„Galileo-Thermometer“ – Versionsunterschied
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Das '''Galileo-Thermometer''' (auch '''Galilei-Thermometer''' genannt) ist ein [[Thermometer]], das aus einem [[Gasflasche|Glaszylinder]] besteht und mit [[Flüssigkeit]] und Auftriebskörpern gefüllt ist. Es wurde nach dem [[Physiker]] [[Galileo Galilei]] benannt, der das Prinzip entdeckte, dass sich die [[Dichte]] von Flüssigkeiten mit der [[Temperatur]] ändert. |
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[[Bild:Galilei homero.jpg|125px|thumb|Flüssigkeitsthermometer nach [[Galileo Galilei]]]] |
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== Geschichte == |
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Der [[Physik]]er [[Galileo Galilei]] (1564-1642) stellte fest, dass sich bei verschiedenen [[Temperatur]]en die [[Dichte]] von Flüssigkeiten verändert. Auf diesem Prinzip sind die ihm zu Ehren benannten '''Galileo-Thermometer''' aufgebaut. |
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Diese Art von Thermometer wurde vom [[Großherzog]] [[Ferdinando II. de’ Medici]] erfunden,<ref>W.E.K. Middleton: ''A History of the Thermometer'', Johns Hopkins Press, Baltimore, 1966; zitiert bei: ''Spiel, Physik und Spaß.'' S. 87 ({{Google Buch|BuchID=LGDYuxw74vgC|Seite=87}}).</ref> der 1654 auch das erste Thermometer mit [[Ethanol|Alkohol]] als Messflüssigkeit erfunden hat. |
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==Funktionsprinzip== |
== Funktionsprinzip == |
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In einem Zylinder, der mit einer Flüssigkeit befüllt ist, die sich bei Temperaturänderungen stark in der [[Dichte]] ändert, befinden sich hohle Glaskörper, die je nach [[Auftrieb]] schwimmen, schweben oder am Grund liegen. Steigt die Temperatur der Flüssigkeit im Zylinder, so dehnt sie sich aus und ihre Dichte wird geringer. Die Glaskörper, bei denen die Dichte nahezu unverändert bleibt sinken nun nacheinander zu Boden. |
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[[Datei:Galileo-thermometer-fig3.svg|frame|links|Änderung der Flüssigkeits-Dichte mit der Temperatur (links kalt, rechts warm) und Einfluss auf einen Schwimmkörper, dessen Dichte gerade zwischen den Dichten der warmen und der kalten Flüssigkeit liegt (im dargestellten Beispiel: 1,000 kg/Liter)]] |
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==Temperaturanzeige== |
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[[Datei:Glaskörper Galileo Thermometer.jpg|miniatur|rechts|Die Glaskörper eines Galileo-Thermometers]] |
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Ein Galileo-Thermometer zeigt anhand des Auftriebs verschiedener Körper in einer Flüssigkeit die Raumtemperatur an. Solche [[Messgerät]]e werden von verschiedenen Herstellern als Zimmer[[dekoration]] angeboten. |
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Das Thermometer besteht aus einem engen Glaszylinder, der mit einer Flüssigkeit (beispielsweise [[Öle|Öl]]) gefüllt ist. In der Flüssigkeit befinden sich mehrere (meist 5 oder 10) kleine [[Glasballon]]s mit geringfügig unterschiedlicher Größe, die aus dekorativen Gründen oft mit einer gefärbten Flüssigkeit (Wasser oder [[Ethanol]]) befüllt sind und an die jeweils eine kleine Plakette als Gewicht gehängt ist. |
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Für gewöhnlich befinden sich 5 - 10 Glaskörper im Zylinder in Abständen von jeweils 2° Celsius. |
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Die kleinste ablesbare Einheit ist somit 1° Celsius. Messbereich: 18 bis 28° Celsius. |
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Die hierzu verwendeten Glaskugeln, deren Durchmesser größer ist als der halbe Innendurchmesser des Zylinders<ref name="SPS"> ''Spiel, Physik und Spaß.'' S. 87 ({{Google Buch|BuchID=LGDYuxw74vgC|Seite=87}}).</ref> (wodurch sie in der Schichtung bleiben und sich nicht gegenseitig „überholen“), werden so übereinander angeordnet, dass deren mittleres Volumen von der obersten Kugel zur untersten Kugel zunimmt. |
