Arbeitsmethoden der Thermodynamik

1 Grundlagen der Thermometrie.- 1.1 Temperaturbegriff.- 1.2 Kelvin-Temperaturskala.- 1.3 Statistische Wärmetheorie.- 1.4 Negative absolute Temperaturen.- 1.5 Thermodynamische Temperaturskala.- 1.5.1 Carnot-Prozeß.- 1.5.2 Kelvin-Skala.- 1.5.3 Temperaturskalen.- 1.5.4 Ideales Gasverhalten und thermodynamische Temperaturskala.- 1.5.5 Carnot-Prozeß für das ideale Gas.- 1.5.6 Die Entropie:.- 1.5.7 Thomson-Joule-Effekt.- 1.6 Thermodynamische Temperaturskala unterhalb von 1 K.- 1.6.1 Thermometereichung nach dem 2. Hauptsatz.- 1.6.2 Besetzungsthermometrie.- 1.6.3 Temperaturmessung durch den osmotischen Druck.- 1.6.4 Schmelzdruck von 3He.- 1.7 Rauschthermometrie.- 1.8 Strahlungstheoretische Temperaturskala.- 1.9 Akustische Thermometrie.- 1.10 Internationale praktische Temperaturskala 1968 (IPTS-68).- 1.10.1 Allgemeines.- 1.10.2. Einheiten.- 1.10.3. Definition der IPTS-68.- 1.10.4 Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der IPTS-68.- 1.10.5 Empfohlene praktische Temperaturskala unterhalb von 5,2 K.- 1.10.6 Bereich zwischen 5,189 und 13,81 K.- Literatur zu Kapitel 1.- 2 Praktische Temperaturmessung.- 2.1 Ausdehnungsthermometer.- 2.1.1 Allgemeines.- 2.1.2 Gasthermometer.- 2.1.2.1 Gasthermometer konstanten Volumens.- 2.1.2.2 Gasthermometer konstanten Druckes.- 2.1.2.3 Gefäßmaterialien.- 2.1.2.4 Füllgase.- 2.1.2.5 Reduktion der gasthermometrischen Temperatur auf die thermodynamische Skala.- 2.1.2.6 Differential-Gasthermometer.- 2.1.3 Flüssigkeitsthermometer.- 2.1.3.1 Allgemeines.- 2.1.3.2 Bauarten, Theorie.- 2.1.3.3 Thermometerkorrekturen.- 2.1.3.4 Spezielle Formen des Flüssigkeitsthermometers.- 2.1.4 Flüssigkeits-Federthermometer.- 2.1.5 Metallausdehnungsthermometer.- 2.2 Dampfdruckthermometer.- 2.2.1 Allgemeines.- 2.2.2 Meßmethoden, Ausführungsformen.- 2.2.3 Thermomolekulare Druckdifferenz.- 2.2.4 Dampfdrucktabellen.- 2.3 Thermoelemente.- 2.3.1 Thermoelektrischer Effekt.- 2.3.2 Thermoelektrische Thermometer.- 2.3.3 Gebräuchliche Thermoelemente.- 2.3.4 Ausführungsformen und Herstellung.- 2.3.5 Messung der Thermospannung.- 2.3.5.1 Ausschlagsverfahren.- 2.3.5.2 Kompensationsmethoden.- 2.3.5.3 Digital-Millivoltmeter.- 2.3.5.4 Nachweis kleiner Thermospannungen durch Gleichspannungs-Wechselspannungs-Umsetzer.- 2.3.5.5 Thermospannungskonverter.- 2.3.6 Prüfung und Eichung von Thermoelementen.- 2.3.6.1 Allgemeines zu den Eichmethoden.- 2.3.6.2 Spezielle Eichverfahren.- 2.3.6.3 Erzielbare Genauigkeit.- 2.3.6.4 Einfluß der Temperatur der Nebenlötstelle.- 2.3.6.5 Prüfung der Homogenität von Thermodrähten.- 2.3.7 Meßfehler beim Einbau, äußere Einflüsse und Alterung.- 2.3.7.1 Einbaufehler.- 2.3.7.2 Einfluß des Druckes.- 2.3.7.3 Einfluß eines Magnetfeldes.