Es wurden viele Methoden zur Temperaturmessung entwickelt. Die meisten davon beruhen auf der Messung einer physikalischen Eigenschaft eines Arbeitsmaterials, die mit der Temperatur variiert. Eines der gebräuchlichsten Geräte zur Temperaturmessung ist das Glasthermometer. Dieses besteht aus einem Glasrohr, das mit Quecksilber oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt ist, die als Arbeitsflüssigkeit dient. Durch Temperaturerhöhung dehnt sich die Flüssigkeit aus, so dass die Temperatur durch Messung des Volumens der Flüssigkeit bestimmt werden kann. Solche Thermometer sind in der Regel so kalibriert, dass man die Temperatur einfach durch Beobachtung des Flüssigkeitsstandes im Thermometer ablesen kann. Ein weiterer Thermometertyp, der in der Praxis nicht sehr häufig verwendet wird, aber aus theoretischer Sicht wichtig ist, ist das Gasthermometer.
Weitere wichtige Geräte zur Temperaturmessung sind:
- Thermoelemente
- Thermistoren
- Widerstandsthermometer (RTD)
- Pyrometer
- Langmuir-Sonden (für die Elektronentemperatur eines Plasmas)
- Infrarot-Thermometer
- Andere Thermometer
Bei der Temperaturmessung ist darauf zu achten, dass das Messgerät (Thermometer, Thermoelement, etc.) wirklich die gleiche Temperatur hat wie das zu messende Material. Unter bestimmten Bedingungen kann die Wärme des Messgeräts einen Temperaturgradienten verursachen, so dass die gemessene Temperatur von der tatsächlichen Temperatur des Systems abweicht. In einem solchen Fall variiert die gemessene Temperatur nicht nur mit der Temperatur des Systems, sondern auch mit den Wärmeübertragungseigenschaften des Systems.
Welchen thermischen Komfort Menschen, Tiere und Pflanzen empfinden, hängt von mehr ab als der auf einem Glasthermometer angezeigten Temperatur. Die relative Luftfeuchtigkeit in der Umgebungsluft kann mehr oder weniger Verdunstungskälte bewirken. Die Messung der Feuchtkugeltemperatur normalisiert diesen Feuchtigkeitseffekt. Auch die mittlere Strahlungstemperatur kann die thermische Behaglichkeit beeinflussen. Der Windchill-Faktor führt dazu, dass sich das Wetter bei Wind kälter anfühlt als bei Windstille, obwohl ein Glasthermometer die gleiche Temperatur anzeigt. Der Luftstrom erhöht die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung vom oder zum Körper, was zu einer größeren Änderung der Körpertemperatur bei gleicher Umgebungstemperatur führt.
Die theoretische Grundlage für Thermometer ist der nullte Hauptsatz der Thermodynamik, der postuliert, dass, wenn man drei Körper hat, A, B und C, wenn A und B die gleiche Temperatur haben und B und C die gleiche Temperatur haben, dann haben A und C die gleiche Temperatur. B ist natürlich das Thermometer.
Die praktische Grundlage der Thermometrie ist die Existenz von Tripelpunktszellen. Tripelpunkte sind Druck-, Volumen- und Temperaturbedingungen, bei denen drei Phasen gleichzeitig vorliegen, zum Beispiel fest, dampfförmig und flüssig. Für eine einzelne Komponente gibt es an einem Tripelpunkt keine Freiheitsgrade und jede Änderung der drei Variablen führt dazu, dass eine oder mehrere der Phasen aus der Zelle verschwinden. Daher können Tripelpunktzellen als universelle Referenz für Temperatur und Druck verwendet werden (siehe Gibbs-Phasenregel).
Unter bestimmten Bedingungen wird es möglich, die Temperatur durch direkte Anwendung des Planckschen Gesetzes der Schwarzkörperstrahlung zu messen. Zum Beispiel wurde die Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds aus dem Spektrum der Photonen gemessen, die von Satellitenbeobachtungen wie WMAP beobachtet wurden. Bei der Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas durch Schwerionen-Kollisionen dienen manchmal einzelne Teilchenspektren als Thermometer.
Nicht-invasive Thermometrie
In den letzten Jahrzehnten wurden viele thermometrische Techniken entwickelt. Die vielversprechendsten und am weitesten verbreiteten nicht-invasiven thermometrischen Techniken im biotechnologischen Kontext basieren auf der Analyse von Magnetresonanzbildern, Computertomographie-Bildern und Echotomographie. Diese Techniken ermöglichen die Überwachung der Temperatur innerhalb von Geweben, ohne ein Sensorelement einzuführen. Im Bereich reaktiver Strömungen (z.B. Verbrennung, Plasmen) werden laserinduzierte Fluoreszenz (LIF), CARS und Laserabsorptionsspektroskopie zur Temperaturmessung in Motoren, Gasturbinen, Schockröhren, Synthesereaktoren usw. eingesetzt. Zu den Fähigkeiten solcher optischer Techniken gehören schnelle Messungen (bis hinunter zu Zeitskalen im Nanosekundenbereich), wobei das Messobjekt (z. B. die Flamme, stoßerhitzte Gase) nicht gestört werden darf.