Temperatur (Teil I)

Brownsche Bewegung

Die Moleküle führen eine permanent, unregelmäßige, chaotische Zitter- und Zickzackbewegungen aus.

© unmuseum

Das von Heron von Alexandria entwickelte Gerät gilt als das älteste bekannte Instrument zur Temperaturmessung. Es handelt sich um ein sogenanntes Thermoskop, eine thermische Variante des Heronballs, welches sich in Abhängigkeit von erwärmter Luft ausdehnt. Damit war es möglich mittels Luftdruckänderungen Flüssigkeiten zu bewegen. Das Thermoskop gilt auch als ursprüngliche Form des Goethe-Barometers mit dem Schwerpunkt auf Temperaturänderung.

Erste Thermoskope in Europa

Thermoskope tauchten in Europa erst wieder zu Begin des 17. Jh. auf. Besonders Galileo Galilei (1564-1642) und Santorio Santorio zählen zu den Begründern neuzeitlicher Thermoskope - Thermometer. Sie waren die Ersten die nachweisen konnten, dass die Körperwärme eines gesunden Menschen stets konstant ist. Galileo Galilei verwendete ein Thermoskop, das aus einer Glaskugel mit angesetzter Röhre bestand, welche er mit dem unteren Ende in gefärbtes Wasser eintauchte. Bei einer Erwärmung dehnt sich die Luft in der Glaskugel aus, und die Wassersäule wird in der Glasröhre nach unten gedrückt. 1 Nach dem selben Prinzip funktionieren auch Geysire. Allerdings sorgt hier nicht die erhitzte Luft, sondern der unterirdische Dampfdruck für das Hochspritzen des Wassers.

Wärme in Antike und Neuzeit

Bereits die antiken Atomisten vermuteten, dass Wärme eine Form der Bewegung ist. Aber erst 2000 Jahre später im 17. Jh. wurden erste Anhaltspunkte dafür gefunden. Der britische Philosoph Francis Bacon (1561-1626) definierte Wärme als örtliche Bewegung und Descartes und Hooke beschrieben sie als unaufhörliche Bewegung von Teilchen. 2

Wärmestofftheorie

Obwohl gegen Ende des 17. Jh. ein Zusammenhang zwischen Wärme und Arbeit bereits diskutiert wurde, setzte sich lange Zeit die Wärmestofftheorie von Joseph Black durch. Diese besagt, dass ein gewichtsloser, elastischer Stoff (Calorique) beim Erwärmen eines Stoffes in dessen Poren eindringt und ihn dadurch ausdehnt. 3 Am Ende des 18. Jh. kam die Stofftheorie in Bedrängnis, als Benjamin Thompson, der spätere Graf Rumford, bemerkte, dass beim Bohren von Messingkanonen sich Bohrer, Kanone und Späne immer erhitzen, egal wie oft oder lang er das Experiment durchführte. Dies ließ ihn annehmen, dass Wärme eben kein Stoff ist, der ja beim dutzendfachen Wiederholen des Versuchs irgendwann zur Neige gehen müsste. 4 Heutzutage wird seine Argumentation als Beweiß gegen die Existenz eines Wärmestoffes und für die Gleichheit von Wärme und mechanischer Energie gesehen. Einige Anhänger der Wärmestofftheorie jedoch ließen sich lange Zeit nicht von ihrem Irrglauben abbringen.

Brownsche Molekularbewegung

Als Brownsche Molekularbewegung wird die vom schottischen Botaniker Robert Brown im Jahr 1827 wiederentdeckte, thermisch getriebene Eigenbewegung der Moleküle bezeichnet. Weniger bekannt ist, dass bereits 1785 Jan Ingenhousz die Bewegung von Holzkohlestaub auf Alkohol beschrieb. Brown wies dies anhand von Pollen, deren Bewegung er unter dem Mikroskop in einem Wassertropfen beobachtete nach. Diese Pollenteilchen führten dabei unregelmäßige, chaotische Zitter- und Zickzackbewegungen aus. Die Erklärung hierfür liefern die Moleküle, die permanent von allen Seiten gegen die größeren, sichtbaren Pollenteilchen stoßen. Diffusion und Osmose basieren auf dieser Molekularbewegung. 6 Erst J. R. von Mayer (1842), H. von Helmholtz, Graf Rumford und J. P. Joule erkannten, dass mechanische Energie in Wärme und Wärme in mechanische Energie umgewandelt werden können. 7 Seit diese Erkenntnisse als Basis aller der mit den Begriffen Wärme, Temperatur und Druck verknüpften Erscheinungen erkannt wurde, nennt man die alte Wärmelehre modern statistische Thermodynamik.

