Gasthermometer

Ein Gasthermometer. Der Schlauch führt zu einem Manometer.

Das Gasthermometer ist ein Ausdehnungsthermometer, bei dem die beobachtete Zustandsgröße das Volumen eines idealen Gases ist. Die Temperaturmessung basiert auf der Messung des Drucks.

Da für ein ideales Gas ein linearer Zusammenhang zwischen der Volumenänderung und der Temperatur besteht, entfällt die ansonsten notwendige Eichung aufgrund nicht-linearer Volumenänderung. Jedoch muss eine Zweipunkteichung nach wie vor durchgeführt werden.

Bei einem Gasthermometer, wie es auf dem Bild rechts zu sehen ist, führt man die Eichung normalerweise mit Eiswasser sowie mit kochendem Wasser durch. Der Schmelzpunkt von Eis liegt bei Normalbedingungen bei 0 °C, während der Siedepunkt des Wassers recht stark vom Luftdruck abhängt. Zunächst wird also der Luftdruck gemessen und der entsprechende Siedepunkt von Wasser bestimmt. Anschließend misst man den Innendruck des Gasthermometers einmal in Eiswasser und einmal in siedendem Wasser. Aus der Druckdifferenz ergibt sich dann zunächst der Spannkoeffizient α_p des Gases im Thermometergefäß:

$\alpha_p = \frac{1}{\vartheta_s} \frac{p_s - p_0}{p_0} \left( 1- k_c \right)$

Dabei ist $\vartheta_s$ die Siedetemperatur von Wasser, p₀ der Druck im Thermometergefäß in Eiswasser und p_s der Druck im Thermometergefäß in siedendem Wasser. Bei k_c handelt es sich um einen Korrekturterm, der notwendig ist, um die Wärmeausdehnung des Thermometergefäßes zu berücksichtigen:

$k_c = \frac{\vartheta_s p_s}{p_s - p_0} \left( 3 \alpha_l \frac{\Delta V}{V_0} \frac{1}{T_1} \right)$

α_l ist der Längenausdehnungskoeffizient des Thermometergefäßes und $\frac{\Delta V}{V_0}$ das Verhältnis aus dem Volumen des Kapillarröhrchens plus des Schlauches zum Manometer und dem Volumen des Gefäßes. Dies ist wichtig, da das Gefäß abgekühlt oder erhitzt wird, während Röhrchen und Schlauch üblicherweise weiterhin Umgebungstemperatur haben. T₁ ist die Umgebungstemperatur in Kelvin.

Ist der Spannkoeffizient des Gases im Thermometergefäß bekannt, gilt für die gemessene Temperatur in Abhängigkeit vom Druck:

$\vartheta = \frac{p-p_0}{p_0 \alpha_p}$

Während der Messung muss entweder der Druck oder das Volumen konstant gehalten werden. Der Einsatzbereich eines Gasthermometers liegt etwa zwischen -200 °C und +800 °C. Es existieren aber auch Anwendungen bis -272 °C.