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1.Man liest die Temperatur von dem Glaskörper ab, der frei schwebt (von keinen anderen Glaskörper berührt wird). |
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Der Auftrieb der einzelnen Kugeln ist abhängig von der jeweils verdrängten Flüssigkeitsmenge ([[Auftriebskraft]], siehe auch [[Archimedisches Prinzip]]) sowie dem Gewicht der Kugeln. Steigt nun die Umgebungstemperatur, so dehnt sich die Flüssigkeit im Zylinder aus und verringert damit ihre Dichte. Dadurch ändert sich der dichteabhängige [[Statischer Auftrieb|statische Auftrieb]] der einzelnen Kugeln. |
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2.Wenn kein Glaskörper frei schwebt, bildet man den Mittelwert aus dem Wert des untersten oben schwimmenden und dem des obersten unten schwimmenden Glaskörpers. |
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Die Glaskörper sind so [[Kalibrierung|kalibriert]], dass sie bei der auf der Plakette vermerkten Temperatur in der Flüssigkeit entweder in der Mitte [[Statischer Auftrieb#Schweben|schweben]] oder die Temperatur an der oben zuunterst [[Statischer Auftrieb#Die Auftriebskraft ist größer als die Gewichtskraft: Aufsteigen|schwimmenden]] Kugel anzeigen<ref name="SPS" />. |
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Verschiedene Hersteller bieten diese dekorativen Thermometer an. Die Zusammensetzung der Flüssigkeit wird in der Regel nicht bekanntgegeben, besteht aber im Allgemeinen aus verschiedenen [[Kohlenwasserstoff|Kohlenwasserstoffen]], also [[Öle|Ölen]]. |
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Der [[Messbereich]] üblicher Galileischer Thermometer beträgt etwa 18 bis 25 [[Grad Celsius]] in Schritten von einem oder zwei Grad Celsius. Bei Kalibrierung in 2°-Abständen kann als aktuelle Temperatur auch der [[Mittelwert]] zwischen den Temperaturwerten des untersten schwimmenden und des obersten abgesunkenen Glaskörpers gelten. Die Art der Kalibrierung ist üblicherweise in der Anleitung beschrieben. |
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Da Glas ein [[Wärmeleitfähigkeit|schlechter Wärmeleiter]] ist und die Wärme der Flüssigkeit auch auf die inneren Glasballons und deren Füllflüssigkeiten übergeht (und umgekehrt), folgt das Thermometer Änderungen der Lufttemperatur nur langsam und reagiert träge. Dafür kann mithilfe der großen Skala und der unterschiedlichen Farben der Flüssigkeiten die Temperatur gut aus der Ferne abgelesen werden. |
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Eine Schwierigkeit bei der Herstellung ist das Austarieren der Volumina und Gewichte der einzelnen Glaskörper, dazu sollten die Glaskörper entweder exakt dasselbe Volumen und unterschiedliches Gewicht (Inhalt) haben, oder das Verdrängungsvolumen wird einzeln bestimmt und für den korrekten Auftrieb die nötige Menge Flüssigkeit zudosiert. Auch das einseitige Erhitzen und Zuschmelzen der (alkohol)gefüllten Glaskörper bedarf handwerklicher Kunstfertigkeit. |
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=== Ausführungsdetails === |
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Wäre der Außendurchmesser der kugelförmigen Tauchkörper nur geringfügig größer als der Innenradius des Zylinders, könnten sich die Tauchkörper im Zylinder verklemmen. Etwa, wenn der Zylinder gekippt wird. Wird die Zylinderachse wiederholt etwas um die Horizontale geschwenkt, schwappt die Ölfüllung (entgegen der Luftblase) hin und her, wobei die Widerstandskraft der Flüssigkeitsumströmung auf die Tauchkörper wirkt. Je geringer der [[Keilwinkel]] der '''Verklemmung''' ist, desto höher wird die Klemmkraft, die auf den Tauchkörper wirkt. Hohe Klemmkräfte können Kratzer durch Anreiben von Glas an Glas bewirken, im schlimmsten Fall auch ein Brechen von Kugel oder Zylinder zur Folge haben. |
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Allgemein gilt daher: |
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r<sub>K</sub> (1+cos(Keilwinkel)) ≥ r<sub>Z</sub> |