Wärme

Was wir im Alltag als Wärme kennen, entspricht auf mikroskopischer Ebene einer ungeordneten Bewegung der kleinsten Materiebestandteile – sei es, dass die Atome bzw. Moleküle eines Gases durcheinanderfliegen, oder die eines Festkörpers gegeneinander vibrieren. Diese ungeordnete Bewegung heisst auch Wärmebewegung und ist umso heftiger, je höher die Temperatur des betroffenen Systems ist. 8 Bei noch

Die Temperatur eines Körpers ist ein Maß für die Energie der ungeordneten Bewegung der Teilchen aus denen der Körper besteht. 9

größeren Temperaturen können sie sogar die Struktur eines festen Körpers aufbrechen. Die Substanz erfährt dann einen Phasenübergang vom festen zum flüssigen Zustand. Entsprechend wechselt die Substanz in die Gasphase, wenn die Bewegung der Moleküle zu stark wird, um sie in der Flüssigkeit zu halten. 10

Heronsball

Heronsball

Durch Gasdruck aus einer Röhre wird Flüssigkeit aus dem Gefäß herausgetrieben.

© LMU-München

Der Heronsball ist schlicht ein Gefäß mit einer Röhre, aus der durch Gasdruck Flüssigkeit herausgetrieben wird. Er wird heute noch verwendet in Spritzflaschen der Chemiker, in Parfümzerstäubern und in Schankgefäßen für Bier oder Mineralwasser. Solch ein Schankgefäß wird fälschlicherweise als Syphon (oder Siphon) bezeichnet. Wenn heutzutage ein Barkeeper Sprudelwasser aus einem Syphon in ein Glas spritzt, käme wohl niemand auf die Idee, dass dieses Prinzip von Heron als Feuerlöscher beschrieben wurde. Der Heronsball ermöglicht die Erzeugung eines kontinuierlichen Wasserstrahls, und Heron beschreibt als erster tragbare, zweizylindrige Kolbenpumpwerke aus Bronze mit Wasserkasten und einer Art Wendestrahlrohr. Lässt man einen Heronsball mit gefüllter Röhre (vorher ein wenig hineinblasen) möglichst aufrecht fallen, so spritzt Flüssigkeit während des Fallens in hohem Bogen heraus. Im freien Fall verliert die Flüssigkeit ihr Gewicht und somit ihren hydrostatischen Druck. Die Luft im Innern kann sich ungehindert ausdehnen und treibt die Flüssigkeit heraus. Der mit dem Wetter schwankende Luftdruck ändert die Steighöhe des Wassers im Röhrchen. Somit ist ein Heronsball auch eine Art Goethe-Barometer. 11

Flüssigkeitsthermometer

Da Stoffe bei verschiedenen Temperaturen verschiedene Volumina einnehmen, benutzt man das Flüssigkeitsthermometer zur Temperaturmessung. Hierbei ist eine festgelegte Flüssigkeitsmenge in einem Glaszylinder eingeschlossen. Bei einer Temperaturerhöhung dehnt sich die eingeschlossene Flüssigkeit aus, so dass nach geeigneter Kalibrierung auf eine bestimmte Temperatur geschlossen werden kann. Ähnliches gilt bei Temperaturerniedrigung. Die am meisten genutzten Flüssigkeitsthermometer sind Quecksilberthermometer. Zwischen 0 °C und 100 °C kann eine Genauigkeit von ±0,01K erreicht werden. Anstelle von Quecksilber (Erstarrungspunkt -39 °C)  werden bei tiefen Temperaturen auch andere Füllflüssigkeiten verwendet, z.B. kann mit Pentan bis -200 °C gemessen werden. 12