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Temperatur messen
Die Temperatur wird nach dem SI-Einheiten-System in der Basisgröße mit dem Größensymbol T und der Basiseinheit Kelvin (K) angegeben. Die Einheit ist nach dem britischen Physiker Lord William Kelvin (1824–1907) benannt. Im deutschsprachigen Bereich ist auch die Basiseinheit Grad Celsius (°C) gültig. Sie ist nach dem Schweden Anders Celsius (1701–1744) benannt. Die Celsius-Skala bezieht sich auf den Erstarrungspunkt bei 0 °C und den Siedepunkt bei 100 °C des Wassers bei 1,013 Bar. Der absolute Nullpunkt liegt bei 0 Kelvin oder bei −273,15 °C. Demnach entsprechen 0 °C also 273,15 Kelvin. Die bei chemischen Reaktionen frei werdende Wärmemenge Q wird in Joule gemessen. Meist bezieht man die Reaktionswärme auf die Stoffmenge der beteiligten Stoffe (>Arbeitsanleitung).  
 
 
 Quecksilberthermometer

Alter Thermometer mit Quecksilber-Füllung



Flüssigkeits-Thermometer 
  
Das gebräuchlichste Gerät im Labor zur Temperaturmessung ist das Flüssigkeits-Thermometer. Bestimmte Flüssigkeiten wie Quecksilber oder aber auch Alkohole dehnen sich beim Erwärmen ungewöhnlich stark aus. Füllt man sie in dünne Kapillaren kann die Ausdehnung beobachtet werden. Quecksilber eignet sich für einen Einsatzbereich ab seinem Erstarrungspunkt bei −39 °C und bis zu +630 °C. Alkohol-Thermometer eignen sich für Messungen zwischen −100 und +250 °. Oberhalb der Flüssigkeit befindet sich in den Thermometern eine Schutzgasfüllung, beispielsweise Stickstoff oder Argon. Diese verhindert das Verdampfen der Flüssigkeit. 
  
Quecksilber-Thermometer dürfen nicht bei Schülerübungen eingesetzt werden. Empfehlenswert sind robuste Einschluss-Thermometer mit rot gefärbter Alkohol-Füllung. Bei diesen Thermometern ist die Kapillare ins Glas eingeschmolzen. Sie ermöglichen 1 °C Genauigkeit. Für die Bestimmung der Reaktionswärme im Demonstrationsexperiment eignen sich Stock-Thermometer mit Quecksilber-Füllung und 0,1 °C Ablesbarkeit.
  
Bei der Arbeit mit Thermometern, insbesondere mit Quecksilber-Füllung, sind besondere Vorschriften zu beachten: 
  • Der Fühler muss ganz in die zu messende Flüssigkeit eintauchen.
  • Thermometer dürfen niemals mit dem Brenner direkt erhitzt werden.
  • Es ist stets eine Schutzbrille zu tragen.
  • Das Rühren mit dem Thermometer ist untersagt.
  • Thermometer dürfen niemals an den Boden fallen. Bei Quecksilber-Thermometern besteht dann die Gefahr, dass toxisches Quecksilber frei wird!
  • Thermometer dürfen niemals in eine Brennerflamme gehalten werden. Hierbei besteht Explosionsgefahr!
  
Elektronische Thermometer 
  
Widerstands-Thermometer enthalten am Messfühler einen metallischen Leiter als elektrischen Widerstand, der mit Zunahme der Temperatur steigt. Einen derartigen Halbleiter nennt man auch PTC (positive temperature coefficient). Eine elektronische Steuerung misst die Änderungen des Widerstands im Halbleiter und überträgt die Messwerte auf eine Anzeige. 
   

  Widerstands-Thermometer
Widerstands-Thermometer mit PTC
   
 
Die heute in Labor und Schule häufig eingesetzten elektronischen Thermometer beruhen jedoch auf einem anderen Prinzip: Der Temperatur-Messfühler enthält als Thermoelement zwei verschiedene Metalle, zum Beispiel Kupfer und Konstantan mit einer Kupfer-Nickel-Legierung, die beide durch eine Lötstelle miteinander verbunden sind. Erwärmt man die Kontaktstelle, entsteht eine Spannung. Das Phänomen ist als Seebeck-Effekt bekannt.


