Alkohole im Thermometer
Wie funktioniert überhaupt ein Thermometer?
Die Flüssigkeiten, mit denen das Thermometer gefüllt ist, vergrößern ihr Volumen, wenn sie
erwärmt werden. Man kann sich die thermische Ausdehnung folgendermaßen vorstellen: Stoffe sind
aus Molekülen aufgebaut, die stets in Bewegung sind. Wird einem Stoff nun Wärmeenergie zugeführt,
erhöht sich die Geschwindigkeit der Moleküle. Sie benötigen nun mehr Platz, und der Stoff dehnt
sich aus.
Wenn es eine lineare (gleichmäßige) Beziehung zwischen Ausdehnung und Temperatur gibt, kann man
mit diesem Stoff ein Thermometer füllen.
Gebräuchliche Füllflüssigkeiten für Thermometer
Quecksilber wird heute aufgrund seiner Giftigkeit
kaum noch eingesetzt, war jedoch lange Zeit weit verbreitet. In wissenschaftlichen Bereichen ist
es immer noch oft anzutreffen. Quecksilber dehnt sich über einen großen Temperaturbereich linear
aus und liefert somit zuverlässige Messwerte von etwa -30 °C bis 300 °C. Oberhalb des Siedepunktes
und unterhalb des Schmelzpunktes kann die Füllflüssigkeit nicht mehr zur Temperaturbestimmung
verwendet werden.
Heutzutage wird Quecksilber in weiten Teilen durch andere Füllflüssigkeiten ersetzt, unter anderem durch Alkohole. Oft wird Ethanol in Thermometer gefüllt. Dieses besitzt zwar einen weniger breiten Messbereich, jedoch kann es besonders zur Messung von niedrigen Temperaturen (-100 °C bis 50 °C) eingesetzt werden. Gerade in diesem Temperaturbereich weist Ethanol eine hohe Proportionalität (Zusammenhang) zwischen Temperatur und Volumenausdehnung auf. Ein Vorteil von Ethanol ist, dass diese Füllflüssigkeit wesentlich stärker auf Temperaturänderungen reagiert, d. h. Alkohol ist empfindlicher als zum Beispiel Quecksilber. Wegen seines Siedepunkts von 78 °C versagt Ethanol oberhalb von 50 °C.
Da es sich bei Alkohol um eine farblose Flüssigkeit handelt, muss diese erst angefärbt werden; hierzu verwendet man meist einen roten oder blauen Farbstoff. Quecksilber hingegen ist metallisch-silbern. Daran kann man auch sofort erkennen, um welche der beiden Füllflüssigkeiten es sich im Thermometer handelt.
(Foto: Daggi)
Stattdessen kann z. B. Glycerin als Füllflüssigkeit verwendet
werden. Der Siedepunkt dieses dreiwertigen Alkohols liegt bei 290 °C. Ein Nachteil ist nur sein niedriger
Schmelzpunkt von 18 °C, was ihn unbrauchbar für niedrige Temperaturen macht. Ähnlich ist es auch mit
Glykol, einem zweiwertigen Alkohol. Man kann sich auch
Alkoholgemische zunutze machen, um einen gewünschten Bereich abzudecken.
Wenn Thermometer platzen...
Grundsätzlich sollte man sich an den Messbereich des Thermometers halten, ansonsten könnte die
Flüssigkeit oder sich bildender Dampf das Steigrohr auseinandersprengen.
Dies kann zum Beispiel bei der Reaktion von Phosphorpentoxid mit Wasser
zu Phosphorsäure passieren. Diese Umsetzung ist ein stark exothermer Vorgang, in dem viel Energie frei
wird. Die Temperatur kann auf über 100 °C ansteigen. Hier ist es wichtig, mit einem geeigneten Thermometer
zu arbeiten. Der Versuch spielt zum Beispiel eine Rolle, wenn man zeigen will, warum
ATP eine so energiereiche Verbindung ist.
Besonders gefährlich ist das Zerspringen von Quecksilberthermometern, da das Metall in die Umwelt
gelangt und beim Verdunsten giftige Dämpfe entstehen.
Warum benutzt man kein Wasser als Thermometerfüllung?
Tatsächlich wurde Wasser schon mal als Füllflüssigkeit von Thermometern benutzt. Dies war zu Beginn der
Entwicklung von Flüssigkeitsthermometern in der ersten Hälfte des 17. Jahrhunderts der Fall. Allerdings kann
Wasser nur Werte zwischen den beiden Fixpunkten 0 °C (Schmelzpunkt) und 100 °C (Siedepunkt) der Thermometerskala
liefern. Jenseits dieser Punkte erlaubt das Wasser keine Messungen, womit der Messbereich stark beschränkt ist.
Außerdem ist die Volumenänderung des Wassers bei der Erwärmung sehr unregelmäßig. So hat es beispielsweise bei
4 °C seine geringste Dichte (Anomalie des Wassers), und bei weiterer
Abkühlung nimmt das Volumen wieder zu. Wasser hat also keinen linearen Ausdehnungskoeffizienten.
Maximum-Minimum-Thermometer: Ohne Alkohol geht nichts
Am Maximum-Minimum-Thermometer kann man die höchste und die tiefste Temperatur ablesen. Es ist ganz
anders aufgebaut als die normalen Thermometer. Hier ist die Funktionsbeschreibung.
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