Ausdehnungs-Thermometer
(History of Expansion Thermometer)
Historische Entwicklung
Dr. W. Schütze
ATM J210-1
Juli 1935 (July 1935)
Gas-Thermometer
Die Anfänge der Thermometrie und damit der Herstellungsmethoden der Ausdehnungs-Thermometers reichen zurück bis in das 16. und 17. Jahrhundert. Galilei konstruierte um 1600 einen Apparat, der zweifellos Temperaturschätzungen festzustellen ermöglichte, obwohl wir heute Galileis Apparat nicht als Thermometer sondern als Thermoskop bezeichnen müssen, denn nach den uns durch einige Zeitgenossen Galileis überlieferten Beschreibungen bestand der Apparat aus einen kugelförmigen Glasgefäß, an das ein Glasrohr von der Weite eines Strohhalmes angeschmolzen war, und Galilei zeigte mit diesem äußerst primitiven Apparat die durch Erwärmung erfolgte Ausdehnung der Luft, indem er das Gefäß mit den Händen erwärmte und dann das enge Rohr in ein mit Wasser gefülltes Gefäß tauchte. Das in diesem Instrument eingeschlossene Luftvolumen war somit gleichzeitig der Einwirkung der Temperatur und auch des Luftdrucks ausgesetzt. Einen in den folgenden Jahren von Galilei verbesserten Apparat, dessen Steigrohr in 100 Grade eingeteilt war, benutzte der Arzt Santorio (1561…1636) in Padua zu Messungen an Fieberkranken, indem er die Kugel in den Mund des Patienten brachte, den Punkt bezeichnete, bis zu den Flüssigkeit in der Rohregetrieben wurde und auf diese Weise entscheiden konnte, ob der Kranke Fieber hatte oder nicht. Durch Santorio wurde daher dieser erste Temperaturmeßgerät allgemeiner bekannt.
Die Erben der Tätigkeit Galileis auf experimentellem Gebiet, die Mitglieder der Akademia del Cimento in Florenz, konstruierte das erste Luftthermometer. An diesen Temperatur-Meßapparaten waren einige in die Augen fallende Vorzüge unverkennbar, denn diese Apparate konnten leicht hergestellt werden und zeigten große Temperatur-Schwankungen viel schneller an, als andere Temperaturmeßapparate, die eine Flüssigkeit als Thermometrische Substanz besitzen. Anderseits aber war mit diesem Instrument der Nachteil verbunden, daß die Höhe der Flüssigkeitssäule in der Rohre nicht nur von dem Druck der Atmosphäre abhing und daher der Apparat über die Temperatur als solche keine genauen Angaben lieferte.
Carlo Renaldini, ein frühes ausgezeichnetes Mitglied der Akademie, machte in seinem 1694 in Padua erschienenen Werk, „Philosophia naturalis“ darauf aufmerksam, daß der Schmelzpunkt von Eis und der Siedepunkt des Wassers als Fixpunkte zur Graduierung des Thermometers benutzt werden könnten, und er machte zu diesem Zweck praktische Vorschläge, die aber von seinen Zeitgenossen nicht genügend beachtet wurden. Auch andere Forschern desselben Jahrhunderts, wie Halley und Newton war die Konstanz der Siedehitze des Wassers bekannt, aber sie alle machten von ihren Kenntnissen noch keine Anwendung auf die Graduierung des Thermometers.
Ein wirkliches Luftthermometer konstruierte um 1700 der Franzose Amontons. Sein Luft- oder Gasthermometer ist das erste, dessen Wirksamkeit auf dem von Boyle 1662 und Mariotte 1679 gefundenen Gasgesetz beruht, wonach die Zunahme des Druckes eines Gases direkt proportional der Temperaturzunahme ist, unter Voraussetzung der Konstanz der Dichte, gemäß der Proportion; p : p0 = v0 = v0 :v, wenn p0 und v0 den Druck und das Volumen derselben Gasmenge im Anfangzustand und p und v in irgendeinem anderen Zustande bezeichnen.
Obgleich jahrzehntelang an der Vervollkommnung des Luftthermometers gearbeitet worden war, so konnte es doch für den täglichen Gebrauch nicht in Frage kommen, weil es wegen seiner Länge in der Handhabung umständlicher war als die Thermometer, die eine Flüssigkeit als thermometrische Substanz enthalten.