Temperatur-Messfühler

Temperatur-Messfühler mit Thermoelement


Bimetall-Thermometer

Nietet man zwei Streifen von zwei Metallen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizient aufeinander, dann dehnen sich die beiden Metalle bei einer Erwärmung unterschiedlich stark aus. Als Folge verkrümmt sich der Bimetall-Stab. Verwendet man eine Bimetall-Spirale mit einem Zeiger am Ende, erhält man das Bimetall-Thermometer, das sich für schnelle Messungen bis +500 °C eignet. 
 

 Bimetall-Thermometer

Bimetall-Thermometer
  
  
Schmelzpunkt-Bestimmung 
  
Der Schmelzpunkt ist neben dem Siedepunkt für jeden Stoff ein charakteristisches Merkmal, anhand von dem der Stoff bestimmt werden kann. Beim Schmelzpunkt geht ein Stoff vom festen in den flüssigen Zustand über. Durch den umgekehrten Vorgang beim Abkühlen erhält man den Erstarrungspunkt. 
   
 
Schmelzpunktbestimmungsapparat nach Thiele
 
Schmelzpunktbestimmungs-Apparat nach Thiele
  
 
Der Schmelzpunktbestimmungs-Apparat nach Thiele wird mit einer Heizflüssigkeit gefüllt und mit einem Thermometer versehen. Man verwendet meist Wasser oder Paraffinöl. Besitzt der Apparat keine seitlichen Ansätze, muss der Korken belüftet werden, beispielsweise mit einem zweiten, zusätzlichen Loch. Der zu bestimmende und fein pulverisierte Stoff wird drei Millimeter hoch in ein einseitig zugeschmolzenes Glasröhrchen gefüllt. Das Röhrchen ist etwa acht Zentimeter lang und hat einen Millimeter Durchmesser. Dann taucht man das Röhrchen mit der offenen Seite in den Stoff. Damit der Stoff auch wirklich an den Boden des Röhrchens geht, dreht man das Röhrchen und klopft es vorsichtig auf den Tisch. Das Röhrchen wird so in den Apparat hineingesteckt, dass sich der Stoff direkt neben dem Thermometerfühler befindet. Nun erwärmt man den Apparat mit der rauschenden Brennerflamme schnell, um den Schmelzpunkt abschätzen zu können, und lässt dann wieder abkühlen. 
  
Die exakte Bestimmung des Schmelzpunktes gelingt erst beim erneuten, langsamen Heizen. Die Flüssigkeit wird langsam im Wasserbad erhitzt, so dass die Temperatur nicht mehr als 2 °C pro Minute steigt. Der Schmelzvorgang kann auch mit einer Lupe beobachtet werden. Der Schmelzpunkt ist erreicht, sobald eine Flüssigkeit entstanden ist, die einen Flüssigkeitsspiegel ausbildet. Dies ist selbst dann der Fall, wenn noch einige Kristalle auf der Flüssigkeit schwimmen. Sie schmelzen ohne weitere Temperaturerhöhung. 
  
  
Siedepunkt-Bestimmung 
  
Der Siedepunkt eines Stoffes ist stark druckabhängig. Daher wird der Druck stets mit angegeben. Zur einfachen Siedepunktbestimmung erhitzt man eine Flüssigkeit zusammen mit einem Siedestein im Reagenzglas solange, bis die Flüssigkeit siedet und keine Temperaturzunahme mehr feststellbar ist. Handelt es sich um entzündbare Flüssigkeiten, darf nur im Wasserbad erhitzt werden. 
   
 
Siedepunktbestimmung im Wasserbad
 
Siedepunktbestimmung im Wasserbad
  
 
Will man den Siedepunkt genauer bestimmen, verwendet man eine Destillationsapparatur, in der eine bestimmte Menge an Flüssigkeit langsam verdampft wird. Dabei taucht das Thermometer in die Flüssigkeit. Man erhitzt so stark, dass etwa ein Tropfen pro Sekunde aus dem Kühler in die Vorlage tropft. Während der Destillation wird in Abständen von einer Minute die Temperatur abgelesen und danach ein Zeit-Temperatur-Diagramm erstellt. Eine reine Flüssigkeit zeigt eine Kurve der Form a, ein Gemisch zweier Flüssigkeiten ergibt eine Kurve der Form b. Letztere ermöglicht die Siedepunktbestimmung von zwei Flüssigkeiten, die ineinander gelöst sind, beispielsweise bei der Destillation von Wein. 
   
Siedekurven
Siedekurven: Messen der Temperatur in einer Minute Zeitabstand;
reine Flüssigkeit (a), Gemisch zweier Flüssigkeiten (b)

 


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