ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟΥ CONSTRUCTION OF DIGITAL THERMOMETER ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ ΧΑΤΖΗΧΡΗΣΤΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟΥ CONSTRUCTION OF DIGITAL THERMOMETER ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ ΧΑΤΖΗΧΡΗΣΤΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΛΥΚΟΥΡΓΟΣ ΜΑΓΚΑΦΑΣ ΚΑΒΑΛΑ, 2013

Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 4 Abstract... 4 Εισαγωγή... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ:ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ - ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ... 6 1.1. Η έννοια της θερμοκρασίας... 6 1.1.1. Γενικά για την θερμοκρασία... 6 1.1.2. Σχετική θερμοκρασία... 7 1.1.3. Απόλυτη θερμοκρασία... 8 1.2. Θερμοδυναμική... 8 1.3. Θερμόμετρο... 10 1.3.1. Ιστορική αναδρομή... 10 1.3.2. Περιγραφή υδραργυρικού θερμομέτρου... 12 1.3.3. Τύποι θερμομέτρων... 13 1.3.4. Μέτρηση θερμοκρασίας... 14 1.4. Θερμότητα... 15 1.4.1. Μονάδα μέτρησης της θερμότητας... 15 1.4.2. Θερμική χωρητικότητα... 16 1.4.3. Διάδοση της θερμότητας... 17 1.5. Αλλαγές Κατάστασης... 18 1.5.1. Αλλαγές κατάστασης και θερμότητα... 19 1.5.2. Τήξη-Πήξη... 19 1.5.3. Βρασμός - Υγροποίηση... 19 1.5.4. Θερμότητα τήξης και βρασμού... 20 1.5.5. Εξάχνωση... 22 1.6. Μικροσκοπική μελέτη των αλλαγών κατάστασης... 23

1.6.1. Μεταβολή του τρόπου κίνησης των δομικών Πίθων... 23 1.6.2. Μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας... 24 1.6.3. Μεταβολή της μάζας και του όγκου... 25 1.6.4. Μεταβολή των θερμοκρασιών τήξης και βρασμού... 26 1.6.5. Εξάτμιση και μικρόκοσμος... 27 1.6.6. Ταχύτητα εξάτμισης... 27 1.6.7. Εξάτμιση, θερμότητα και μικρόκοσμος... 28 1.6.8. Συμπύκνωση... 28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: KATAΣΚΕΥΗ... 29 2.1. Μετρήσεις θερμοκρασίας με ψηφιακό θερμόμετρο με lcd... 29 2.2. Περιγραφή... 29 2.3. Τεχνικά Χαρακτηριστικά... 30 2.4. Χρήσεις... 30 2.5. Πλεονεκτήματα Δυνατότητες... 30 2.6. Λειτουργία ολοκληρωμένου... 31 2.7. Λειτουργία θερμομέτρου... 32 2.8. Τα Υλικά... 33 2.9. Κατασκευή... 34 2.10. Ρύθμιση Θερμομέτρου... 35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ... 36 3.1. Μετρήσεις... 36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 41 Κατασκευή πειράματος... 41 Ανάλυση Διαγραμμάτων-Μετρήσεων... 41 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 43 ΠΗΓΕΣ ΣΤΟ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ... 43