- 2.3.7.4 Einfluß einer Neutronenbestrahlung.- 2.3.7.5 Alterungseffekte.- 2.4 Widerstandsthermometer.- 2.4.1 Allgemeines.- 2.4.2 Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes.- 2.4.3 Werkstoffe für metallische Widerstandsthermometer.- 2.4.3.1 Grundsätzliches.- 2.4.3.2 Platin-Widerstandsthermometer.- 2.4.3.3 Platinthermometer für hohe Temperaturen.- 2.4.3.4 Platinthermometer und Internationale Temperaturskala.- 2.4.3.5 Widerstandsthermometer aus anderen Metallen.- 2.4.4 Halbleiterwiderstände (Thermistoren).- 2.4.5 Konstruktion der Widerstandsthermometer.- 2.4.5.1 Drahtwicklung.- 2.4.5.2 Dünnfilmwiderstände.- 2.4.5.3 Anschlußleitungen.- 2.4.5.4 Thermometerformen; Schutzrohre.- 2.4.5.5 Alterung der Widerstandsthermometer.- 2.4.6 Meßverfahren.- 2.4.6.1 Kompensationsverfahren.- 2.4.6.2 Brückenschaltungen.- 2.4.6.3 Kreuzspulinstrument.- 2.4.6.4 Linearisierung von Widerstandsthermometern; Widerstandskonverter.- 2.4.6.5 Temperaturintegrator mit Thermistor.- 2.4.6.6 Direkte Verstärkungsmethoden.- 2.4.6.7 Messung von Temperaturdifferenzen.- 2.4.7 Meßfehler und Eichung.- 2.4.7.1 Erwärmung des Thermometers durch den Meßstrom.- 2.4.7.2 Druckeinflüsse.- 2.4.7.3 Stabilität von Widerstandsthermometern.- 2.4.7.4 Eichmethoden.- 2.4.8 Anwendungen spezieller Art.- 2.5 Strahlungspyrometer.- 2.5.1 Grundlagen der Pyrometrie.- 2.5.1.1 Bestimmung der Temperatur aus Strahlungsmessungen.- 2.5.1.2 Der schwarze Körper.- 2.5.1.3 Methoden der Lichtschwächung.- 2.5.2 Gesamtstrahlungspyrometer.- 2.5.2.1 Allgemeines.- 2.5.2.2 Strahlungsempfänger.- 2.5.2.3 Gesamtstrahlungspyrometer mit Thermoelement.- 2.5.2.4 Gesamtstrahlungspyrometer mit Fotozellen.- 2.5.2.5 Messung nichtschwarzer Körper.- 2.5.2.6 Meßfehler.- 2.5.3 Optische Pyrometrie.- 2.5.3.1 Temperatur und Helligkeit.- 2.5.3.2 Glühfadenpyrometer.- 2.5.3.3 Objektive optische Pyrometer.- 2.5.3.4 Pyrometer nach Wanner.- 2.5.3.5 Spektralfotometer von König-Martens.- 2.5.3.6 Emissionsgrad und Messung nichtschwarzer Strahler.- 2.5.4 Farbpyrometrie.- 2.5.4.1 Verteilungstemperatur.- 2.5.4.2 Messung mit dem Glühfadenpyrometer.- 2.5.4.3 Farbpyrometer nach Naeser.- 2.5.4.4 Objektive Farbpyrometer.- 2.5.5 Fotothermometrie.- 2.5.6 Temperaturmessung an Flammen.- 2.5.6.1 Temperatur einer Flamme.- 2.5.6.2 Messung an leuchtenden Flammen.- 2.5.6.3 Methode der Linienumkehr.- 2.5.6.4 Temperaturbestimmung aus der Breite von Spektrallinien.- 2.5.6.5 Andere Meßmethoden in Gasentladungen.- 2.6 Weitere Temperaturmeßmethoden; Temperaturindikatoren.- 2.6.1 Temperaturbestimmung mittels Schallgeschwindigkeit.- 2.6.2 Quarzresonator als Thermometer.- 2.6.3 Rauschthermometrie.- 2.6.4 Interferometrische Temperaturmessung.- 2.6.5 Magnetische Temperaturmessung.- 2.6.6. Pyro- und ferroelektrische Thermometer.