Minimumthermometer

1. Die Thermometrische Flüssigkeit

Im Gegensatz zu herkömmlichen Quecksilberthermometern wird hier fast ausschließlich Ethanol oder ein anderer Alkohol (oft blau oder rot eingefärbt) verwendet. Dies hat zwei Gründe:

• Gefrierpunkt: Alkohol hat einen extrem niedrigen Gefrierpunkt ($ca. -114\text{°C}$), was Messungen weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser ermöglicht.

• Viskosität und Benetzung: Alkohol benetzt die Glaswandung anders als Quecksilber, was für die Bewegung des Schleppstifts (Index) entscheidend ist.

2. Der Mechanismus des Schleppstifts (Index)

Das Herzstück ist ein kleiner, dunkler Glasstab, der sich innerhalb der Kapillare befindet.

• Kohäsion und Oberflächenspannung: Wenn die Temperatur sinkt, zieht sich der Alkohol im Vorratsgefäß zusammen. Der Meniskus (die gewölbte Oberfläche der Flüssigkeitssäule) bewegt sich in Richtung des Gefäßes. Aufgrund der Oberflächenspannung wirkt der Meniskus wie eine elastische Haut. Wenn diese "Haut" auf das Ende des Schleppstifts trifft, übt sie eine Kraft aus, die den Stift mitzieht.

• Asymmetrischer Widerstand: Steigt die Temperatur wieder an, dehnt sich der Alkohol aus. Da der Stift vollständig von der Flüssigkeit umgeben ist und die Adhäsionskräfte zwischen dem Glasstift und der Kapillarwand ausreichen, um ihn an seiner Position zu halten, umspült der Alkohol den Stift einfach, ohne ihn zu bewegen.

3. Mathematische Grundlage: Volumenausdehnung

Die Änderung der Säulenlänge im Thermometer folgt der Formel für die lineare bzw. volumetrische Ausdehnung:

Wobei:

• Delta V : die Volumenänderung ist.
• Gamma : der Raumausdehnungskoeffizient der Flüssigkeit ist.
• V_0 : das Ausgangsvolumen ist.
• Delta T : die Temperaturdifferenz ist.

Da der Querschnitt der Kapillare konstant ist, führt diese Volumenänderung zu einer präzisen linearen Verschiebung des Meniskus – und damit des Index.

4. Fehlerquellen und Kalibrierung

Wissenschaftlich gesehen gibt es zwei Hauptfehlerquellen bei diesem Instrument:

1. Adhäsionsfehler: Wenn das Thermometer zu schnell abkühlt, kann ein Teil des Alkohols an der Glaswand hängen bleiben ("Tränenbildung"), was den Meniskus künstlich senkt.

2. Parallaxe: Da der Index innerhalb des Glases liegt, muss die Ablesung exakt im 90°-Winkel erfolgen, um Brechungsfehler des Glases zu vermeiden.