Eine kleine Geschichte der Temperaturmessung

Dass es eine Temperatur gibt, bei der sich Wasser in Eis verwandelt, und dass es eine Temperatur gibt, bei der Wasser zu Gas wird – das wussten natürlich schon die Griechen und Römer der Antike. Aber messen konnten sie diese Temperatur nicht. Zwar waren sie erfindungsreich, wenn es um den Bau von Maschinen ging, für die Entwicklung der Temperaturmessung fehlte ihnen jedoch physikalisches Wissen. Nur ein Grundprinzip war bekannt, dessen Entdeckung dem griechischen Erfinder Philon von Byzanz zugeschrieben wird: Dass sich Luft bei Hitze ausdehnt und bei Kälte zusammenzieht, soll er in Experimenten mit einem ersten Luftthermometer bewiesen haben.

Galileo und seine Kollegen

Auch das Mittelalter musste noch ohne Thermometer auskommen. Am Beginn der Neuzeit gab es an vielen Orten Experimente in Sachen Temperaturmessung. Zugeschrieben wird der Bau des ersten Thermometers meistens dem italienischen Mathematiker und Wissenschaftler Galileo Galilei. Sein Thermoskop von 1592 war eine große Glaskugel mit einem langen, schmalen, offenen Hals. Darin stand senkrecht eine unten offene Röhre mit einem runden Kolben am oberen Ende. Erwärmt sich die Luft in dem Glaskolben, dehnt sie sich nach unten aus und drückt die Wassersäule in der Röhre nach unten. An der Höhe des Pegels lässt sich die Temperatur ablesen.

Die Temperaturskala

Wie aber benennt man Temperatur? Und wie konnte man die aus solchen Experimenten erhaltenen Ergebnisse vergleichen? Dazu fehlte eine einheitliche Skala. Für die musste man von zwei Fixpunkten ausgehen: einem niedrigen Wert und einem hohen Wert. Anfang des 18. Jahrhunderts gab es bereits rund 35 verschiedene Skalen, von einer genormten Temperaturmessung konnte man da also noch nicht sprechen. Überlebt hat aus der Zeit die Fahrenheit-Skala, die heute noch in den USA benutzt wird. Sie geht auf den Danziger Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit zurück, der ab 1706 mit Thermometern experimentierte und entdeckte, dass sich Quecksilber als Flüssigkeit besonders gut eignete, da es sich sehr gleichmäßig ausdehnt. Dazu wählte er drei weit auseinander liegende Temperaturfixpunkte, an denen er seine Skala ausrichten und so genauer machen konnte (Gefrierpunkt einer Salz-/Wassermischung, Gefrierpunkt des Wassers und die menschliche Körpertemperatur).

Von Fahrenheit zu Celsius

Da die Skala von Fahrenheit nicht sonderlich gut zu handhaben war, stellte der schwedische Astronom Anders Celsius 1742 eine neue Skala vor. Sie basierte auf den zwei Festpunkten, die überall auf der Welt gleich sind: Gefrierpunkt und Siedepunkt des Wassers. Den niedrigen Wert setzte er mit 100 an, den hohen Wert mit 0 gleich. Dazwischen hatte das „hundertteilige Thermometer“ 100 gleichmäßige Schritte. Kurz nach Celsius drehte sein Schüler Carl von Linné die Skala um. So entstand unsere heute gültige Temperaturskala. Nach Celsius benannt wurde sie aber erst seit 1948 – das geschah offiziell auf der weltweiten „9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht“.

Das Fieberthermometer

Schon Daniel Gabriel Fahrenheit hatte sich um die Entwicklung eines Fieberthermometers bemüht. Sein Modell war aber nicht wirklich praktikabel, denn es war rund 50 Zentimeter lang. Erst dem englischen Arzt Thomas Clifford Allbutt gelang 1867 die Entwicklung des nur 15 Zentimeter langen Thermometers, ähnlich wie wir es bis heute kennen. Allerdings haben Fieberthermometer seit etwa Mitte der 1970er-Jahre nicht mehr das giftige Quecksilber als Metallfüllung, sondern bedienen sich einer Legierung aus Gallium, Indium und Zinn oder eines Alkohols als Ausdehnungsflüssigkeit. Moderne digitale Thermometer arbeiten mit einem elektrischen Widerstand: Je wärmer es ist, umso kleiner wird der Widerstand, die elektronische Anzeige verändert sich entsprechend.

Von sehr kalt bis sehr heiß

Mit herkömmlichen Ausdehnungsthermometern lassen sich je nach Füllung Temperaturen zwischen etwa –220° C und +350°C messen. Was aber, wenn man den absoluten Nullpunkt oder die Temperatur der Sonne (5527° C auf der Oberfläche, 15 Millionen Grad Celsius, im Inneren) messen will? Noch niedrigere Temperaturen kann man nur rechnerisch bestimmen: Weil die Bewegungsenergie aller Teilchen eines Körpers immer weiter abnimmt, je kälter es wird, lässt sich ein Wert errechnen, bei dem die Teilchen keine Bewegung mehr aufweisen. Dieser absolute Nullpunkt ist bei –273,15 °C oder 0 Kelvin erreicht. Die Kelvinskala wird im wissenschaftlichen Bereich für Temperaturangaben eingesetzt. Benannt ist sie nach dem englischen Physiker William Thomson, 1. Baron Kelvin, der den Zusammenhang von Temperatur und Bewegungsenergie Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt hatte.

Bei hohen Temperaturen wird die Spektroskopie genutzt, die auf eine 1859 von den deutschen Wissenschaftlern Gustav Robert Kirchhoff und Robert Wilhelm Bunsen gemachte Entdeckung zurückgeht. Mit dem von ihnen entwickelten Spektroskop kann Licht in sein Farbspektrum zerlegt (ähnlich wie beim Regenbogen) und visuell untersucht werden. Temperatur und chemische Eigenheiten von weit entfernten Himmelskörpern lassen sich so analysieren. Ebenfalls mit Licht arbeiten Infrarot-Thermometer, die Oberflächentemperaturen messen können (bis über 2000° C). Sie kommen in wissenschaftlichen, industriellen und handwerklichen Bereichen zum Einsatz.