Neuigkeiten    Das Projekt    Technik    RoboSpatium    Unterstützung    Stichwortverzeichnis    Download    Reaktionen    Spiele    Kauftipps    Kontakt   




<<< Messabweichung         Strom, Spannung >>>

Temperatur

Begriffsdefinition

Temperatur ist eine physikalische Eigenschaft, welche die Begriffe heiß (=hohe Temperatur) und kalt (=niedrige Temperatur) quantitativ erfasst. Die Temperatur eines Objekts ist eine intensive Größe, was bedeutet, dass diese unabhängig von der Größe des Objekts ist (im Gegensatz zur Masse).
Makroskopische Objekte bestehen aus vielen kleinen Bausteinen wie Atome oder Moleküle. Im atomaren Maßstab ergibt sich die Temperatur aus der Bewegung der Bausteine aus denen das Objekt besteht. Jedes sich bewegende oder rotierende Atom oder Molekül besitzt, abhängig von seiner Masse, Geschwindigkeit und Ausdehnung, kinetische- oder Rotationsenergie. Ist ein Atom in ein Kristallgitter eingebaut, muss auch die potentielle Energie in dem elektrischen Feld des Gitters betrachtet werden. In der statistischen Mechanik wird Temperaturerhöhung mit der Zunahme der Bewegung der Atome beziehungsweise Moleküle erklärt.
Ausgehend vom Système international d´unités wird die Temperatur mit Thermometern gemessen, deren Skala in Kelvin geeicht ist. Der Nullpunkt der Kelvin-Skala liegt am absoluten Nullpunkt, also der Temperatur an der die thermische Bewegung der Atome beziehungsweise Moleküle stoppt. Das ist der erste Referenzpunkt der Skala. Der zweite ist der Tripelpunkt des Wassers. Wird flüssiges Wasser erwärmt. beginnt dieses bei einer bestimmten Temperatur UND einem bestimmten Umgebungsdruck zu kochen. Bei diesen Bedingungen existieren flüssiges Wasser und Wasserdampf in einem stabilen Gleichgewicht. Die Dichte von Wasserdampf ist deutlich geringer als die von flüssigem Wasser, wodurch Wasserdampf in flüssiges Wasser übergeht, wenn der Umgebungsdruck bei konstant bleibender Temperatur erhöht wird. Eine weitere Phasenumwandlung findet statt, wenn festes Wasser (Eis) bei steigender Temperatur schmilzt. Die Dichte von Eis ist geringer als die von flüssigem Wasser, wodurch Wasser zu frieren beginnt, wenn der Umgebungsdruck bei konstanter Temperatur erniedrigt wird. Es gibt eine einzige Kombination aus Umgebungsdruck und Temperatur, bei der flüssiges Wasser, festes Eis und gasförmiger Wasserdampf in einem Stabilen Gleichgewicht nebeneinander existieren. Der Druck an diesem Punkt beträgt 611,73 Pascal. Der Wert der Kelvin-Skala an diesem Punkt ist auf 273,16K festgelegt worden. Ein Kelvin ist der 273,16ste Teil der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Referenzpunkten. Dieser "krumme" Wert wurde gewählt, damit die Differenz zwischen zwei Temperaturwerten von einem Kelvin und einem Grad Celsius gleich groß sind. Die Celsius-Skala ist weit verbreitet und wird neben der Kelvin-Skala nach wie vor verwendet. 0K entspricht exakt -273.15°C.