- 2.6.7 Thermokolore; Seger-Kegel.- 2.6.8 Thermographie, optische Methoden.- 2.6.9 Kalorimetrische Temperaturmessung.- 2.7 Thermostate; Temperaturregelung und -aufzeichnung.- 2.7.1 Theorie der selbsttätigen Temperaturregelung.- 2.7.2 Temperaturfühler und -regier; Peltier-Kühlung.- 2.7.3 Gas- und Flüssigkeitsthermostate.- 2.7.3.1 Badflüssigkeiten.- 2.7.3.2 Rührvorrichtung.- 2.7.3.3 Wasserbadthermostate.- 2.7.3.4 Gasthermostate.- 2.7.3.5 Thermostate für höhere Temperaturen.- 2.7.3.6 Thermostate für Temperaturen unterhalb des Eispunktes.- 2.7.4 Präzisionsthermostate.- 2.7.5 Hochtemperaturthermostate.- 2.7.6 Steuerung von zeitlich veränderlichen Temperaturen.- 2.7.6.1 Programmierbare Temperatursteuerung.- 2.7.6.2 Thermostate mit linearem Temperaturanstieg.- 2.7.6.3 Thermostate für zyklische Temperaturänderungen.- 2.7.6.4 Thermostate zum Erzeugen eines konstanten Temperaturdifferentials.- 2.7.6.5 Thermostate für periodischen Temperaturverlauf.- 2.7.7 Temperaturaufzeichnung.- 2.8 Thermometereichung; Standardinstrumente.- 2.8.1 Allgemeines über Thermometereichung.- 2.8.2 Eichung von Standardthermometern.- 2.8.3 Vergleich mit Standardthermometern.- 2.8.4 Allgemeines über Temperaturfixpunkte.- 2.8.5 Primäre thermometrische Fixpunkte.- 2.8.5.1 Primäre Fixpunkte zwischen 13,81 und 27,102 K.- 2.8.5.2 Die Sauerstoff-Fixpunkte.- 2.8.5.3 Der Wassertripelpunkt.- 2.8.5.4 Der Wassersiedepunkt.- 2.8.5.5 Erstarrungspunkte von Zn, Ag und Au.- 2.8.6 Sekundäre Fixpunkte unterhalb des Eispunktes.- 2.8.7 Sekundäre Fixpunkte oberhalb des Eispunktes.- 2.9 Einbau und Trägheit des Thermometers.- 2.9.1 Theorie des inneren Einbaus.- 2.9.2 Innerer Einbau der Thermometer.- 2.9.2.1 Allgemeines.- 2.9.2.2 Messung in festen Körpern.- 2.9.2.3 Temperaturmessung in Flüssigkeiten.- 2.9.2.4 Lufttemperaturmessung.- 2.9.2.5 Gastemperaturmessung in Rohrleitungen.- 2.9.2.6 Messung hoher Gastemperaturen.- 2.9.2.7 Messung in schnell strömenden Gasen.- 2.9.3 Messung der Oberflächentemperatur.- 2.9.4 Anzeigeträgheit des Thermometers.- 2.9.4.1 Einmalige, plötzliche Temperaturänderung.- 2.9.4.2 Periodische Temperaturänderungen.- 2.9.4.3 Nacheilen des Thermometers.- 2.9.5 Temperaturmessung an rotierenden Teilen.- 2.9.6 Berührungsfreie Temperaturmessung.- 2.9.6.1 Oberflächentemperaturmessung durch kompensierte Wärmeübertragung.- 2.9.6.2 Oberflächentemperaturmessung an Ultrazentrifugen.- 2.9.6.3 Induktive Signalübertragung von rotierenden Teilen.- 2.9.6.4 Induktive Temperaturübertragung bei Waagen.- 2.9.6.5 Spezielle Verfahren.- 2.9.7 Untersuchung von Temperaturfeldern.- Literatur zu Kapitel 2.- 3 Messung tiefer Temperaturen.- 3.1 Gas-, Dampfdruck- und akustische Thermometer.- 3.1.1 Gasthermometer für tiefe Temperaturen; Theorie.