Thermometer und Barometer

Ein Thermometer zeigt die Temperatur als Länge eines Flüssigkeitsfadens in einem feinen Glasrohr, abgelesen an einer Skala, die schmelzendes Eis und siedendes Wasser festlegen. Sein Gegenstück, das Barometer, wiegt die Luft über die Höhe der Flüssigkeitssäule, die die Atmosphäre tragen kann: auf Meereshöhe rund 760 mm Quecksilber.

Was es ist

Ein Thermometer macht aus der Temperatur eine Länge, die man ablesen kann. Ein gläsernes Gefäß voller Flüssigkeit geht in ein Rohr mit sehr enger Bohrung über. Erwärmt sich die Flüssigkeit, dehnt sie sich aus, und ihr Faden steigt an einer Skala entlang.

Das Barometer kam aus denselben italienischen Werkstätten und wiegt die Luft über uns über die Höhe einer Flüssigkeitssäule. Mit gleich gebauten Thermometern konnten Beobachter in verschiedenen Städten ihre Messungen vergleichen, wie es das erste Wetternetz ab 1654 tat.

Wie es funktioniert

Flüssigkeiten dehnen sich beim Erwärmen ein wenig aus: Ethanol um etwa 0,11 % seines Volumens je Grad, Quecksilber um etwa 0,018 %, Glas viel weniger. Die Bohrung macht das sichtbar, denn das ganze zusätzliche Volumen des Gefäßes muss in sie ausweichen. Ein Gefäß mit einem Fünftel Kubikzentimeter Alkohol gewinnt je Grad etwa 0,2 mm³; in einer Bohrung von 0,2 mm Durchmesser ergibt das einen Schritt von etwa 7 mm.

Eine Skala braucht Punkte, die jeder nachstellen kann. Reines Eis schmilzt immer bei derselben Temperatur, und reines Wasser siedet immer bei derselben Temperatur, solange der Luftdruck gleich ist. Die Celsius-Skala nennt sie 0 und 100 und legt hundert gleiche Schritte dazwischen. Im Gebirge siedet Wasser bei niedrigerer Temperatur, ungefähr ein Grad weniger je 300 m Höhe. Kalibrieren heißt, ein Instrument mit diesen Punkten oder mit einer verlässlichen Referenz zu vergleichen und die Abweichung zu notieren; ohne das können zwei Thermometer um mehrere Grad auseinanderliegen. Auch in der Küche zählt das: Die britische Lebensmittelbehörde verlangt 70 °C, zwei Minuten lang im Kern gegarter Speisen gehalten.

Reines Wasser zieht sich zwischen 0 und 4 °C beim Erwärmen zusammen und gefriert bei 0 °C. Frühe versiegelte Thermometer enthielten Alkohol, ab dem 18. Jahrhundert die Präzisionsinstrumente meist Quecksilber, das in einem weiten Bereich flüssig bleibt und das Glas nicht benetzt.

Torricellis Barometer war ein etwa meterlanges, einseitig geschlossenes Glasrohr, mit Quecksilber gefüllt und umgekehrt in eine Schale mit Quecksilber gestellt. Die Säule sank, bis etwa 760 mm über der Schale stehen blieben, darüber ein fast leerer Raum. Ihr Gewicht hält dem Druck der Luft auf die offene Oberfläche die Waage. Quecksilber ist 13,6-mal dichter als Wasser, also bräuchte ein Wasserbarometer über 10 m Rohr, dieselbe Höhe, die eine Saugpumpe begrenzt.

Nahe dem Meeresspiegel fällt die Säule um etwa einen Millimeter je 11 m Aufstieg, ein Barometer misst also auch die Höhe. Ein fallendes Barometer kündigt oft Wind und Regen an, ein steigendes schönes Wetter. Dosenbarometer ersetzen die Flüssigkeit durch eine versiegelte Metalldose, die sich verformt.

Wie man es baut

Das Flüssigkeitsthermometer ist ein Lehrinstrument: Vergleichen Sie es mit einer Referenz, um seinen Fehler zu kennen, und benutzen Sie es nie für Lebensmittel oder zur Fiebermessung. Das Einmachglas-Barometer zeigt nur, ob der Druck steigt oder fällt.

Der untere Fixpunkt: Die Flasche bleibt im schmelzenden Eis, bis der Faden stillsteht.

Das Flüssigkeitsthermometer. Nehmen Sie eine kleine Glasflasche von etwa 100 ml, einen durchsichtigen Trinkhalm von mindestens 25 cm und Knetmasse. Mischen Sie Wasser und 70-prozentigen Isopropylalkohol zu gleichen Volumenteilen und tönen Sie das Gemisch mit Lebensmittelfarbe: Es dehnt sich stärker aus als Wasser und vermeidet dessen eigenartiges Verhalten nahe dem Gefrierpunkt. Füllen Sie die Flasche randvoll, schieben Sie den Halm tief in die Flüssigkeit und dichten Sie den Hals mit Knete ab, ohne Luftblase. Bei Raumtemperatur sollte die Flüssigkeit etwa 8 cm über der Knete stehen; geben Sie mit einer Pipette durch den Halm etwas zu oder nehmen Sie etwas weg. Je größer die Flasche und je dünner der Halm, desto größer der Schritt je Grad. Kleben Sie einen Papierstreifen hinter den Halm.

