Thermometer

Een thermometer met gekleurde alcohol.

Een thermometer oftewel warmtemeter is een meetinstrument dat gebruikt wordt om
temperaturen te meten.

Types

Er zijn verschillende types thermometer in gebruik:

• Vloeistofthermometer - deze werkt met een dunne glazen buis naast een schaalverdeling. Vaak wordt kwik (kwikthermometer) of gekleurde alcohol gebruikt, maar ook andere organische vloeistoffen kunnen dienen. Door de uitzetting van de vloeistof stijgt de kolom als de temperatuur hoger wordt.
• De Galileo-thermometer die werkt op basis van de Wet van Archimedes.
• Thermokoppel. Deze bestaat uit twee draden uit verschillend metaal. Op het contactpunt ontstaat een elektrische spanning die afhankelijk is van de temperatuur.
• Infrarood thermometers. Deze meet de infrarode straling van het object. Hoe heter het object, des te hoger is de frequentie van het uitgestraalde infrarood. Zie ook elektromagnetische straling.
• Temperatuurgevoelige weerstand. Dit is een elektrische weerstand waarvan de grootte toe- (positieve temperatuurcoëfficiënt) of afneemt (negatieve temperatuurcoëfficiënt) met de temperatuur. Door na ijking de weerstand te meten komt men de temperatuur te weten. Deze worden in elektronische thermometers gebruikt.
• Koortsthermometers met kwik hebben een extra dun stukje capillair aan het begin van de stijgbuis, waardoor de kwikkolom bij het weer afkoelen afbreekt, zodat de bereikte maximale temperatuur blijft staan en kan worden afgelezen tot de thermometer wordt 'afgeslagen'. Het bereik van normale koortsthermometers is gering, van 35 tot 42 °C, maar de nauwkeurigheid groot.
• Thermometer van Six-Bellani, ofwel een minimum-maximum thermometer, waarmee dagelijkse minima en maxima kunnen worden gemeten.
• Bimetaalthermometers die gebruikmaken van de verschillende uitzettingscoëfficiënt van twee strips metaal die op elkaar vast zijn gelast of gesoldeerd. Als de temperatuur verandert, trekt het bimetaal krom. Deze worden gebruikt in eenvoudige kamerthermostaten.
• Gasthermometers. Deze werken op grond van de variaties van druk als het gas wordt verwarmd of afgekoeld. Als regel wordt waterstof, helium of stikstof gebruikt. Dit zijn de nauwkeurigste en gevoeligste thermometers, maar ze zijn moeilijk in het gebruik. Een gasthermometer wordt dan ook voornamelijk gebruikt om thermometers van andere typen te kalibreren.

In principe kan elke fysische meetwaarde die temperatuurgevoelig is worden gebruikt om een thermometer te maken. Aangezien bijna alle macroscopische effecten temperatuurgevoelig zijn, resulteert dit in een constatering die door Fokke Tuinstra, emeritus hoogleraar in Delft werd geformuleerd als alles is een thermometer.

Geschiedenis

Een van de eersten die temperaturen wilden meten met behulp van een temperatuurschaal was Galenus in circa 170.

Thermoscoop

De eerste temperatuurmetingen werden uitgevoerd met een thermoscoop. Deze bestaat uit een kom met vloeistof en een glazen bol die uitmondt in een lange glazen buis en in de vloeistof wordt gestoken.

De eerste thermoscoop is uitgevonden door Santorio Santorio, die het gebruikte om de temperatuur van een mens te meten. Deze nam het bolletje wat aan het einde van de thermoscoop zat in zijn mond of klemde het in de hand. Het duurde soms wel 25 minuten eer de temperatuur kon worden afgelezen.

In 1610 maakte ook Galileo Galilei zulk een instrument. Vóór de meting wordt wat lucht uit de bol gezogen. Vervolgens wordt de bol omgekeerd met het uiteinde van de buis in de vloeistof gestoken. De onderdruk zuigt de vloeistof omhoog de buis in.

Als de lucht in de glazen bol wordt verwarmd, zal het niveau van de vloeistofkolom in de buis dalen, omdat de hogere luchtdruk de vloeistof terugduwt. Het omgekeerde gebeurt bij afkoelen. Met een op de buis aangebrachte schaalverdeling kan de thermoscoop worden afgelezen. De eerste thermoscopen waren onnauwkeurig en er ontbrak een echte ijking.

