht, A wieder wie vorher auf m eingestellt und der Stand in B abgelesen. Aus beiden Notierungen wie aus dem Luftdruck und der Außentemperatur kann die gesuchte Temperatur berechnet werden. Vgl. Ausdehnung, S. 133.

Um die Temperatur der Luft zu bestimmen, kann man entweder ein gut aufgestelltes Thermometer (s. Meteorologische Stationen) oder ein Aspirationsthermometer oder ein Schleuderthermometer benutzen. Letzteres besteht aus einem Thermometer mit einem Ringe oben, durch den man eine feste Schnur zieht; durch Herumschwingen des Thermometers (im Schatten) wird das Gefäß an stets neuer Luft vorbeigeführt, so daß es deren Temperatur rasch annimmt. Wird ein befeuchtetes Thermometer hinzugefügt, so erhält man ein Schleuderpsychrometer.

4. Sixsches Maximum- u. Minimumthermometer.

Rutherfords Maximum- und Minimumthermometer (Thermometrograph, Fig. 3) gibt die höchste und die niedrigste Temperatur an, die in einer gewissen Zeit geherrscht hat. Es besteht aus je einem Quecksilber- und Weingeistthermometer, deren Röhren horizontal liegen. In der Röhre des erstem schiebt das Quecksilber beim Steigen einen Stahlstift vor sich her, läßt ihn aber liegen, wenn es sich bei Abkühlung zusammenzieht. Im Weingeistthermometer befindet sich ein Glasstäbchen, das wegen der Oberflächenspannung des Weingeistes nicht aus ihm herausfallen kann; es folgt dem beim Sinken der Temperatur sich zusammenziehenden Weingeist, bleibt aber liegen, wenn er sich wieder ausdehnt. Die Einstellung geschieht durch Steigen beider Thermometer nach links. Das Sixsche Maximum- und Minimumthermometer (Fig. 4) besteht aus einer U-förmig gebogenen Röhre n o p, deren unterer Teil Quecksilber enthält. Das Gefäß d und der linke Schenkel sind bis auf das Quecksilber mit Weingeist gefüllt; im rechten Schenkel p q befindet sich über dem Quecksilber ebenfalls etwas Weingeist. Jeder Schenkel der Röhre enthält im Weingeist einen Stahlstift a und b, von denen der erstere bei fallender Temperatur, der letztere bei steigender Temperatur durch das Quecksilber hinaufgeschoben wird und dort liegen bleibt. Der Stift a gibt also das Minimum, der Stift b das Maximum der Temperatur seit der letzten Einstellung an. Diese wird durch einen von außen an die Röhre gehaltenen Magnet bewirkt, durch den man die beiden Stifte wieder bis zu den Quecksilberkuppen herabzieht. Das Six-Thermometer ist namentlich zum Messen der Temperatur der Meerestiefen sehr geeignet.

5. Fieberthermometer.

Bei dem Maximumthermometer von Negretti und Zambra, das jetzt sehr viel gebraucht wird, ist die Kapillare dicht über der Kugel etwas verengert (z.B. durch einen eingeschmolzenen Glassplitter). Solange die Temperatur steigt, steigt auch das Quecksilber; sobald es aber kühler wird, zerreißt der Quecksilberfaden an der Verengerung, weil hier die Kohäsionskraft nicht mehr groß genug ist. Wird später eine noch höhere Temperatur erreicht, so drängt Quecksilber durch die Enge und schiebt den Faden weiter bis zum höchsten Stande. Durch vorsichtiges, ruckweises Schwingen vereinigt sich das Quecksilber über der Enge mit dem in der Kugel und gibt dann die gerade herrschende Lufttemperatur an. Nach diesem Prinzip ist jetzt auch meist das Fieberthermometer (Fig. 5) konstruiert. Die Skala umfaßt nur wenige Grade, etwa von 33–43°, die allein für die Blutwärme in Frage kommen. Vor dem Gebrauch bringt man das Quecksilber ganz in das Gefäß, steckt letzteres in die Achselhöhle oder in den After des Kranken und wartet mindestens 10 Minuten bis zur Ablesung (s. Fieber, S. 553), die auf Zehntelgrade genau auszuführen ist. Über die Möglichkeit, durch Bestimmung des Siedepunktes mittels des Siedethermometers die Meereshöhe des Beobachtungsortes feststellen zu können, vgl. Höhenmessung, S. 448.

