Temperatur messen

Temperatur ist die meistgemessene Größe des Alltags. Aber was macht eine Messung verlässlich? Der Versuch prüft Flüssigkeitsthermometer an den beiden Fixpunkten der Celsius-Skala (schmelzendes Eis bei $0\ ^\circ\mathrm{C}$, siedendes Wasser bei $100\ ^\circ\mathrm{C}$). Der Drei-Schüsseln-Versuch zeigt außerdem, warum das Temperaturgefühl systematisch täuscht, und nebenbei üben wir die Messregeln: eintauchen, warten, ohne Parallaxe ablesen.

Jede Wärmelehre-Messung der kommenden Experimente (Mischtemperatur, Wärmekapazität, Schmelzkurve) steht und fällt mit verlässlichen Thermometern. Der Fixpunkt-Check ist ihre Eichgrundlage. Der Drei-Schüsseln-Versuch liefert zugleich eine Begriffstrennung, an der die Alltagssprache scheitert: Das Gefühl misst Wärmeströme (deshalb fühlt sich Metall kalt an), das Thermometer misst die Temperatur. Das sind zwei verschiedene Größen.

Anders Celsius schlug seine Skala 1742 vor (ursprünglich verkehrt herum: 0 als Siedepunkt); die Fixpunkt-Idee machte Temperaturmessung erstmals weltweit vergleichbar. Heute ist das Kelvin über Naturkonstanten definiert, aber Eiswasser bleibt der beste Thermometer-Check der Schule.

Miss mit jedem Thermometer im Eiswasser und im siedenden Wasser (Regeln beachten!) und protokolliere die Abweichungen. Führe danach den Drei-Schüsseln-Versuch durch: rechte Hand in warm, linke in kalt, nach einer Minute beide in lauwarm.

Warum ein Gemisch und nicht nur Eis oder nur kaltes Wasser? Solange Eis und Wasser nebeneinander vorliegen, geht alle zu- oder abfließende Wärme ins Schmelzen bzw. Gefrieren, nicht in eine Temperaturänderung. Das Gemisch hält sich dadurch von selbst auf genau 0 °C, wie ein Naturthermostat. Reines Eis kann dagegen beliebig kälter sein, abgestandenes Schmelzwasser wärmer. Dieselbe Logik hält sprudelnd siedendes Wasser auf 100 °C (bei Normaldruck). Beide Fixpunkte sind also Zustände, in denen die Natur die Temperatur festnagelt. Genau das macht sie zu Eichpunkten.

Die Hypothese zum Handversuch: Wenn die Haut Temperatur messen würde, müssten beide Hände über die lauwarme Schüssel dasselbe sagen. Meldet die rechte (aus dem warmen Wasser kommend) „kühl“ und die linke (aus dem kalten) „warm“, dann misst die Haut offenbar etwas anderes: den Wärmestrom relativ zum eigenen Zustand.

Für den Fixpunkt-Check: Gemisch umrühren, Fühler mittig halten (nicht an Glaswand oder Bechergrund!) und warten, bis die Anzeige steht. Beim Sieden gehört der Fühler ins Wasser, nicht in den Dampfraum.

Beide Fixpunkt-Bäder mit korrekt positioniertem Fühler (mittig, ganz eingetaucht); daneben die drei Schüsseln mit dem Handwechsel-Pfeil.

Aufbau: Becherglas mit Eis-Wasser-Gemisch; Becherglas mit siedendem Wasser auf Heizplatte; Thermometersortiment (Laborthermometer, Digitalfühler, Zimmerthermometer); drei Schüsseln mit kaltem (10 °C), lauwarmem (30 °C) und warmem (45 °C) Wasser.

Teil A: Halte jedes Thermometer 2 Minuten ins gerührte Eiswasser und lies ab. Dann dasselbe im sprudelnd siedenden Wasser.

Teil B: Rechte Hand 60 s in warmes Wasser (45 °C), linke in kaltes (10 °C). Dann beide gleichzeitig in die lauwarme Schüssel (30 °C, per Thermometer bestätigt), und jede Hand gibt ihr Urteil ab.

Drei-Schüsseln-Versuch: Die rechte Hand meldet das lauwarme Wasser als „kühl“, die linke gleichzeitig als „angenehm warm“. Das Thermometer zeigt unbeirrt 30 °C.

Der Check sortiert das Sortiment: Labor- und Digitalgerät treffen beide Fixpunkte auf wenige Zehntel und sind damit für alle folgenden Wärmeversuche tauglich. (Die 99,5 °C beim Sieden können sogar ein echter Luftdruck-Effekt sein, siehe Siedepunkt-Experiment.) Das Zimmerthermometer weicht um 1,5 Grad ab und endet bei 50 °C. Für Präzisionsmessungen scheidet es aus, wobei ein konstanter Offset bei Differenzmessungen (ΔT) sogar herausfallen würde. Wichtig ist vor allem, ihn zu kennen.

Die Sinnestäuschung ist komplett: Dasselbe Wasser, zwei gegensätzliche Hand-Urteile, ein Thermometerwert. Die Haut misst, wie schnell Wärme fließt. Aus der warmen Hand strömt Wärme ins 30-Grad-Wasser („kühl!“), in die kalte Hand strömt sie hinein („warm!“). Damit ist auch das Alltagsrätsel gelöst, warum sich Metall kälter „anfühlt“ als Holz gleicher Temperatur: Es leitet die Handwärme schneller ab, ein Vorgriff aufs Wärmeleitungs-Experiment. Temperatur misst man, Wärme fühlt man. Diese Trennung trägt die gesamte Wärmelehre.

Die Fixpunkte 0 und 100 °C prüfen jedes Thermometer in wenigen Minuten (zwei Geräte tauglich, eines mit bekanntem Offset). Das Handgefühl misst Wärmeströme statt Temperaturen und scheidet als Messgerät aus. Messregeln plus geprüftes Gerät sind die Grundlage aller folgenden Wärmeversuche.

Die Fixpunkte selbst sind robust. Fehler entstehen fast nur an der Messtechnik: