Achtung: Im Herbst 2018 wird die Temperatur umgestellt!

Bild: CipherN [CC BY-NC 2.0] / flickr

Auch das noch! Nachdem die kürzliche Zeitumstellung für Verwirrung sorgte, soll im kommenden Jahr auch die Temperatur umgestellt werden. Was bedeutet das? Warum muss das sein? Wer ist betroffen? Der Chemische Reporter gibt Antworten.

Was ist die Temperatur eigentlich?

Die Temperatur ist eine Stoffeigenschaft. Sie gibt an, wie schnell sich die Teilchen eines Materials bewegen. Wird beispielsweise Wasser erwärmt, bewegen sich die Moleküle immer schneller, bis sie irgendwann den Zusammenhalt verlieren. Das Wasser verdampft. Genauso bewegen sich die Moleküle langsamer, wenn sie abgekühlt werden. Unterhalb von 273 Kelvin (Null Grad Celsius) erstarrt das Wasser und wird zu Eis.

Je schneller sich die Teilchen eines Stoffes bewegen, desto höher ist seine Temperatur. Bild: Benjamin Lehman [CC BY-NC-ND 2.0] / flickr
Im Alltag verwendet man aus praktischen Gründen die Celsius-Skala. Null Grad Celsius ist die Temperatur bei der Wasser bei Normaldruck gefriert und einhundert Grad Celsius markiert den Siedepunkt von Wasser. Weil diese Einteilung auch Minusgrade zulässt, ist diese Skala aber unpraktisch für die Wissenschaft. Was ein ungewolltes Minuszeichen in einer Gleichung auslösen kann, kennt sicher jeder aus den Mathematik-Klausuren in der Schule.

Deswegen verwenden Wissenschaftler statt „Grad Celsius“ lieber die Einheit „Kelvin“. Weil die Temperatur angibt, wie schnell sich die Stoffteilchen bewegen, gibt es auch einen Punkt an dem sie still stehen. Diese Temperatur wurde als Null Kelvin festgelegt, auch bekannt als „absoluter Nullpunkt“. Auch wenn die Nullpunkte zwischen Kelvin und Grad Celsius verschieden sind; die Temperaturschritte sind die gleichen. Weil der absolute Nullpunkt ziemlich genau bei -273,15 Grad Celsius liegt, kann man mit dieser Zahl die Einheiten sehr einfach in einander umrechnen (Null Grad Celsius sind 273,15 Kelvin, 100 Grad Celsius 373,15 Kelvin, usw.).

Mit allen Wassern gemessen

In Paris steht ein Metallzylinder. Alles was so schwer ist wie er, wiegt genau ein Kilogramm. Das ist ein Problem. Bild: Greg L [CC-BY-SA-3.0] / Wikimedia Commons
Das Problem mit Temperaturangaben ist, dass man sie auf irgend etwas beziehen muss, von dem man ganz genau weiss, dass es eine exakte Temperatur hat. Bisher war der Fixpunkt für Experimente der sogenannte „Tripelpunkt“ von Wasser. Der liegt bei genau 273,16000 Kelvin bei einem Druck von 611,657 Pascal. An diesem Punkt ist Wasser gleichzeitig flüssig, fest und gasförmig. Allerdings ist Wasser nicht gleich Wasser. Je nach Zusammensetzung der Isotopen, oder Anteilen von Verunreinigungen kann sich der Tripelpunkt ein kleines bisschen verändern. Dieses Problem haben auch andere physikalische Größen, wie das Kilogramm, oder das Mol.

Deswegen findet wahrscheinlich schon im Herbst 2018 eine große Konferenz statt, auf der die grundlegenden Einheiten neu definiert werden. In Zukunft werden sie dann nicht mehr auf Objekte bezogen sein. Zum Beispiel muss etwas nicht mehr die exakt gleiche Masse haben wie das Urkilogramm, um genau ein Kilogramm zu wiegen. Denn auch das Urkilogramm – der legendäre Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung – wird mit den Jahren immer leichter. Daher wird in Zukunft das Kilogramm wahrscheinlich als die Masse definiert, die eine Siliciumkugel mit 93,6 Millimetern Durchmesser hat. So eine Kugel besteht aus 35,74374043 Mol Atomen des Silicium-Isotops 28Si. Damit ist ihre Masse über eine Naturkonstante definiert, nämlich über die Avogadro-Zahl, die angibt, aus wie vielen Teilchen genau ein Mol besteht.

Das Kelvin wird neu bestimmt

Etwas ähnliches wird auch mit dem Kelvin geschehen. Die Naturkonstante, über die es in Zukunft ermittelt werden soll, ist die Boltzmann-Konstante. Sie gibt an, wie die Wärme eines Gases mit der Temperatur verknüpft ist. Seit kurzen können die Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) diese Energie so exakt messen, dass auch das Kelvin mit notwendigen Genauigkeit daraus errechnet werden kann.

Damit daraus eine Einheit abgeleitet werden kann, braucht es zwei verschiedene Messmethoden, die zum gleichen Ergebnis kommen. Die erste Methode ist ein akustisches Gasthermometer. Die entsprechenden Messungen fanden an den Metrologieinstituten Englands, Italiens, Frankreichs, Chinas und der USA statt. Die Messungen erreichen eine durchschnittliche Messunsicherheit von weniger als 1 ppm (ein Millionstel). Damit erfüllen sie die erste Bedingung für die Neudefinition des Kelvins.

PTB-Wissenschaftler Christof Gaiser mit dem Kern des Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometers.
PTB-Wissenschaftler Christof Gaiser zeigt den Kern des Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometers. Die silbernen Röhren sind die Druckbehälter mit den Kondensatoren, die für die Messung in ihrem Inneren mit Helium gefüllt werden. Bild: PTB

Nun gelang es Wissenschaftlern am PTB, auch die zweite Bedingung zu erfüllen, wie sie im Fachjournal Metrologia berichten. In ihren Experimenten benutzten die Forscher das Edelgas Helium mit einer Reinheit von mehr als 99,99999 Prozent. Unter enormen Drücken von bis zu sieben Megapascal gelang es ihnen, die Boltzmannkonstante über die elektrische Kapazität eines Kondensators zu bestimmen. Das hochreine Helium diente für den Kondensator als Dielektrikum. Die Messunsicherheit lag bei einigen Milliardsteln. Die neue Messung der Boltzmann-Konstante ist damit sogar deutlich exakter als die erste Methode.

Was ändert sich im Alltag?

Für das tägliche Leben hat diese Umstellung natürlich keine direkten Auswirkungen. Für die Wissenschaft bedeutet die Umstellung aber, dass Messungen in Zukunft noch genauer stattfinden können. Beispielsweise bei Untersuchungen von Stoffen nah am absoluten Nullpunkt ist es sehr nützlich, wenn man die Temperatur wirklich auf das Milliardstel genau kennt. Ausserdem sollten Experimente in anderen Labors einfacher nachzuvollziehen sein, weil durch die neue Definition eindeutig geregelt wird, was ein Kelvin genau ist.

Wenn 2018 auch wieder das wärmste Jahr seit Beginn der Wetteraufzeichnungen wird, hat das wenig mit der neuen Definition der Temperatur zu tun. Der Klimawandel bleibt davon unberührt – wir können ihn demnächst aber noch genauer beobachten.

Hinterlasse jetzt einen Kommentar

Kommentar verfassen