Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers .

Nur bei einer einzigen Temperatur liegt Wasser in allen drei Aggregatzuständen (fest, flüssig und gasförmig) gleichzeitig vor: bei 273,16 K (oder 0,01 °C). Diese Temperatur kann man mit Hilfe einer Tripelpunktzelle realisieren. Das ist ein Quarzglasgefäß, das einem geschlossenen Reagenzglas ähnelt. In ihm kühlt man hochreines Wasser so weit ab, bis es den Tripelpunkt erreicht hat. Dieser Gleichgewichtspunkt ist geeigneter zur Darstellung der Temperatur als der früher übliche Eispunkt (der Punkt, an dem Wasser gefriert), denn der ist abhängig vom Luftdruck und der gelösten Sauerstoffmenge – Faktoren, die als nicht genau wiederholbar gelten.

Mit Hilfe des Tripelpunkts werden Thermometer kalibriert, die als Normalgeräte zur Weitergabe der Einheit der Temperatur dienen. Weil aber kein Thermometer die gesamte Temperaturspanne abdecken kann, benötigt man weitere solcher Fixpunkte. Jeder zeigt die Eigenschaften oder vielmehr einen Gleichgewichtspunkt bestimmter Moleküle oder Atome an: beispielsweise den Punkt, an dem flüssiges Helium gasförmig wird (bei 3 K bis 5 K) oder den Punkt, an dem Kupfer zu schmelzen beginnt (mit 1357,77 K an der Spitze dieser Reihe).

Die Kelvin-Skala ist im Grunde nichts anderes als die Celsius-Temperaturskala mit verschobenem Nullpunkt. –273,15 °C entspricht 0 K. Damit hat die Kelvin-Skala den Vorteil, dass es keine negativen Temperaturen gibt. Die Abstände innerhalb der Skalen aber sind gleich: Ein Kelvin-Schritt entspricht einem Celsius-Schritt. 

Durch die Festlegung der Temperatur des Wasser-Tripelpunkts auf 273,16 K ist das Kelvin derzeit mit einer eher "zufälligen" Materialeigenschaft verknüpft. Wie bei anderen Einheiten böte es Vorteile, die Temperatureinheit stattdessen mit einer fundamentalen Naturkonstanten zu verknüpfen und deren Wert festzulegen, denn dadurch würde kein Temperaturwert (und auch kein Messverfahren) ausgezeichnet. Im Falle des Kelvin wäre die Boltzmann-Konstante k festzulegen, denn die Temperatur tritt in fundamentalen physikalischen Gesetzen stets als "thermische Energie" kT auf. So wäre eine denkbare Möglichkeit, das Kelvin als die Temperaturänderung zu definieren, die bei einem idealen Gas aus 10³⁰ Punktteilchen ohne innere Freiheitsgrade nach heutigem Kenntnisstand zu einer Änderung der inneren Energie um 20 709 755 J führt.

Die Boltzmann-Konstante kann im Prinzip mit jedem Primärthermometer bestimmt werden, indem bei bekannter Temperatur – idealerweise am Wasser-Tripelpunkt – das Produkt kT gemessen und daraus k berechnet wird. Der gegenwärtige Wert von k wurde am NIST mit akustischer Gasthermometrie bestimmt, also durch Messung der Schallgeschwindigkeit in einem Gas. Eine kürzlich von der PTB fertig gestellte Studie zeigt, dass eine andere Variante der Gasthermometrie, die Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometrie mit Helium, gute Aussichten zur erforderlichen weiteren Verringerung der Unsicherheit bietet, vor allem weil die benötigte Polarisierbarkeit des Heliumatoms mittlerweile quantenmechanisch sehr genau berechnet werden kann. Bei diesem Messverfahren wird die temperatur- und druckabhängige Dielektrizitätskonstante des Heliums aus der Kapazitätsänderung ermittelt, die beim Abpumpen des Gases aus einem heliumgefüllten Kondensator auftritt.

Die PTB hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, ihre seit Jahren erfolgreich im Tieftemperaturbereich eingesetzte Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometrie so zu verbessern, dass die heute damit erreichbare relative Standardunsicherheit bei der Bestimmung der Boltzmann-Konstanten von
15 · 10^–6 in einem ersten Schritt auf 2 · 10^–6 reduziert und in einem zweiten Schritt um eine weitere Größenordnung gesenkt wird.

Dieses Vorhaben, das insgesamt sicher ein Jahrzehnt erfordern wird, ist jetzt mit ersten Untersuchungen an einem neu aufgebauten Gasthermometersystem in Angriff genommen worden. Spektrale Strahlungsmessungen auf der Basis des Planckschen Gesetzes werden das Vorhaben begleiten und die Ergebnisse absichern helfen.

• Kleines Temperaturquiz