Die Wirkungen der Wärme

Warum man Quecksilber in den meisten gebräuchlichen Thermometern verwendet? Es hat den Vorzug, nach oben wie nach unten, vom Nullpunkt aus gerechnet, in sehr weiten Grenzen verwendbar zu sein, es erstarrt erst bei 36° C Kälte, verwandelt sich erst bei 360° in Dampfform und ist bis etwa 300° verwendbar. Dabei dehnt es sich sehr gleichmäßig aus und reagiert als guter Wärmeleiter sehr rasch auf Temperaturschwankungen. Natürlich kann man auch andere Flüssigkeiten verwenden und hat dies namentlich getan, um Thermometer zu erhalten, die auch tiefere Temperaturen wie −36° messen können, wofür schon in Ländern höherer Breite in jedem Winter das Bedürfnis vorliegt, z. B. füllt man das Röhrchen mit (zur besseren Erkenntlichkeit gefärbtem) Weingeist, der erst bei −100° erstarrt, oder besser mit Toluol, das etwa denselben Erstarrungspunkt hat, dem Weingeist gegenüber jedoch den Vorzug besitzt, bis zu 110° Wärme zu vertragen, ohne zu sieden, während jener schon bei 78° verdampft. Dennoch zieht man es vor, für die gewöhnlichen Zwecke Quecksilber beizubehalten, denn der Weingeist und das Toluol arbeiten etwas träge, und die Dünnflüssigkeit dieser Substanzen hat zur Folge, dass beim Sinken der Flüssigkeit leicht etwas Flüssigkeit im Röhrchen hängen bleibt.

Für noch tiefere Temperaturen als −100°, die heutzutage bei der Erzeugung von flüssiger Kohlensäure, flüssigem Sauerstoff, flüssiger Luft u. dgl. vorkommen, genügt auch Weingeist und Toluol nicht mehr. Man greift dann nach Kohlrauschs Vorschlag zum Petrol­äther oder verlässt überhaupt das gewöhnliche Thermometer mit seiner auf und ab steigenden Flüssigkeitssäule und wendet andere, in neuester Zeit hoch entwickelte Methoden an, die man schon länger mit Vorteil für die Bestimmung hoher und höchster Hitzegrade benutzt, die sich aber auch zum Teil für die Messung sehr tiefer Temperaturen eignen. Da ist zuerst das elektrische Pyro­meter. Pyro­meter, wie alle ähnlichen Vorrichtungen im Gegensatz zum Thermometer benannt, weil es in erster Linie für die Messung von sehr hohen ›feurigen‹ Temperaturen bestimmt ist (Pyr = Feuer).

Elektrische Pyro­meter gibt es zweierlei Arten, die eine beruht auf der Tatsache, dass sich der elektrische Leitungswiderstand von Körpern, z. B. eines Platindrahtes, mit der Temperatur ändert. Hat man die Größe der Veränderung erst einmal ausgerechnet, so kann man mit jedem Instrument, das den elektrischen Widerstand misst, auf die Temperatur rückschließen. Eine andere bei weitem gebräuchlichere Methode fußt auf der sogenannten Thermoelektrizität.

Wenn man zwei Halbringe aus verschiedenem Metall oder Metalllegierungen zu einem ganzen Ring zusammenlötet und die eine Lötstelle erwärmt, während die andere kalt belassen wird, so entsteht in dem Ring ein elektrischer Strom. Das hat Th. Seebeck 1821 entdeckt. Je größer der Temperaturunterschied zwischen der kalt­belassenen Stelle und der erwärmten, desto stärker ist der Strom. Außerdem spielt die Natur der gewählten Metalle hierbei noch eine Rolle. Schneide ich nun den Ring an der kalt­belassenen Stelle auf und verbinde die freien Enden mit einem elektrischen Messinstrument, so wird der Zeiger meines Instrumentes einen um so größeren Ausschlag geben, je größer der Temperaturunterschied zwischen den zusammengelöteten und den freien Enden meiner Metallringe ist. Da man die letztere Stelle meist auf einer bestimmten Temperatur erhält, kann man noch einfacher sagen: je stärker ich die Lötstelle erhitze, desto stärkeren Zeigerausschlag gibt das Instrument, so dass ich direkt auf die Temperatur der gelöteten Stelle schließen kann. Dieses Verfahren zur Temperaturbestimmung hat den Vorzug, dass das eigentliche Messinstrument, an dem ich die Ablesungen vornehme, in gar keine direkte Berührung mit der Substanz kommt, deren Wärmegrade ich messen will. Nur das Thermoelement selbst, wie man die beiden zusammengelöteten Metallstäbchen nennt, wird mit dem gelöteten Ende mit dem betreffenden Gegenstand in Berührung gebracht.