- 3.1.2 Aufbau der Gasthermometer.- 3.1.3 Andere Bauformen der Gasthermometer.- 3.1.4 Gasthermometer im überkritischen Druckbereich.- 3.1.5 Dampfdruck tiefsiedender Gase; Korrekturen.- 3.1.5.1 Dampfdruck von Sauerstoff.- 3.1.5.2 Dampfdruck von Neon.- 3.1.5.3 Dampfdruck von Wasserstoff.- 3.1.5.4 Dampfdruck der Helium-Isotope.- 3.1.5.5 Dampfdruckkorrekturen.- 3.1.6 Praktische Dampfdruckmessung.- 3.1.7 Akustisches Thermometer.- 3.2 Thermoelemente bei tiefen Temperaturen.- 3.2.1 Grundsätzliches.- 3.2.2 Materialien für Tieftemperatur-Thermoelemente.- 3.2.2.1 Der „passive“Schenkel.- 3.2.2.2 Kupfer/Konstantan-Element.- 3.2.2.3 Gold-Kobalt-Legierungen.- 3.2.2.4 Gold-Eisen-Legierungen.- 3.2.2.5 Weitere Materialien.- 3.2.3 Einfluß von Magnetfeldern u. a.- 3.2.4 Messung sehr kleiner Thermospannungen.- 3.2.5 Supraleitende Schalter und Wechselrichter.- 3.2.6 Eichmethoden und Befestigung.- 3.3 Widerstands- und Dioden-Thermometrie.- 3.3.1 Allgemeines.- 3.3.2 Andere Metallthermometer.- 3.3.3 Germaniumthermometer.- 3.3.3.1 Grundsätzliches.- 3.3.3.2 Aufbau und Eigenschaften.- 3.3.3.3 Si- und SiC-Widerstandsthermometer.- 3.3.3.4 Meßwertinterpolation.- 3.3.4 Kohle-Widerstandsthermometer.- 3.3.4.1 Kompakte Kohle-Widerstandsthermometer.- 3.3.4.2 Kohleschicht-Thermometer.- 3.3.4.3 Kohle-Glasthermometer.- 3.3.4.4 Konlethermometer bei sehr tiefen Temperaturen.- 3.3.4.5 Zur Widerstandsmessung.- 3.3.4.6 Trägheit der Kohlethermometer; thermische Ankopplung.- 3.3.4.7 Einfluß äußerer Parameter.- 3.3.5 Halbleiter-Diodenthermometer.- 3.3.5.1 Theorie des Diodenthermometers.- 3.3.5.2 GaAs-Dioden.- 3.3.5.3 Ge- und Si-Dioden.- 3.3.5.4 GaAs-Widerstandsthermometer.- 3.3.6 Widerstandsmeßverfahren.- 3.3.6.1 Gleichspannungsverfahren.- 3.3.6.2 Wechselstrombrücken.- 3.3.6.3 Phasenempfindlicher Detektor.- 3.3.6.4 Meßbrücken mit induktiven Spannungsteilern.- 3.3.6.5 Selbstabgleichende Widerstandsbrücken.- 3.3.6.6 Gepulste Wechselspannungsbrücken.- 3.3.6.7 Widerstands-Frequenz-Konverter.- 3.3.6.8 Messung der thermischen Impedanz.- 3.3.7 Einfluß äußerer Parameter.- 3.3.7.1 Hydrostatischer Druck.- 3.3.7.2 Einfluß von Magnetfeldern.- 3.3.7.3 Bestrahlungseinflüsse.- 3.3.7.4 Alterung von Widerstandsthermometern.- 3.3.8 Spezielle Eichverfahren.- 3.3.9 Montage der Widerstandsthermometer.- 3.4 Magnetische Thermometrie I: Elektronischer Paramagnetismus.- 3.4.1 Allgemeines.- 3.4.2 Eigenschaften der paramagnetischen Substanzen.- 3.4.2.1 Cer-Magnesium-Nitrat (CMN).- 3.4.2.2 Chrom-Kalium-Alaun (CPA).- 3.4.2.3 Cer-Dipocolinat (CDP).- 3.4.2.4 Lanthan-Cer-Magnesiumnitrat (CLMN).- 3.4.2.5 Eisen-Ammonium-Alaun (FAS).- 3.4.2.6 Weitere Substanzen.- 3.4.2.7 Verdünnte Legierungen.- 3.4.2.8 Hyperfeinstruktur-Resonanz-Thermometer.- 3.4.3 Meßverfahren.- 3.4.3.1 Allgemeines.