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Dabei tangiert eine Tauchkugel genau die Achsen der darunter und darüber anliegenden. Sollen also die Temperaturmarken ziemlich frei hängen können, muss r<sub>K</sub> allerdings deutlich kleiner als 0,667 r<sub>Z</sub> sein. |
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Sowohl im Zylinder als auch in den Tauchkugeln müssen ausreichend große '''Gasblasen''' vorhanden sein, um die Wärmeausdehnung der jeweiligen Flüssigkeitsfüllungen abzupuffern, sodass kein für die Glasgefäße bruchgefährlicher Druckunterschied entsteht. |
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Flüssigkeitsfüllungen aus Öl oder Alkohol haben passende Dichten für den gewünschten Effekt und machen das Gerät '''beständig gegen Frost''', der beim Transport auftreten kann. |
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== Siehe auch == |
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* [[Archimedisches Prinzip]] |
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* [[Aräometer]] |
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* [[Sturmglas]] |
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== Literatur == |
== Literatur == |
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* Christian Ucke, Hans-Joachim Schlichting: ''Das Galilei-Thermometer. Termometro Lento.'' In: ''Physik in unserer Zeit.'' 25 (1994), Heft 1, S. 44–45 [https://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/didaktik_physik/publikationen/galilei_thermometer.pdf (pdf)] |
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* Physik in unserer Zeit 25 (1994), Heft 1, 44-45 |
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== Weblinks == |
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== Einzelnachweise == |
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[[en:Galileo thermometer]] |
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<references /> |
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[[fr:Thermoscope]] |
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[[sv:Termoskop]] |
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[[Kategorie:Galileo Galilei als Namensgeber]] |
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Aktuelle Version vom 21. April 2025, 19:01 Uhr
Das Galileo-Thermometer (auch Galilei-Thermometer genannt) ist ein Thermometer, das aus einem Glaszylinder besteht und mit Flüssigkeit und Auftriebskörpern gefüllt ist. Es wurde nach dem Physiker Galileo Galilei benannt, der das Prinzip entdeckte, dass sich die Dichte von Flüssigkeiten mit der Temperatur ändert.
Geschichte
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Diese Art von Thermometer wurde vom Großherzog Ferdinando II. de’ Medici erfunden,[1] der 1654 auch das erste Thermometer mit Alkohol als Messflüssigkeit erfunden hat.
Funktionsprinzip
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Ein Galileo-Thermometer zeigt anhand des Auftriebs verschiedener Körper in einer Flüssigkeit die Raumtemperatur an. Solche Messgeräte werden von verschiedenen Herstellern als Zimmerdekoration angeboten.
Das Thermometer besteht aus einem engen Glaszylinder, der mit einer Flüssigkeit (beispielsweise Öl) gefüllt ist. In der Flüssigkeit befinden sich mehrere (meist 5 oder 10) kleine Glasballons mit geringfügig unterschiedlicher Größe, die aus dekorativen Gründen oft mit einer gefärbten Flüssigkeit (Wasser oder Ethanol) befüllt sind und an die jeweils eine kleine Plakette als Gewicht gehängt ist.
Die hierzu verwendeten Glaskugeln, deren Durchmesser größer ist als der halbe Innendurchmesser des Zylinders[2] (wodurch sie in der Schichtung bleiben und sich nicht gegenseitig „überholen“), werden so übereinander angeordnet, dass deren mittleres Volumen von der obersten Kugel zur untersten Kugel zunimmt.
Der Auftrieb der einzelnen Kugeln ist abhängig von der jeweils verdrängten Flüssigkeitsmenge (Auftriebskraft, siehe auch Archimedisches Prinzip) sowie dem Gewicht der Kugeln. Steigt nun die Umgebungstemperatur, so dehnt sich die Flüssigkeit im Zylinder aus und verringert damit ihre Dichte. Dadurch ändert sich der dichteabhängige statische Auftrieb der einzelnen Kugeln.