Die Bestimmung der Erdbodentemperatur und der Erdwärme wird je nach der Tiefe mit Thermometern verschiedener Konstruktion ausgeführt. In der Regel haben sie ein verhältnismäßig sehr großes Gefäß, damit sich der Stand des Quecksilbers beim Herausziehen aus dem Erdboden bis zum Ablesen möglichst wenig ändere. Für geringe Tiefen (bis zu 0,25 m) nimmt man vorteilhaft Erdbodenthermometer, deren Gefäß im Winkel so abgebogen ist, daß es bei dem zum Ablesen bequemen schrägen Einsetzen der Thermometer horizontal liegt; letztere brauchen dann nicht herausgenommen zu werden. Für größere Tiefen muß man Schutzröhren für die Thermometer anwenden, um sie beim Herausziehen zur Ablesung nicht zu beschädigen; von 0,25–1m benutzt man am besten glasierte Tonröhren, über 1 m Tiefe Neusilberröhren. Nur in sehr festem Boden kann man davon absehen.

6. Metallthermometer von Breguet.

Die früher beliebten Lamontschen Kasten, in denen die Thermometer in hölzerne Quadratstäbe eingelassen stecken, verfaulen in feuchtem Boden leicht und liefern dann entstellte Angaben.

7. Maximum- u. Minimum thermometer von Hermann und Pfister.

Bei Tiefen von mehr als 0,25 m läßt man das Thermometer in einen runden Holzstab ein, umgibt das Gefäß mit Asbestwolle und stülpt darüber eine Kupferkappe; das obere Ende des Stabes hat zum Schutz gegen das Eindringen von Regen und Schnee in die Tonröhre, in die der Stab gerade hineinpassen muß, einen übergreifenden Rand. Bei sehr großer Tiefe (in Potsdam 12 m) wird der Stab in mehrere durch Bajonettverschluß verbundene Teile zerlegt. Bei Temperaturmessungen in tiefen Bohrlöchern wendet man Geothermometer an. Bei ihnen endet die Kapillare in einer feinen Spitze, so daß bei einer bestimmten Temperatur dort Quecksilber ausfließt (Ausflußthermometer). Erwärmt man nachher das Thermometer in einem Wasserbade, bis das Quecksilber gerade wieder auszufließen droht, so kann man leicht diese Temperatur und somit auch die höchste im Bohrloch erreichte feststellen. Bei dem ähnlich konstruierten Gewichtsthermometer wird aus dem Gewicht des ausgeflossenen Quecksilbers auf die Temperatur geschlossen.

Zur Temperaturmessung benutzt man auch die Ausdehnung fester Körper (Metallthermometer), namentlich seit man aus der Nickelstahllegierung Invar für die Wärme fast unempfindliche Stative herstellen kann. In einem solchen Stativ spannt man einen Draht von schwer schmelzbarem Metall aus und bestimmt aus seinen Längenänderungen die Temperatur (Teisserenc de Borts Modell).

Das Metallthermometer von Breguet (Fig. 6) ist ein spiralförmig gewundenes, 1–2 mm breites, sehr dünnes Band, das aus Silber, Gold und Platin besteht. Drei Streifchen dieser Metalle sind so aufeinander gelötet, daß sich das Gold in der Mitte zwischen dem stärker ausdehnbaren Silber und dem weniger ausdehnbaren Platin befindet. Das Ende A der Spirale ist an einem Stativ befestigt, das Ende B trägt einen Zeiger c d, der über einer Kreisteilung schwebt. Beim Wechsel der Temperatur windet sich die Spirale auf oder zu und bewegt so den Zeiger, dessen Angaben nach einem guten Quecksilberthermometer reguliert werden. Das Instrument ist äußerst empfindlich. Bei dem abgebildeten Metallthermometer hängt ein an der Nadel c d befestigtes Stäbchen in das Quecksilbergefäß H H herab, das mit dem Messingbügel N N A nur durch das Spiralband in leitender Verbindung steht. Wird das Gefäß mit dem einen, der Bügel mit dem andern Pol eines galvanischen Stromes verbunden, so geht er durch die Spirale, die sich erwärmt und die Nadel um eine der Stärke des Stroms entsprechende Anzahl von Graden dreht. Auf demselben Prinzip beruht das Metall-Maximum- und Minimumthermometer von Hermann und Pfister (Fig. 7). Das eine Ende der Spirale s s, die aus zwei Metallstreifen, außen Stahl, innen Messing, zusammengelötet ist, ist in a angeschraubt, das andre Ende b ist frei. Steigt die Temperatur, so dehnt sich das Messing stärker aus als der Stahl, die Spirale öffnet sich, ihr freies Ende geht nach links und schiebt den leicht beweglichen Zeiger c d mittels des Stiftes p vor sich her; beim Erkalten schließt sich die Spirale wieder mehr, ihr freies Ende bewegt sich nach rechts, läßt den Zeiger c d auf der erreichten Maximaltemperatur stehen und schiebt nun den Zeiger f g mittels des Stiftes q nach rechts, wo er bei erneuter Erwärmung stehen bleibt und das Temperaturminimum anzeigt. Die bogenförmige Skala wird durch Vergleichung mit einem Quecksilberthermometer graduiert. Weiteres über Metallthermometer s. Meteorologische Registrierapparate.