- 3.4.3.2 Fluxmetrische Methoden.- 3.4.3.3 Dynamische Verfahren.- 3.4.3.4 Meßbrücken.- 3.4.3.5 Magnetische Quanteninterferenz.- 3.4.3.6 Aufbau von Kontakten und Schwachstellen.- 3.4.3.7 Supraleitender Flußtransformator.- 3.4.3.8 SQUID-Magnetometer.- 3.4.4 Spezielle Eichverfahren.- 3.4.4.1 Eichung nach dem 2. Hauptsatz.- 3.4.4.2 Vergleich mit dem Rauschthermometer.- 3.4.4.3 Eichung durch die Schmelzkurve von festem 3He.- 3.4.4.4 Eichung durch die Sprungpunkte von Supraleitern.- 3.4.5 Thermische Ankopplung der paramagnetischen Thermometer.- 3.4.6 Temperaturskalen für paramagnetische Salze.- 3.5. Magnetische Thermometrie II: Kernphysikalische Thermometer.- 3.5.1 Kernparamagnetismus.- 3.5.2 Messung der statischen Kernsuszeptibilität.- 3.5.3 Gepulstes NMR-Thermometer.- 3.5.4 Kontinuierlich betriebenes NMR-Thermometer (CW-NMR).- 3.5.5 Kernorientierungsthermometrie (NO-Thermometer).- 3.5.6 Thermometrie mit Hilfe des Mößbauer-Effekts.- 3.5.7 Thermische Ankopplung der Kernthermometer.- 3.5.8 Eich- und Vergleichsmethoden.- 3.6 Dielektrische Thermometer.- 3.6.1 Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten.- 3.6.2 SrTiOg-Glaskeramik-Thermometer.- 3.6.3 Andere dielektrische Thermometer.- 3.6.4 Verhalten bei sehr tiefen Temperaturen.- 3.6.5 Meßverfahren.- 3.6.6 Pyroelektrische Thermometer.- 3.6.7 Eigenschaften pyroelektrischer Thermometer.- 3.6.8 Anwendung der pyroelektrischen Thermometer.- 3.7 Supraleitungsthermometer.- 3.7.1 Magnetische Thermometrie mit einem Supraleiter.- 3.7.2 Praktische Ausführung.- 3.7.3 Supraleitendes Widerstandsthermometer.- 3.7.4 Supraleitungstemperaturregler.- 3.7.5 Messung von Temperaturgradienten.- 3.8 Rauschthermometrie.- 3.8.1 Grundlagen.- 3.8.2 Rauschthermometer mit Verstärker.- 3.8.3 SQUID-Rauschthermometer.- 3.8.4 Josephson-Effekt und Rauschthermometrie.- 3.8.5 Rauschthermometer mit Josephson-Diode.- 3.8.6 Vergleich mit Kernthermometern.- 3.9 Schmelzkurve und osmotischer Druck von 3He.- 3.9.1 Eigenschaften von festem und flüssigem 3He.- 3.9.2 Neuere Bestimmungen der 3He-Schmelzkurve.- 3.9.3 Messung des Schmelzdruckes.- 3.9.4 Schmelzdruckkurven.- 3.9.5 Temperaturmessung mit Hilfe des osmotischen Druckes.- 3.10 Vergleich, Einbau und Eichung der Tieftemperatur-Thermometer.- 3.10.1 Vergleich der Tieftemperatur-Thermometer.- 3.10.2 Einbau, thermische Ankopplung.- 3.10.3 Theorie der thermischen Ankopplung.- 3.10.4 Kontaktprobleme bei sehr tiefen Temperaturen.- 3.10.5 Eichmethoden, Fixpunkte.- 3.10.5.1 Spezielle Eichmethoden.- 3.10.5.2 Vergleich mit He-Dampfdruck-Thermometer.- 3.10.5.3 Thermometrische Fixpunkte.- 3.10.5.4 Fitting der Eichdaten.- 3.10.6 Vergleich der Temperaturskalen.- 3.10.7 Eichkryostaten und Temperaturregler.- Literatur zu Kapitel 3.