Flüssigkeitsthermometer

Flüssigkeitsthermometer Figure 1:
Dieser Thermometertyp ist weit verbreitet und basiert auf der Volumenausdehnung von Flüssigkeiten bei zunehmender Temperatur. Der größte Teil der Flüssigkeit befindet sich in einem Vorratsgefäß am unteren Ende einer sehr dünnen Glasröhre. Mit steigender Temperatur steigt die Flüssigkeitssäule in der Glasröhre. Mit Hilfe einer kalibrierten Skala an der Röhre kann die Temperatur abgelesen werden. Das Ganze System ist geschlossen, um das Verdunsten der Flüssigkeit zu verhindern und der Raum oberhalb der Flüssigkeitssäule ist meist mit Stickstoffgas unter einem niedrigen Druck gefüllt. Quecksilber ist eine weit verbreitete Flüssigkeit in derartigen Thermometern.
Flüssigkeitsthermometer eignen sich gut, um die Umgebungstemperatur zu messen. Einige Nachteile derartiger Thermometer sind:
1.) Abhängig vom der Flüssigkeitsmenge in dem Thermometer dauert es lange, bis sich ein stabiles thermisches Gleichgewicht gebildet hat. Schnelle Temperaturwechsel können nicht erfasst werden.
2.) Das ganze Thermometer, oder zumindest der gesamte Flüssigkeitsvorrat muss aufgewärmt sein, um die Temperatur ablesen zu können. Es ist somit unmöglich, die Temperatur eines Festkörpers zu messen, dessen Temperatur von der Umgebungstemperatur abweicht.
3.) Der Messbereich von Quecksilberthermometern liegt im Bereich oberhalb der Erstarrungstemperatur (-38.83 °C) und unterhalb des Siedepunktes (356.73 °C). Bei der Verwendung anderer Flüssigkeiten, kann der Temperaturbereich ausgeweitet werden.

Bimetallthermometer

Bimetallthermometer Figure 2:
Werden verschiedene Materialien erhitzt, so unterscheiden sich deren Längenänderungen pro Temperaturänderung. Werden zwei Metalle ihrer Länge nach zusammengelötet oder verschweißt, so verbiegt sich ein anfangs flacher Streifen dieses Materialverbunds beim Erwärmen zu der einen und beim Abkühlen zu der anderen Seite. Beim Erwärmen befindet sich das Material mit dem höheren Ausdehnungskoeffizienten auf der Außenseite, beim Abkühlen unterhalb der Ausgangstemperatur entsprechend auf der Innenseite. Wird ein Zeiger an einem Ender einer Bimetall-Spirale angebracht, kann mit dieser Anordnung die Temperatur gemessen werden. Die Nachteile einer derartigen Anordnung sind ähnlich denen der Flüssigkeitsthermometer, weil hier die gesamte Bimetallspirale erwärmt beziehungsweise abgekühlt werden muss, um die Temperatur messen zu können.
Die Temperatur im Rover-Universum könnt ihr mit Hilfe des neben abgebildeten Bimetall-Thermometers bestimmen.

Widerstandsthermometer

Widerstandsthermometer Figure 3:
Die elektrische Leitfähigkeit einiger Materialien ändert sich deutlich mit der Temperatur. Widerstandsthermometer messen diese Widerstandsänderung des Sensors, weswegen diese Messgeräte eine Spannungsquelle benötigen. Ein sehr verbreitetes Material ist Platin, weil die Widerstands-Temperatur-Kurve sehr linear verläuft und weil dieses Material chemisch sehr reaktionsträge ist. Graphitwiderstände hingegen sind günstig herzustellen und sehr gut geeignet zur Messung extrem niedriger Temperaturen.
Derartige Thermosensoren können sehr kompakt gebaut werden, weswegen sich diese entsprechend schnell erwärmen beziehungsweise abkühlen können. Die Oberflächentemperatur von Festkörpern kann somit ebenfalls gut erfasst werden.

Thermoelement

Thermoelement Figure 4:
Noch kompakter als Widerstandssensoren sind Thermoelemente, die lediglich aus der Kontaktstelle zweier unterschiedlicher Metalldrähte bestehen. Abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Kontaktstelle und den Enden der Drähte wird eine Spannung generiert. Derartige Temperatursensoren sind billig und in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar. Ein Nachteil ist die geringe Empfindlichkeit. Temperaturdifferenzen kleiner als 1 Grad Kelvin sind nur schwer zu messen.


<<< Messabweichung         Strom, Spannung >>>


Neuigkeiten    Das Projekt    Technik    RoboSpatium    Unterstützung    Stichwortverzeichnis    Archiv    Download    Reaktionen    Spiele    Verweise    Kauftipps    Kontakt    Impressum   





Google Plus Twitter Facebook YouTube Hackaday Patreon TPO
Counter 1und1