Zwischen Quecksilber und Dampfdruck

Das Thermometer, wie es Daniel Fahrenheit vorgestellt hat, hat sich lange Zeit als Standard durchgesetzt. Diese Art der Temperaturmessung wird auch als Berührungsthermometer bezeichnet, da es in direktem Kontakt mit dem Medium, dessen Temperatur ermittelt werden soll, steht. Auch wenn das Grundprinzip ähnlich geblieben ist, haben sich im Laufe der Jahrhunderte einige Verbesserungen und Spezialformen von Berührungsthermometern herausgebildet.

Fahrenheits Thermometer funktionierte nach einem einfachen Prinzip: In einem von Glas umschlossenen Reservoir befindet sich Quecksilber. Wenn sich die Temperatur erhöht, dehnt sich das Quecksilber aus und steigt in einer Kapillare nach oben. Dort kann anhand einer Skala die Temperatur abgelesen werden. Wenn das Quecksilber wieder kälter wird, läuft es zurück in das Reservoir und auch die angezeigte Temperatur sinkt.

Probleme in der medizinischen Anwendung

Letzteres erwies sich in der frühen Medizin häufig als unpraktisch, da das Pflegepersonal zwar dafür zuständig war, die Temperatur der Patienten zu messen, das letztliche Ablesen des Thermometers aber in den Aufgabenbereich der Ärzte fiel. Da die Temperaturmessung mit den Thermometern des 18. und 19. Jahrhunderts zusätzlich noch recht lange dauerte, mussten diese bis zur Visite teilweise stundenlang beim oder sogar im Patienten bleiben.

Die erlösende Erfindung wird dem Tübinger Internisten Karl Ehrle um das Jahr 1868 zugeschrieben: Durch eine Verengung oberhalb des Quecksilberreservoirs kann sich das flüssige Metall bei Erwärmung zwar ungehindert ausdehnen, wenn die Umgebungstemperatur aber wieder sinkt, reißt der Quecksilberfaden ab und die angezeigte Temperatur ändert sich nicht. Um das Thermometer zurückzusetzen, muss das Quecksilber wieder zurück ins Reservoir geschüttelt werden – damit war das Fieberthermometer erfunden.

Detox der Thermometerflüssigkeit

Einen weiteren gesundheitlichen Vorteil brachte der Trend, Quecksilber durch Alternativen zu ersetzen, da das giftige Metall besonders bei Schäden am Thermometer Probleme verursachen kann. Heutzutage werden analoge Berührungsthermometer hauptsächlich mit rot oder blau gefärbtem Alkohol, vorwiegend Ethanol, befüllt. Da dieser allerdings einen recht niedrigen Siedepunkt besitzt, können die Alkohol-Thermometer nur bei Temperaturen bis etwa 70 Grad Celsius eingesetzt werden.

Oberhalb dieser Temperaturen schafft die Gallium-Legierung „Galinstan“ Abhilfe. Sie siedet erst bei etwa 1.300 Grad Celsius und ist dadurch für besonders hohe Temperaturmessungen geeignet. Ein Nachteil des Galinstans ist allerdings, dass es sehr stark an Oberflächen haftet, weshalb die Innenseiten der Thermometer aufwändig mit Galliumoxid beschichtet werden müssen.

Digitaler Fortschritt

Als Gegenstück zu den analogen Modellen, in denen eine Flüssigkeit ein Glasrohr emporsteigt, haben sich im Laufe des letzten Jahrhunderts elektronische Berührungsthermometer durchgesetzt. Die digitalen Messgeräte besitzen einen sogenannten Thermistor, einen temperaturabhängigen Widerstand, der meist aus einem Reinmetall wie Platin besteht.

Der Thermistor ist an einen Stromkreislauf angeschlossen, dessen Stromstärke absichtlich niedrig gehalten wird. Dadurch wird sichergestellt, dass sich der Widerstand nicht elektrisch bedingt erwärmt und so das Messergebnis verfälscht wird. Das Gerät misst letztlich, wie sich die Stromstärke des Kreislaufs ändert und da diese proportional zum Messwiderstand ist, kann es so auf die Temperatur zurückschließen. Das Ergebnis wird dann auf einem Display wiedergegeben.

Analoges Berührungsthermometer ohne Flüssigkeit

Auch die sogenannten Bimetallthermometer arbeiten mit festen statt flüssigen Metallen. Sie machen es sich zu Nutze, dass sich unterschiedliche Metall-Legierungen temperaturbedingt unterschiedlich stark ausdehnen. Zum Tragen kommt dies durch einen Bimetallstreifen, also ein Band, das aus zwei unterschiedlichen Metallen zusammengefügt ist. Dieses Band ist meist spiral- oder schraubenförmig aufgewickelt und verformt sich, wenn es wärmer oder kälter wird. Über einen analogen Zeiger am Ende des Metallstreifens kann letztlich die Temperatur abgelesen werden.

Dampfdruckthermometer, die vorrangig in der Kühl- und Klimatechnik eingesetzt werden, zählen ebenfalls zu den Berührungsthermometern. Sie funktionieren über den Sättigungsdampfdruck von Flüssigkeiten, der sich einstellt, wenn sich ein Stoff im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen dem flüssigen und gasförmigen Aggregatszustand befindet.

Da dieser spezifische Druck im Gleichgewicht stark temperaturabhängig ist, kann über einen Drucksensor ein Rückschluss auf die Temperatur des Stoffes gezogen werden. Je nach Anwendungsbereich kommen hierbei verschiedene Messflüssigkeiten zum Einsatz: In den Messzellen herkömmlicher Dampfdruckthermometer werden unter anderem Alkohole oder Ammoniak eingesetzt, bei besonders niedrigen Temperaturen befinden sich verflüssigte Gase wie Stickstoff oder Wasserstoff im Messbehälter.