Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das neue Kelvin kann kommen

31.03.2017

Mit der Bestimmung der Boltzmann-Konstante macht die PTB den Weg zur Neudefinition der Temperatureinheit frei

Noch ist das Kelvin buchstäblich auf Wasser gebaut – genauer: auf dem Tripelpunkt von Wasser. Damit ist die Basiseinheit der Temperatur abhängig von einem Material, dessen Eigenschaften schwanken können. Doch das wird sich ändern.


PTB-Wissenschaftler Christof Gaiser mit dem Kern des Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometers.

(Foto: PTB)

Im Herbst 2018 wird das Kelvin, genauso wie alle anderen Einheiten im Internationalen Einheitensystem (SI), auf das feste und unverrückbare Fundament von Naturkonstanten gestellt. Beim Kelvin ist das die Boltzmann-Konstante. Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben sie jetzt mithilfe eines Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometers so genau bestimmt, dass einer Neudefinition der Temperatureinheit Kelvin nichts mehr im Wege steht. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Metrologia veröffentlicht.

Noch basiert die Definition der SI-Basiseinheit Kelvin auf einer Materialeigenschaft von Wasser: dem Tripelpunkt. Bei einer ganz bestimmten Temperatur kann Wasser gleichzeitig fest, flüssig und gasförmig sein. Allerdings ist Wasser nicht gleich Wasser. Und so ist der Tripelpunkt abhängig von der Isotopenzusammensetzung des verwendeten Wassers.

Zwar haben sich Physiker weltweit auf ein „Standard-Wasser“ geeinigt – ideal ist dieser Umstand dennoch nicht. Damit hat das Kelvin im Prinzip das gleiche Problem wie beispielsweise das Kilogramm oder das Mol: Sie alle beruhen auf den Eigenschaften stofflicher Dinge, entweder auf sogenannten Prototypen (wie das Urkilogramm, ein Zylinder aus Platin-Iridium) oder auf Wasser (wie das Kelvin).

Alle diese Materialien sind prinzipiell in vielfacher Weise veränderlich. Aber schon in etwa eineinhalb Jahren, im Herbst 2018, wird aller Voraussicht nach eine große internationale Konferenz die Grundlagen des gesamten Internationalen Einheitensystems SI neu festlegen. Ab dann beruhen alle Einheiten auf einem Satz Naturkonstanten – unveränderlichen Eigenschaften der physikalischen Welt. Sie sind dann das Fundament aller Dinge rund ums Messen.

Die passende Naturkonstante für Temperaturmessungen ist die Boltzmann-Konstante k. Sie gibt an, wie die thermische Energie eines Gases (also die Bewegung der Gasteilchen) von der Temperatur abhängt. In einem abgeschlossenen Gefäß lässt sich die kinetische Energie messen, indem man den Druck des Gases bestimmt. Das geht – bei der geforderten Genauigkeit – etwa mit einem akustischen Gasthermometer.

Die entsprechenden Messungen an den Metrologieinstituten Englands, Italiens, Frankreichs, Chinas und der USA erreichen eine gemittelte Messunsicherheit von weniger als 1 ppm (ein Millionstel) – und erfüllen damit die erste Bedingung des Konsultativ-Komitees für Thermometrie (CCT) für die Neudefinition des Kelvins. Aber eine weitere Bedingung lautet, dass eine zweite, unabhängige Methode ähnlich kleine Messunsicherheiten erreicht. Zu diesem Zweck startete die PTB im Jahr 2007 das Projekt des Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometers, das mit 1,9 ppm jetzt die geforderte Genauigkeit erreicht hat.

Dieses spezielle Thermometer nutzt die Tatsache aus, dass das Edelgas Helium als sogenanntes Dielektrikum die Kapazität eines Kondensators verändert. Mit einer elektrischen Messung kann man also die Dichte messen – und darüber eine Temperatur. Und elektrische Kapazitätsmessungen kann man mit einer sehr großen Genauigkeit schaffen.

Die Messunsicherheit liegt in diesem Fall nur bei einigen Milliardsteln. Allerdings mussten dafür alles perfekt stimmen: Die Wissenschaftler mussten die Materialeigenschaften der verwendeten Kondensatoren bei hohen Drücken (bis 7 MPa) an der Grenze des Machbaren bestimmen und eine Gasreinheit von mehr als 99,99999 % gewährleisten.

Darüber hinaus musste das höchste Normal der PTB für die Druckmessung, das auf Kolbenmanometern basiert, verbessert werden. Diese weltweit einmaligen Entwicklungen gelangen nur mithilfe verschiedener Kooperationen innerhalb der PTB (insbesondere mit den beiden Arbeitsgruppen „Druck“ und „Geometrische Normale“) sowie durch breite internationale Zusammenarbeit.

Nachdem die Boltzmann-Konstante nun mit zwei unabhängigen Methoden hinreichend genau bestimmt werden konnte, wird CODATA im September 2017 den endgültigen Wert für k berechnen. Die „CODATA Task Group on Fundamental Constants“ ist eine internationale Expertengruppe, deren Aufgabe es ist, die in den Metrologieinstituten aus aller Welt ermittelten Werte von Naturkonstanten zu bewerten und unter einen Hut zu bringen. Damit ist der Weg für die Neudefinition des Kelvins auf der Grundlage einer Naturkonstanten frei. Und im Herbst 2018 heißt es dann wohl: Bühne frei für ein ganz neues SI!
(es/ptb)

Ansprechpartner:
Dr. Christof Gaiser, PTB-Arbeitsgruppe 7.43 Rauschthermometrie, Telefon: (030) 3481-7349, E-Mail: christof.gaiser@ptb.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung:
C. Gaiser, B. Fellmuth, N. Haft, A. Kuhn, B. Thiele-Krivoi, T. Zandt, J. Fischer, O. Jusko, W. Sabuga: Final determination of the Boltzmann constant by dielectric-constant gas thermometry. Metrologia 54, 280–289 (2017)

Weitere Informationen:

http://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/journalisten/nachrichtenpresseinformatione...

Dipl.-Journ. Erika Schow | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Superauflösende Mikroskopie - Neue Markierungssonden im Nanomaßstab
21.08.2018 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Quantenverschränkung erstmals mit Licht von Quasaren bestätigt
20.08.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum...

Im Focus: It’s All in the Mix: Jülich Researchers are Developing Fast-Charging Solid-State Batteries

There are currently great hopes for solid-state batteries. They contain no liquid parts that could leak or catch fire. For this reason, they do not require cooling and are considered to be much safer, more reliable, and longer lasting than traditional lithium-ion batteries. Jülich scientists have now introduced a new concept that allows currents up to ten times greater during charging and discharging than previously described in the literature. The improvement was achieved by a “clever” choice of materials with a focus on consistently good compatibility. All components were made from phosphate compounds, which are well matched both chemically and mechanically.

The low current is considered one of the biggest hurdles in the development of solid-state batteries. It is the reason why the batteries take a relatively long...

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Dialog an Deck, Science Slam und Pong-Battle

21.08.2018 | Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Auf dem Weg zur personalisierten Medizin

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

In Form gebracht

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Superauflösende Mikroskopie - Neue Markierungssonden im Nanomaßstab

21.08.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics