GESCHICHTE: Der lange Weg zum Thermometer

Ist es jetzt über oder unter 0 Grad Celsius? Und wie viel genau? Bis man das exakt sagen konnte, war einiger Tüftlergeist gefragt.

Christian Satorius
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Was die Kleidung der Dame erahnen lässt, bestätigt das Thermometer: Es ist bitterkalt. (Bild: Philipp Schmidli (Fräkmüntegg, 29. Dezember 2014))

Was die Kleidung der Dame erahnen lässt, bestätigt das Thermometer: Es ist bitterkalt. (Bild: Philipp Schmidli (Fräkmüntegg, 29. Dezember 2014))

Christian Satorius

Wenn wir heute wissen wollen, wie kalt es draussen ist oder welche Temperatur im Inneren des Bratens herrscht, schauen wir nur kurz auf ein digitales Thermometer. Ein Kinderspiel. Dabei waren über Jahrhunderte hinweg selbst die besten Gelehrten ihrer Zeit an den Problemen gescheitert, welche die exakte Bestimmung der Kälte und der Wärme mit sich bringt.

Stolpersteine gab es immer, zunächst für jene Forscher, die über die Wärmeausdehnung der Luft Temperaturmessungen durchführten. Das war nur sehr bedingt tauglich, spielte doch dabei immer auch der Luftdruck eine Rolle. Fast noch mehr Hürden gab es für jene Wissenschaftler, die sich mit der Ausdehnung von Flüssigkeiten zur Temperaturanzeige beschäftigten.

Messergebnis im Trüben

Schon in der Antike kannte man sogenannte Thermoskope, also einfache Vorläufer des Thermometers ohne wirklich brauchbare Skalen zum Ablesen der Temperatur, die zudem noch alles andere als zuverlässig und exakt die wirkliche Wärme oder Kälte anzeigten.

Das Prinzip war dafür einfach: Ein dünnes Röhrchen wurde in einen Behälter mit Wasser getaucht, und nun konnte das Wasser bei steigender Temperatur aufgrund seiner Ausdehnung in diesem Röhrchen emporsteigen oder eben auch in kälterer Umgebung darin absinken. Allerdings gab es da ein Problem: Der Wasserstand änderte sich auch aufgrund des Luftdrucks, der auf das offene System einwirken konnte.

Die Forscher der 1657 in Florenz gegründeten Accademia del Cimento verschlossen deshalb kurzerhand beide Seiten des Röhrchens. Dafür mussten sich die Florentiner nun mit ganz anderen Problemen herumschlagen. Wasser hat nämlich den ganz grossen Nachteil, dass es in einem klaren Glasröhrchen auf Dauer trübe und unansehnlich werden kann. In den dünnen Kapillaren war es aufgrund seiner Durchsichtigkeit ohnehin schlecht zu erkennen

Alkohol statt Wasser

Aber welche Flüssigkeit war besser geeignet? Rotwein vielleicht? Der zeichnete sich zwar schön deutlich in dem kleinen Röhrchen ab, verschmutzte aber auch mit seinen winzigen Traubenrückständen die dünnen Kapillaren. Der Alkohol sollte es dennoch richten. Schon bald war Weingeist (Spiritus) die Thermometerflüssigkeit der Wahl. Dieser verdarb nicht und liess sich zudem noch mit Cochenille-Schildläusen sehr schön dekorativ rot einfärben. Safran wiederum sorgte für eine gelbe Färbung, und mit etwas Kupferblume sowie Salmiakgeist ergab sich eine schöne blaue Messflüssigkeit.

Aber auch der Alkohol löste längst nicht alle Probleme der Forscher. Die Zusatzstoffe, die zum Einfärben verwendet wurden, lagerten sich nämlich ebenfalls in den Glasröhrchen ab. Zudem hing das Messergebnis in entscheidendem Masse von der Konzentration des Weingeistes ab. Das Problem: Die Konzentration des Alkohols liess sich mit damaligen Mitteln nicht messen und somit auch nicht vergleichen. Verschiedene Thermometer konnten also mit unterschiedlicher Weingeistfüllung völlig andere Temperaturen anzeigen.

Explosive Versuche eines Schweizers

Der Schweizer Jacques-Barthélemy Micheli du Crest (1690–1766) verwendete aus diesem Grund für seine Thermometer lieber «Weingeist, der Pulver entzündet». Dazu goss er Spiritus über etwas Schwarzpulver und entzündete die Alkoholdämpfe. Da die Temperatur der Flamme massgeblich von der Konzentration des Alkohols abhängig ist, entzündet sich das Schwarzpulver nur dann, wenn der Alkohol stark genug konzentriert war, um die erforderliche Zündtemperatur zu erreichen.

Wirklich zufriedenstellend war aber auch diese Lösung nicht, denn die Volumenänderung des Weingeistes verlief keinesfalls völlig linear über das gesamte Temperaturspektrum hinweg.