Vloeistofthermometer

Rond 1630 werd de vloeistofthermometer uitgevonden door de Franse arts Jean Rey. Daarmee worden veranderingen van de temperatuur aangegeven door middel van de thermische uitzetting van een vloeistof. Daniel Gabriel Fahrenheit vervolmaakte dit type thermometer in 1709 met een vloeistofthermometer op basis van alcohol. In 1724 gebruikte hij voor het eerst kwik. Het voordeel van kwik is dat de thermische uitzettingscoëfficiënt vrijwel constant is over een groot temperatuurbereik. Een kwikkolom is ook makkelijk af te lezen. Kwik blijft niet aan de glaswand hangen en heeft een groot temperatuurbereik. Kwik bevriest bij -38,9 °C en kookt pas bij 356,9 °C. De kwikthermometer heeft daarom voor huishoudelijk gebruik en voor de meeste (niet-Siberische) meteorologische doeleinden ruim voldoende bereik.

De hoogste temperatuur die met een vloeistofthermometer kan worden gemeten, wordt beperkt door de dampspanning van de vloeistof en de sterkte van de glazen buis waarin deze is opgesloten. In de praktijk betekent dit dat een kwikthermometer niet veel hoger dan 350 °C (het kookpunt van kwik) kan komen. Voor veel organische vloeistoffen geldt dat deze bij dat soort temperaturen niet stabiel zijn, zodat deze grens ook daar niet wordt overschreden.

De laagste temperatuur die met een vloeistofthermometer kan worden gemeten, wordt bepaald door het smeltpunt. Voor kwik is dat -39 °C, met alcohol kan -114 °C worden bereikt.

Experimenterend met materialen kunnen heel vreemde vloeistofthermometers worden gemaakt: als men een vloeistof met een lage uitzettingscoëfficiënt insluit in een buis met een hoge uitzettingscoëfficiënt, kan men hiermee zelfs een thermometer maken waarvan de vloeistofkolom daalt als de temperatuur stijgt.

Schaalverdeling

De schaalverdeling voor thermometers is lang een discussiepunt geweest. Nog steeds worden er verschillende schaalverdelingen gebruikt:

• Kelvin - De in het SI vastgestelde eenheid voor temperatuur. Het absolute nulpunt, de fysisch laagst mogelijke waarde, heeft op deze schaal de waarde 0. Smeltend ijs heeft een temperatuur van ongeveer 273,15 K (de exacte waarde is afhankelijk van de luchtdruk), het tripelpunt van water 273,16 K (per definitie). Hierdoor is 1 K temperatuurverschil gelijk aan 1 graad Celsius temperatuurverschil.
• Celsius - Door de Zweedse astronoom Anders Celsius in 1742 gedefinieerd: 100 graden is de temperatuur van kokend water en 0 graden de temperatuur waarbij water begint te bevriezen. Later draaide Linnaeus deze schaal om. Dit resulteerde in de nu gebruikte Celsiusschaal met 0 °C als vriespunt van water.
• Fahrenheit - Gebaseerd op de minimumtemperatuur die in het laboratorium kon worden geproduceerd (in de tijd van Fahrenheit, met een mengsel van ijs, water en zout), deze werd gesteld op 0, en de lichaamstemperatuur van een gezond mens (ongeveer 38 °C), die op 96 werd gesteld. De schaal wordt nog steeds veel gebruikt in Engelstalige landen.

Om Fahrenheit om te rekenen naar Celsius trekt men 32° van het geheel af, en deelt men het door 1,8 of vermenigvuldigt met 5/9 (bijv. (100° Fahrenheit - 32) / 1,8 = 37,77 °C).

• Réaumur - Deze loopt van 0 (smeltend ijs) tot 80 (kokend water).
• Rankine - De absolute nulpunt is 0, het vriespunt van water is 491,7. Dit staat tot de Fahrenheitschaal zoals Kelvin staat tot Celsius, dat wil zeggen dat temperatuurverschillen van 1 graad op beide schalen gelijk zijn.

Zie ook

• Temperatuur
• Temperatuurschaal
• Warmtemeter (doorverwijzing).