Flüssigkeits-Thermometer.
Wie die Gasthermometer, so entstanden auch die Flüssigkeitsthermometer in der ersten Hälfte des 17. Jahrhunderts. Sie beruhen auf der Tatsache, daß sich das Ende einer in eine Röhre eingeschlossenen Flüssigkeit infolge der durch Temperaturveränderungen hervorgerufenen Volumenänderung fortbewegt. Als thermometrische Substanz diente anfangs Wasser. Ein solches auf der Ausdehnung des Wassers beruhendes Thermometer hatte im Jahre 1631 der Arzt Jean Rey in Gebrauch, jedoch ist die Entwicklung und der gebrauch des Wasserthermometers wohl nur von kurzer Dauer gewesen, denn schon nach einem Jahrzehnt gab es Thermometer, die Weingeist als thermometrische Substanz enthielten, und die nach uns von Daviso 1654 überlieferten Beschreibungen sogar zwei Fundamentalpunkte aufwiesen, indem als solche die Bluttemperatur (37o C) und die Temperatur einer Mischung von Kochsalz und Schnee (-21o C) bestimmt waren. Um 1660 waren bei den Akademikern der Florentiner Accademia del Cimento solche Weingeistthermometer in Gebrauch. Die in dieser Zeit allgemein gebräuchlichen Florentiner Thermometer besaßen eine Skala, die in 50, 60, 70 und 100 Grade eingeteilt war. Die Gradzahlen waren durch Emailleknöpfe oder Glasperlen gekennzeichnet. Das in 50o geteilte Thermometer zeigte in der Toskana mit 11..12o die größte Winterkälte und mit 40o die größte Hitze an.
In der folgenden Zeit sind alle Verbesserungs-Vorschläge in der Hauptsache auf die Festlegung von Fundamentalpunkten gerichtet, aber alle diese bis zum Ende des 17. Jahrhunderts reichenden Bestrebungen führten zu keinem vollen Erfolg. Auch die immerhin nennenswerten Arbeiten von Halley und Newton bedeuteten noch keien wesentlichen Fortschritt, wenngleich die Temperaturskala Newtons einige Verbesserungen aufwies. Zu der Zeit, als diese beiden Forscher lebten, gelangte die Konstanz der beiden festen Temperaturen des Wassers für die Temperaturskala noch nicht zur Anwendung und für den Fall, daß eine Anwendung die Festsetzung des einen der beiden Fundamentalpunkte erfolgt wäre, so hätte man damit doch keinen unbedingt brauchbaren Fixpunkt erhalten, weil beide Forschern bei ihren Beobachtungen die Abhängigkeit des Siedepunktes vom Luftdruck entgangen war.
In den verbesserten Abkömmlingen des Weingeist-Thermometers, dem heute allgemein gebräuchlichen Quecksilber-Thermometer, sollte dieses Problem in den ersten Jahren des 18. Jahrhunderts endlich gelöst werden. Dies geschah 1720 durch den geschickten Danziger (since 1945 Gdansk) Glasbläser Fahrenheit. Schon in der Wahl des Quecksilbers als Thermometrische Substanz für das einfachste Temperaturmeßinstrument liegt ein unbestreitbares Verdienst von Fahrenheit. Zweifellos besitzt ein Thermometer, das Quecksilber als Thermometrische Substanz erhält, wesentliche Vorzüge vor anderen Flüssigkeitsthermometern, denn es benetzt nicht die Glaswandungen, bleibt bei immerhin großen Temperaturunterschieden flüssig, folgt verhältnismäßig schnell jeder Temperaturänderung und ist leicht rein darzustellen. Fahrenheit ist ferner der erste, der alle seine Thermometer vor dem Gebrauch auskochte. Mit solchen Thermometern führte er seine scharfsinnigen Beobachtungen aus. Durch Fahrenheit war somit die Thermometrie in der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts in neue Bahnen gelenkt worden und seine einen gewaltigen Schritt vorwärtsgekommen.
Noch einmal aber erfolgte zu Lebzeiten Fahrenheits ein Rückschritt durch einen Mann, nämlich Réaumur. Er wählte 1730 unter Bezugnahme auf einem Vorschlag von Amontons wieder Weingeist als thermometrische Substanz und wechselte wiederholt die Gradzahlen für Eispunkt und Siedepunkt, bis schließlich die Skala 0…80o entstand.