Brauchbare Skala mit Fixpunkten

1714 löste der in Danzig geborene Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) das Problem mit Quecksilber, dessen Volumenänderung zwar minimal, dafür aber absolut linear verläuft. Dass die giftigen Quecksilberfüllungen in unseren Tagen verboten werden, konnte er Anfang des 18. Jahrhunderts ja noch nicht vor­aus­ahnen. Fahrenheit verbesserte das Thermometer aber noch entscheidend weiter, indem er eine brauchbare Skala mit ein paar vernünftigen Fixpunkten einführte.

Viele Ideen anderer Forscher hatten sich nämlich in der Praxis nicht bewährt bzw. waren viel zu ungenau. So verzeichnete das «Kleine Florentiner»-Thermometer etwa die Bluttemperatur von Tieren als höchsten Wert auf der Skala. Aber auch schmelzende Butter, festwerdendes Bienenwachs oder die Wassertemperatur, bei der man sich gerade eben noch nicht die Hand verbrüht, konnten sich auf Dauer nicht durchsetzen.

Fahrenheit verwendete als Nullpunkt seiner Skala die tiefste Temperatur, die er mit einer Mischung aus Eis, Wasser und Salmiak erreichen konnte. Als zweiten und dritten Fixpunkt legte Fahrenheit den Gefrierpunkt des reinen Wassers (Eispunkt) bei 32 Grad F und die Körpertemperatur eines Menschen bei 96 Grad F fest. Der Siedepunkt des Wassers wiederum liegt bei 212 Grad F. Die Fahrenheit-Skala ist unter anderem bis heute in den USA noch weit verbreitet.

Auch der französische Naturforscher René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683–1757) legte zwei Fixpunkte fest (Schmelzpunkt Eis = 0 Grad R , Siedepunkt Wasser = 80 Grad R). Er verwendete weiterhin eine Weingeist-Thermometerskala, die trotz der genannten Besonderheiten vor allem in Frankreich und Deutschland lange Zeit verwendet wurde, und unter anderem bei der Käseherstellung teilweise heute noch verwendet wird.

Es war dann der Schwede Anders Celsius (1701–1744), der eine Skala mit ebendiesen beiden Fixpunkten in 100 gleiche Einheiten teilte. Aber nicht so, wie wir es heute kennen: Den Gefrierpunkt des Wassers setzte Celsius bei 100 Grad an, den Siedepunkt des Wassers bei 0 Grad.

Celsius musste umgekehrt werden

Seinem Freund, dem schwedischen Naturforscher Carl von Linné (1707–1778), ist es zu verdanken, dass die Skala kurz nach Celsius’ Tod 1744 umgekehrt wurde und somit der Gefrierpunkt des Wassers bei 0 Grad Celsius liegt und der Siedepunkt des Wassers bei 100 Grad.

Nun ist bei 0 Grad Celsius ja aber noch lange nicht Schluss, es geht ja auch noch kälter, viel kälter sogar. Die nun wirklich bitterkalten –273,15 Grad Celsius wählte dann auch William Thomson, der spätere Lord Kelvin (1824–1907), als absoluten Nullpunkt seiner eigenen Temperaturskala.

Wärmer geht es natürlich auch noch. Immerhin beträgt die Oberflächentemperatur der Sonne ganze 5500 Grad Celsius, und in einem Kernfusionsreaktor können atemberaubende 150 Millionen Grad Celsius herrschen. Selbst das ist aber noch zu toppen, und zwar mit der sogenannten Planck-Temperatur, die bei 1,4 mal 10 hoch 32 Grad Celsius liegt. Da dürfte unser gutes altes Aussenthermometer dann wohl doch ein wenig überfordert sein.

Temperatur-Rekorde

Höchste je gemessene Lufttemperatur in der Schweiz: 41,5 Grad Celsius, Grono GR (382 m ü. M.), 11. August 2003. Weltweit höchste gemessene Temperatur: 56,7 Grad Celsius, Death Valley (USA), 10. Juli 1913.

Tiefste je gemessene Lufttemperatur in der Schweiz: -41,8 Grad Celsius, La Brévine NE (1048 m ü. M.), 12. Januar 1987 (vermutlich waren es sogar -42,5 Grad, wie heutige Messbedingungen vermuten lassen). Weltweit tiefste Temperatur: –89,2 Grad Celsius, Wostok-Station, Antarktis, 21. Juli 1983.

Wärmste Orte der Schweiz: Grono GR (382 m ü. M.), Locarno-Monti TI (367 m ü. M.) und Lugano TI (273 m ü. M.), je 12,4 Grad Celsius mittlere Jahrestemperatur (1981–2010).

Kältester Ort der Schweiz: Jungfraujoch (3580 m ü. M.), –7,2 Grad Celsius mittlere Jahrestemperatur (1981–2010).