Auf diese Weise können Temperaturen bis zu 1600° C gemessen werden, wobei man freilich schon sehr schwer schmelzbare Metallstäbe wählen muss (man verwendet Platin und Platin-Rhodium). Für niedrige Temperaturen, besonders Kältemessungen, zieht man die Zusammensetzung von Kupfer und Konstantan (eine Nickel-Kupferlegierung) vor oder Neusilber und Platin. Letztere Zusammensetzung erlaubt Kältemessungen bis herunter zu −250°, wie der englische Physiker Dewar festgestellt hat.

Ist somit im elektrischen Pyro­meter ein Instrument gegeben, das außerordentlich große Temperaturunterschiede zu messen gestattet, so reicht es doch heute schon nicht mehr für alle Fälle der Praxis aus. Es findet seine Grenzen bei dem Schmelzpunkt der verwendeten Metalle, ebenso wie einige andere Verfahren. Zu diesen gehören z. B. die Methoden, die Temperaturen direkt mit Hilfe der Schmelztemperatur zu messen. In der Porzellanfabrikation sind hierfür die Seeger­kegel gebräuchlich. Sie werden in 48 verschiedenen Nummern hergestellt, deren jede eine etwas andere Zusammensetzung und einen etwas anderen Schmelzpunkt hat. Will man also in einem Porzellanbrennofen die Hitze bloß bis zu einem bestimmten Grad treiben, so setzt man eine Anzahl der entsprechenden Kegel hinein, die dann beim Erreichen derselben zerschmelzen. Der Schmelzpunkt der verschiedenen Nummern schwankt zwischen 590° und 1850°.

Auf demselben Prinzip, durch Zerschmelzen eine bestimmte Endtemperatur anzuzeigen, beruhen die sogenannten Princepschen Legierungen aus Gold und Silber oder Gold und Platin.

Einen anderen Weg, der mehr an das gewöhnliche Thermometer erinnert, ist bei den Metall­streifen-Pyro­metern eingeschlagen. Bekanntlich dehnen sich alle Stoffe, wenn sie erwärmt werden, aus, aber nicht alle um den gleichen Betrag, die einen mehr, die anderen weniger, z. B. dehnt sich Messingblech ungleich mehr aus wie Eisenblech. Lötet man nun einen dünnen Streifen Eisenblech und einen dünnen Streifen Messingblech mit der flachen Seite aufeinander, so wirft sich dieser zusammengesetzte Streifen, wenn er erwärmt wird, ähnlich wie einseitig nass gewordenes Holz. Aus der Stärke der erlangten Krümmung kann man gleichfalls auf die Temperatur schließen und nach diesem Prinzip auch hinreichend genaue Wärmemesser bauen. Doch alle diese Verfahren, namentlich die zuletzt beschriebenen, finden selbstverständlich, wie schon gesagt, die Grenzen ihrer Verwendbarkeit dort, wo die Materialien, aus denen sie bestehen, selbst zerschmelzen würden.

Es bedeutete daher einen großen Fortschritt, als man entdeckte, dass bei glühenden Stoffen die Temperatur in einem ganz bestimmten Verhältnis zur Helligkeit steht, dass man aus der Helligkeit eines Stoffes also auf die herrschende Temperatur mit ziemlicher Genauigkeit zurückschließen kann. Die hierfür verwendeten Apparate nennt man optische Pyro­meter. Die allen Helligkeitsmessern anhaftende Ungenauigkeit übt auf die Genauigkeit der Temperaturmessung deshalb einen so geringen Einfluss aus, weil schon eine ganz geringe Temperaturänderung die Helligkeit bedeutend ändert. Im gelben (Natrium-)Licht verdoppelt sich die Helligkeit, wenn die Temperatur von 1800° auf 1875° steigt.