Die Glaskörper sind so kalibriert, dass sie bei der auf der Plakette vermerkten Temperatur in der Flüssigkeit entweder in der Mitte schweben oder die Temperatur an der oben zuunterst schwimmenden Kugel anzeigen[2].
Der Messbereich üblicher Galileischer Thermometer beträgt etwa 18 bis 25 Grad Celsius in Schritten von einem oder zwei Grad Celsius. Bei Kalibrierung in 2°-Abständen kann als aktuelle Temperatur auch der Mittelwert zwischen den Temperaturwerten des untersten schwimmenden und des obersten abgesunkenen Glaskörpers gelten. Die Art der Kalibrierung ist üblicherweise in der Anleitung beschrieben.
Da Glas ein schlechter Wärmeleiter ist und die Wärme der Flüssigkeit auch auf die inneren Glasballons und deren Füllflüssigkeiten übergeht (und umgekehrt), folgt das Thermometer Änderungen der Lufttemperatur nur langsam und reagiert träge. Dafür kann mithilfe der großen Skala und der unterschiedlichen Farben der Flüssigkeiten die Temperatur gut aus der Ferne abgelesen werden.
Eine Schwierigkeit bei der Herstellung ist das Austarieren der Volumina und Gewichte der einzelnen Glaskörper, dazu sollten die Glaskörper entweder exakt dasselbe Volumen und unterschiedliches Gewicht (Inhalt) haben, oder das Verdrängungsvolumen wird einzeln bestimmt und für den korrekten Auftrieb die nötige Menge Flüssigkeit zudosiert. Auch das einseitige Erhitzen und Zuschmelzen der (alkohol)gefüllten Glaskörper bedarf handwerklicher Kunstfertigkeit.
Ausführungsdetails
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Wäre der Außendurchmesser der kugelförmigen Tauchkörper nur geringfügig größer als der Innenradius des Zylinders, könnten sich die Tauchkörper im Zylinder verklemmen. Etwa, wenn der Zylinder gekippt wird. Wird die Zylinderachse wiederholt etwas um die Horizontale geschwenkt, schwappt die Ölfüllung (entgegen der Luftblase) hin und her, wobei die Widerstandskraft der Flüssigkeitsumströmung auf die Tauchkörper wirkt. Je geringer der Keilwinkel der Verklemmung ist, desto höher wird die Klemmkraft, die auf den Tauchkörper wirkt. Hohe Klemmkräfte können Kratzer durch Anreiben von Glas an Glas bewirken, im schlimmsten Fall auch ein Brechen von Kugel oder Zylinder zur Folge haben.
Allgemein gilt daher:
rK (1+cos(Keilwinkel)) ≥ rZ
mit
- rK: Kugelradius
- rZ: Zylinderradius
Für einen Keilwinkel von mindestens 45°:
1,707 rK ≥ rZ → rK ≥ 0,586 rZ
Für den günstigeren Keilwinkel von 60°:
1,5 rK = rZ → rK = 2/3 rZ = 0,667 rZ
Dabei tangiert eine Tauchkugel genau die Achsen der darunter und darüber anliegenden. Sollen also die Temperaturmarken ziemlich frei hängen können, muss rK allerdings deutlich kleiner als 0,667 rZ sein.
Sowohl im Zylinder als auch in den Tauchkugeln müssen ausreichend große Gasblasen vorhanden sein, um die Wärmeausdehnung der jeweiligen Flüssigkeitsfüllungen abzupuffern, sodass kein für die Glasgefäße bruchgefährlicher Druckunterschied entsteht.
Flüssigkeitsfüllungen aus Öl oder Alkohol haben passende Dichten für den gewünschten Effekt und machen das Gerät beständig gegen Frost, der beim Transport auftreten kann.
Siehe auch
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Christian Ucke, Hans-Joachim Schlichting: Das Galilei-Thermometer. Termometro Lento. In: Physik in unserer Zeit. 25 (1994), Heft 1, S. 44–45 (pdf)
Weblinks
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Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ W.E.K. Middleton: A History of the Thermometer, Johns Hopkins Press, Baltimore, 1966; zitiert bei: Spiel, Physik und Spaß. S. 87 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ a b Spiel, Physik und Spaß. S. 87 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).