Für die hundertteilige Skala, die heute wissenschaftlich allgemein gebräuchlich ist, hat dann der schwedische Mathematiker Celsius im Jahre 1742 die Bahn freigemacht. Er setzte 100 an die Stelle von schmelzendem Eis und 0 an die Stelle von siedendem Wasser. Er erhielt aber den Gefrierpunkts des Wassers mit dem Schmelzpunkt des von Eis für übereinstimmend. Nach ihm hat im folgenden Jahre Linné, nach Angaben von einiger Autoren Ströme, ein Schüler von Celsius, die Fixpunkte wieder vertauscht, so daß wohl Linné das Verdienst zukommt, als erster die Zentesimalskala, die jedoch nach Celsius benannt ist, mit 0o als Eispunkt und 100o als Siedepunkt in Anwendung gebracht zu haben.
Ein Abschluß in der Entwicklung des Quecksilberthermometers wird dann wieder durch einen Franzosen de Luc im Jahre 1772 herbeigeführt, in dem er die Thermometer nach Réaumur wegen ihrer schlechten Qualität als unbrauchbar verwirft und nachweist, daß Thermometer mit Quecksilber als Füllsubstanz den größten Wert der Zuverlässigkeit besitzen, während das Alkoholthermometer von da ab nur auf die Fälle beschränkt blieb, in denen das Quecksilberthermometer versagte. Das Jahr 1772 konnte man nach so viel Irrungen als Wendepunkt in der Geschichte des Quecksilberthermometer bezeichnen, denn von diesem Jahre ab nimmt die Verbreitung des Quecksilberthermometers immer mehr zu, und es kommt nunmehr weit genauere Temperaturmessungen ausgeführt werden als bisher. In der Folgezeit gelang es immer mehr, die Mängel, die dem Quecksilberthermometer noch anhaften, zu beseitigen.
Maximum- und Minimum-Thermometer.
15 Jahre nach dem für die Thermometrie bedeutungsvollem Jahr 1742 wurde die Konstruktion des sogenannten Maximum- und Minimum-Thermometers von Cavendish angegeben, dessen Herstellung hohe Anforderungen an die Glasbläser seiner Zeit stellte. Die Angaben von Cavendish benutzte der Pariser Glaskünstler Walferdin 1840 zur genauen Bestimmung höherer Temperaturen bei möglichst geringen Differenzen der einzelnen Gradabstände und schuf so das „metastatische Thermometer“. Die ganze Skala enthält nur 3 oder 4 Grade, die jedoch eine solche Länge aufweisen, daß Temperatur-Differenzen bis zu 0,001o abgelesen werden konnten. Dieses Maximum- und Minimum-Thermometer von Cavendish wurde im Jahre 1782 von Six in der Weise verbessert, daß man es zur Bestimmung höchster und tiefster Temperaturen während eines bestimmten Zeitraumes und damit insbesondere für meteorologische Zwecke verwenden konnte. Auf demselben Prinzip wie das Six-Thermometer beruhte das sehr gebräuchliche Maximum- Minimum-Thermometer von Rutherford aus dem Jahre 1794.
Literatur
1. F. Burckhardt, Die Erfindung des Thermometers und seine Gestaltung im 17. Jahrhunderts, Karl Schultzes Universitätsbuchdruckerei Basel 1867, S. 1..48
2. F. Burckhardt, Die wichtigsten Thermometer des 18. Jahrhunderts, Karl Schultzes Universitätsdruckerei Basel 1871, S. 1..30
3. Dr. E. Gerland, Geschichte der Physik, 1. Auflage, Leipzig, J.J. Weber 1892
4. Heller, August, Geschichte der Physik, 1. Auflage, Stuttgart, Ferdinand Enke 1882 und 1884, Bd. I und II.
5. E. Hoppe, Geschichte der Physik, 30. Auflage, Braunschweig, Vieweg u. Sohn 1926
6. A. v. Oettingen, Abhandlungen über Thermometer von Fahrenheit, Réaumur und Celsius, Leipzig, Ostwalds Klassiker Nr. 57 1894.
7. J.C. Poggendorf, Geschichte der Physik, 1. Auflage, Leipzig, Joh. Ambr. Barth 1879
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