8. Tiefseethermometer von Miller-Casella.

Die größte Empfindlichkeit besitzen elektrische Thermometer, die thermoelektrische Ströme oder den von der Temperatur abhängigen Widerstand in elektrischen Leitern zur Messung der Temperatur benutzen, wie es schon beim Breguetschen Metallthermometer erläutert war. Man benutzt diese Methode auch zur Kontrolle der Temperatur in abgeschlossenen oder entfernten Räumen (vgl. Elektrotechnische Meßinstrumente, S. 693, und Thermomètre automoteur). Die feinsten Instrumente dieser Art sind die Bolometer (s.d.), die namentlich Langley sowie Lummer und Kurlbaum verbessert haben.

Tiefseethermometer zur Messung der Wassertemperatur in den Tiefen des Meeres müssen dem hohen Wasserdruck der Tiefe gewachsen sein, sie dürfen durch denselben weder zerbrochen noch zusammengepreßt werden, weil dadurch ein zu hoher Stand des Thermometers erzeugt werden würde, sie müssen aber auch die in bestimmter Tiefe herrschende Temperatur fixieren, so daß die Thermometerangaben beim Passieren der höhern, anders erwärmten Wasserschichten nicht geändert werden. Das von Six angegebene Prinzip (s. oben) ist bei dem noch jetzt gebräuchlichen Thermometer von Miller-Casella vertreten. Eine heberförmig gebogene Glasröhre (Fig. 8) läuft an beiden Enden in Erweiterungen aus, deren linke eine Alkoholflüssigkeit, deren rechte zum Teil dieselbe Flüssigkeit, zum Teil Dämpfe aus derselben enthält. Der mittlere Teil der heberförmigen Röhre nimmt einen Quecksilberfaden auf, über dem in beiden Schenkeln ein Zeigerstäbchen liegt; dies Stäbchen besteht aus einer feinen Glasröhre mit eingeschlossenem Stahlstift und ist an seinen knopfartigen Enden mit elastischen Borsten versehen, die gegen die innere Wandung der Glasröhre drücken, so daß das Stäbchen stehen bleibt, wenn es nicht von dem Quecksilberfaden vor sich hergeschoben wird. Nimmt die Temperatur zu, so dehnt sich der Alkohol im linken Gefäß aus, tritt bei dem linken Zeigerstäbchen vorbei (dasselbe bleibt stehen), schiebt jedoch den Quecksilberfaden vor sich her, und letzterer nimmt das rechte Zeigerstäbchen mit; bei Temperaturabnahme tritt der Alkohol links zurück, die Dämpfe rechts drücken, ohne die Lage des rechten Zeigerstäbchens zu beeinflussen, den Quecksilberfaden nach links, und dieser schiebt nun eventuell den linken Zeigerstab vor sich her. Das untere Ende des linken Zeigerstabes zeigt demnach die niedrigste, das des rechten Stäbchens die höchste gemessene Temperatur an, die an für beide Schenkel angebrachten Skalen abgelesen werden können. Nach den Ablesungen werden die Zeigerstäbe mittels eines Magneten wieder bis zu den Quecksilberkuppen verschoben. Zum Schutze gegen die Kompression ist die Thermometerröhre von einer zweiten starken, zum Teil mit Alkohol gefüllten Glasröhre umgeben und sodann auf einem Hartgummirahmen befestigt. Zum Gebrauch wird das Instrument in einen Kupferzylinder gesetzt, der, mit Löchern versehen, das Wasser frei durchströmen läßt, und mit der Lotleine in die Tiefe, deren Temperatur gemessen werden soll, hinabgelassen.