Die Punkte festlegen. Stellen Sie die Flasche in eine Schüssel mit zerstoßenem Eis und etwas Wasser, tief genug, um sie bis zum Hals zu bedecken. Rühren Sie um, warten Sie, bis der Faden stillsteht, was eine Viertelstunde dauern kann, und markieren Sie 0; die Flüssigkeit muss noch über der Knete sichtbar sein. Lassen Sie sie wieder Raumtemperatur annehmen und stellen Sie sie dann neben einem digitalen Küchenthermometer in eine Schüssel mit warmem Leitungswasser von etwa 40 °C, rühren Sie um, warten Sie, bis beide Anzeigen stillstehen, und markieren Sie den Wert der Referenz; der Faden darf das obere Ende nicht erreichen. Scheitert eine der beiden Proben, ändern Sie die Flüssigkeitsmenge oder die Flasche und legen Sie beide Punkte neu fest. Teilen Sie den Abstand in gleiche Schritte und vergleichen Sie bei Raumtemperatur mit der Referenz, um Ihren Fehler zu kennen. Drücken Sie nie auf die Flasche.

Ein Einmachglas-Barometer: Steigt der Druck, sinkt die Membran ein und die Halmspitze hebt sich.

Das Einmachglas-Barometer. Schneiden Sie den Hals eines Luftballons ab, spannen Sie ihn straff über ein weites Einmachglas und binden Sie ihn mit Schnur fest, damit keine Luft durchkommt. Kleben Sie ein Ende eines langen Halms auf die Mitte der Membran und lassen Sie das andere über den Rand ragen, vor einer Karte. Steigt der Außendruck, sinkt die Membran ein und die Spitze hebt sich. Die eingeschlossene Luft dehnt sich auch bei Wärme aus: Ein Grad bewegt den Zeiger etwa so stark wie 3,5 hPa Druck. Stellen Sie das Glas aus der Sonne in einen Raum mit möglichst gleichbleibender Temperatur und vergleichen Sie seine Bewegungen mit der Drucktendenz des Wetterdienstes.

Ablesen. Halten Sie das Auge auf Höhe des Fadenendes.

Sicherheit. Bauen Sie nie ein Instrument mit Quecksilber: Sein Dampf ist giftig. Zerbricht ein altes Quecksilberthermometer, bringen Sie Menschen und Tiere hinaus und halten Sie sie fern, öffnen Sie die Fenster nach draußen und schließen Sie die Türen zum Rest der Wohnung. Weder Staubsauger noch Besen benutzen. Auf hartem Boden schieben Sie mit Handschuhen die Kügelchen mit fester Pappe zusammen, heben sie auf ein feuchtes Papiertuch, nehmen die feinsten mit Klebeband auf und verschließen alles in einem beschrifteten Beutel. Auf Teppich oder Polstern schneiden Sie die verschmutzte Stelle heraus oder legen das Stück beiseite und fragen das örtliche Gesundheits- oder Umweltamt. Lüften Sie nach der Reinigung mindestens 24 Stunden und geben Sie die Abfälle nach den örtlichen Vorgaben bei einer Sammelstelle für Sonderabfall ab. Isopropylalkohol ist entzündlich und giftig: von Flammen und Kindern fernhalten. Nehmen Sie heißes Leitungswasser, nie kochendes, und bringen Sie Glas nie direkt vom Eis ins heiße Wasser.

Geschichte und Entwicklung

Galileis Thermoskop: Kühlt die Luft im Kolben ab, steigt das Wasser im Hals.

Philon von Byzanz und Heron von Alexandria wussten, dass erwärmte Luft sich ausdehnt und Wasser durch ein Rohr schiebt. Benedetto Castelli erinnerte sich, wie Galilei um 1600 ein solches Thermoskop vorführte, und 1612 hatte der Arzt Santorio in Venedig es mit einer Skala versehen, um Fieber zu verfolgen. Da es offen war, reagierte es auch auf den Luftdruck.

Torricelli beschrieb das Quecksilberbarometer in einem Brief vom Juni 1644. 1648 trug Pascals Schwager Florin Périer eines auf den Puy de Dôme, wo die Säule etwa 8,5 cm tiefer stand als unten in Clermont. In Florenz schlossen Handwerker im Dienst von Großherzog Ferdinand II. Alkohol in versiegeltes Glas ein, und 1654 schickte der Großherzog gleich gebaute Thermometer an das erste Wetternetz.

Daniel Gabriel Fahrenheit fertigte ab den 1710er-Jahren in Amsterdam Quecksilberthermometer und veröffentlichte sein Verfahren 1724. Anders Celsius schlug seine Skala 1742 vor, mit 0 am Siedepunkt und 100 am Gefrierpunkt; bald nach seinem Tod 1744 wurde sie umgedreht. 1848 schlug William Thomson, später Lord Kelvin, eine absolute Skala vor, deren Nullpunkt heute bei −273,15 °C liegt.

1868 legte Carl Wunderlich, gestützt auf rund 25.000 Kranke, den Normalwert bei etwa 37 °C und den Beginn des Fiebers bei etwa 38 °C fest. Robert FitzRoy begann 1861 mit britischen Sturmwarnungen und veröffentlichte im August desselben Jahres die erste öffentliche Vorhersage in der Times. Digitale Sensoren und Thermometer mit anderen Flüssigkeiten haben Quecksilberthermometer inzwischen weitgehend abgelöst; viele Länder beschränken sie heute.