Die Instrumente bestehen meist aus einer Art Fernrohr, durch die man die glühende Masse, deren Temperatur bestimmt werden soll, betrachtet; auf einen im Inneren des Rohres angebrachten Spiegel fällt von der Seite das Licht einer Vergleichslampe, deren Lichtstärke genau bekannt ist. Durch Verschieben der Lampe kann man es dann erreichen, dass die bestrahlte Fläche und der Spiegel im Fernrohr annähernd gleich hell erscheinen. Nach den Gesetzen der Optik wird hieraus die Helligkeit bestimmt und nach einer besonderen Tabelle die Temperatur des betreffenden Körpers, dem die Helligkeit eigen ist. Zu beachten ist hierbei nur, dass lediglich die Helligkeit einer bestimmten Farbe gemessen wird, die anderen von dem glühenden Körper ausgesandten Strahlen werden durch farbige Filter zurückgehalten oder auf andere Weise bei der Messung ausgeschaltet.

Bis zu etwa 6000° kann man auf diese Weise messen. Das Verfahren besitzt den Vorzug, dass der glühende oder brennende Körper weit entfernt vom Beobachter sein kann und an sich vollkommen unzugänglich, wie z. B. der in einer Glasbirne eingeschlossene Faden einer Glühlampe oder unser Tagesgestirn, die Sonne. Die Temperatur der letzteren hat man mit Hilfe von optischen Pyro­metern zu etwa 5200 – 5800° bestimmt, die einer Azetylen­flamme zu 2700 – 3000°, die Temperatur im Lichtbogen einer Bogenlampe zu 3700 – 4200°, im heißesten Teil einer gewöhnlichen Kerze zu 1700 – 1900°.

Auf einige 100° mehr oder weniger kommt es bei diesen Messungen an sich nicht viel an, doch ist es in letzter Zeit Prings­heim und Lummer gelungen, die Genauigkeit der Messungen so bedeutend zu erhöhen, dass kaum Fehler von 100° begangen werden.

Ehe diese Fernthermometer im wahrsten Sinne des Wortes erfunden waren, hatte man sich hinsichtlich der Temperatur, die auf der Sonne und anderen Fixsternen herrscht, mit Schätzungen begnügen müssen, die sich zum Teil auf 100 000° beliefen. Als ganz so furchtbar hat sich die Sonnentemperatur also nicht herausgestellt, immerhin dürften sie Bewohner der gemäßigten Zone unseres Erdballes ziemlich hoch finden.

Ob wir noch höhere Temperaturen ›entdecken‹ oder ›erfinden‹ werden? Nach oben scheint uns die Natur eine Grenze nicht ziehen zu wollen, nach unten haben wir sie wahrscheinlich am ›absoluten Nullpunkt‹, der etwa 273° C unter null liegt, erreicht. Von ihm nimmt man an, dass sich bei ihm alle Moleküle in Ruhe befinden, deren mehr oder weniger lebhafte Bewegung wir als mehr oder weniger warm empfinden. Wir können uns zwar immer stärkere und schnellere Bewegung vorstellen; aber beim Begriff absolute Ruhe müssen wir haltmachen.

Die Möglichkeit, in so weiten Grenzen Wärme und Kälte messen zu können, hat heute auch hervorragend praktisches Interesse. In der Technik wird ein sehr weitgehender Gebrauch davon gemacht. Einmal, um die Gleichmäßigkeit der bei hohen Temperaturen hergestellten Erzeugnisse zu gewährleisten, dann, um nicht unnötig zu feuern, um die Hitze im Ofen nur so hoch zu treiben, wie es für den jeweiligen Zweck nötig ist, also aus wirtschaftlichen Gründen.

Beim Härten des Stahles ist es z. B. besonders wichtig, genau die richtige Härtetemperatur innezuhalten, beim Hochofenbetrieb darf die heiße Gebläseluft nicht unter eine bestimmte Temperatur sinken, bei vielen chemischen Prozessen ist gleichfalls die Inne­haltung ganz bestimmter Wärmegrade für den Erfolg ausschlaggebend. Jedenfalls ist für die moderne Technik das Pyro­meter ebenso wichtig wie das Thermometer.