9. Umkehrthermometer von Negretti-Zambra, nach dem Umkippen.

Das Instrument hat sich bei der Tiefseeforschung gut bewährt, besitzt jedoch den Mangel, daß es bei anormaler Temperaturverteilung, d.h. wenn unter einer kalten Wasserschicht wieder eine wärmere folgt, leicht falsche Angaben liefert, indem es, nur das Maximum und Minimum registrierend, in diesem Falle die Temperatur der kältesten und wärmsten Schicht angibt.

10 u. 10a. Tiefseethermometer von Richter.

Dieser Mangel wird bei dem Umkehrthermometer von Negretti-Zambra, London, vermieden. Die Röhre dieses Quecksilberthermometers (Fig. 9) ist unterhalb des zylinderförmigen Gefäßes verengert und mit einer S-förmigen Biegung versehen, in welch letzterer sich eine Erweiterung B befindet. Wird das Instrument schnell umgedreht, so reißt der Quecksilberfaden in der Biegung ab, und der abgerissene Faden fällt in das entgegengesetzte Ende der Röhre. Je höher die Temperatur, desto länger ist der abgerissene Faden, und eine an dem untern Teile der Röhre angebrachte Teilung gestattet hierdurch die im Moment des Umdrehens, resp. Abreißens des Quecksilberfadens herrschende Temperatur abzulesen. Dehnt sich bei zunehmender Temperatur das Quecksilber im Gefäß wieder aus, so soll ein Herabfallen desselben durch Aufnahme von der Erweiterung bei B verhindert werden. Die Thermometerröhre ist zum Schutze gegen Druck in eine starke Glasröhre eingeschmolzen, die zur bessern Wärmeleitung in der Umgebung des Gefäßes mit Quecksilber gefüllt ist._– Diese englischen Tiefseethermometer sind seit mehreren Jahren wesentlich übertroffen von dem allerdings auf demselben Prinzip beruhenden Thermometer des Berliner Glasbläsers Richter (Fig. 10). Die Erweiterung bei B (Fig. 10a) ist so stark S-förmig gekrümmt, daß ein Nachfließen von Quecksilber sicher verhindert ist_– was früher nicht der Fall war_– und es ist sodann in dem gläsernen Schutzmantel noch ein zweites kleines Thermometer M untergebracht. Da nämlich der abreißende Quecksilberfaden des Hauptinstruments Temperaturänderungen und damit immerhin nennenswerten Volumenänderungen während des Heraufholens zur Meeresoberfläche auch unterliegt, kann man eine Korrektion dafür aus den Angaben dieses sekundären Thermometers M herleiten. Erst seit der Anfertigung dieser Richterschen Instrumente können die Tiefseetemperaturen mit voller Genauigkeit gemessen werden.

Begreiflicherweise sind besondere Einrichtungen notwendig, um diese Thermometer in der Tiefe aus der aufrechten Stellung umzudrehen. Als Umkehrvorrichtungen wer den Metallrahmen etwa von der in Fig. 11 und 12 gezeichneten Form benutzt. In demselben ist das beschriebene Thermometer in einer Metallhülse L um eine Achse H drehbar befestigt, und zwar beim Hinablassen in die Tiefe so, daß das Thermometergefäß sich unten befindet, der Schwerpunkt des Thermometers aber oberhalb der Achse H liegt, die Aufhängung also eine labile ist. Durch eine Schraubenspindel P, die in den Kopf der Hülse eingreift, wird das Instrument in dieser Lage festgehalten. Mit der Spindel P steht ein Schraubenflügel C in Verbindung, dessen Achse sich im Lager D drehen kann; ein kleiner seitlicher Stift F greift zwischen die Vorsprünge einer am Rahmen befestigten Klampe M und begrenzt die Auf- und Abwärtsbewegung des Flügels und der Schraubenspindel. Ist der Apparat in die Tiefe hinabgelassen und wird nun wieder heraufgeholt, so dreht sich der Schraubenflügel C, und die Spindel P hebt sich aus der Thermometerhülse heraus, die letztere kippt mit dem Thermometer um (Fig. 12). Eine Feder K drückt einen Stift R in einen entsprechenden Schlitz der Hülse und verhindert weitere Bewegungen derselben.

Für Temperaturmessungen in geringen Tiefen, wie in der Ost- und Nordsee von festen Stationen, z.B. Feuerschiffen, haben in Hartgummihüllen eingeschlossene Thermometer gute Dienste geleistet. Infolge des schlechten Wärmeleiters ändern sie sehr langsam die Temperatur, bedürfen allerdings lange Zeit, um die zu messende Temperatur anzunehmen, bewahren dieselbe aber auch während des Aufholens des Thermometers aus der Tiefe.