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία παρουσιάζεται η κατασκευή ενός ψηφιακού θερμομέτρου µε LCD(LIQUID CRYSTAL DISPLAY) οθόνη, η οποία έχει πολλά πλεονεκτήματα και δυνατότητες, καθώς και ένα ευρύ φάσµα χρήσεων. Για την κατασκευή αυτού του οργάνου μέτρησης υψηλής ακρίβειας χρησιμοποιήθηκε ένας µικρός αριθµός υλικών. Σημαντικότερη αυτών η χρήση του ολοκληρωμένου της INTERSIL ICL 7126 το οποίο συγκεντρώνει έναν συνδυασµό υψηλής ακρίβειας, μεταβλητότητας και πραγματικής οικονομίας, Περιέχει όλα εκείνα τα απαραίτητα στοιχεία για την κατασκευή του οργάνου µέτρησης, κάτι που γλιτώνει τον κατασκευαστή από την ανεύρεση και την αγορά πρόσθετων υλικών που συχνά επιφέρουν καθυστέρηση ηµερών. Κατά την κατασκευή το αισθητήριο ανίχνευσε στην είσοδο την θερμοκρασία (αναλογικό µέγεθος) και ύστερα από κατάλληλη επεξεργασία αυτή µετατράπηκε σε ψηφιακό µέγεθος, ώστε να απεικονιστεί στην LCD οθόνη. Είναι αξιοσηµείωτο πως µε κάποιες µετατροπές το όργανο µπορεί να γίνει βολτόμετρο, ντεσιµπελόµετρο, µετρητής υγρασίας κ.α. Abstract This current document shows the construction of a digital thermometer with LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY) display, which has many advantages and possibilities, and many uses. To build a high performance panel meter it is only necessary to use a small number of materials. Most important of them the chip INTERSIL ICL 7126 which bring together a combination of high accuracy, versatility and true economy. Thisincludes all the necessary components for the panel meter construction, something that helps the constructor not to look for extra components that evaluates delay. During the construction the sensortracked in the input the temperature (analog), an after the appropriate process was converted in digital to delineated at the LCD display. We, also, have to stress the fact that if certain changes are to be applied to the measuring appliance it can function as a voltometer, decibel meter, humidity meter, etc.

Εισαγωγή Η παρούσα πτυχιακή εργασία έχει ως τίτλο «ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟΥ» και πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος σπουδών του Τμήματος Ηλεκτρολογίας της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών του Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος της Καβάλας. Η εργασία μας αποτελείται από τέσσερα (4) κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο είναι καθαρά θεωρητικό ενώ τα υπόλοιπα δύο, το δεύτερο και το τρίτο δηλαδή αναφέρονται στην κατασκευή μας και στα πειράματα που πραγματοποιήσαμε με την χρήση αυτής. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας αναφερόμαστε στην βασική έννοια της θερμοκρασίας καθώς επίσης στην σχετική θερμοκρασία την απόλυτη αλλά και την έννοια της θερμοδυναμικής. Στην συνέχεια αναλύουμε το όργανο μέτρησης της θερμοκρασίας, το γνωστό μας θερμόμετρο. Πραγματοποιούμε μία μικρή ιστορική αναδρομή, γίνεται μία περιγραφή του κλασσικού υδραργυρικού θερμομέτρου. Τέλος αναλύονται όλοι οι σημερινοί τύποι θερμομέτρου καθώς και οι τρόποι μέτρησης θερμοκρασίας. Έπειτα εισερχόμαστε στην έννοια της θερμότητας. Παρουσιάζονται οι μονάδες μέτρησης της θερμότητας, η διάδοση καθώς και οι αλλαγές κατάστασης (τήξη, πήξη κτλ.) Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζετε αναλυτικά η κατασκευή μας. Τεχνικά χαρακτηριστικά, χρήσεις, πλεονεκτήματα αλλά και μειονεκτήματα βρίσκονται όλα σε αυτό το κεφάλαιο. Στο τρίτοκεφάλαιο της εργασίας μας υπάρχει το πειραματικό σκέλος στο οποίο απεικονίζονται διαγραμματικά όλα τα αποτελέσματα μας μέσα από το οποία εξάγαμε πολύτιμα συμπεράσματα. Τα συμπεράσματα μας αποτελούν το τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας μας. Στόχος και σκοπός της εργασίας μας είναι να παρουσιάσει τον τρόπο λειτουργίας και την συμπεριφορά ενός ψηφιακού θερμόμετρου σε διάφορες καταστάσεις και συνθήκες. 5

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ:ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ - ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ 1.1. Η έννοια της θερμοκρασίας Θερμοκρασία είναι η φυσική ποσότητα που μετρά την ενέργεια κίνησης ή ταλάντωσης της ύλης σε ατομικό επίπεδο. Η ανταλλαγή της ενέργειας αυτής, όταν πιάνουμε κάτι με το χέρι για παράδειγμα, μας δίνει την αίσθηση του ζεστού και του κρύου, με την κατάσταση μεγαλύτερης ενέργειας να αντιστοιχεί στο «ζεστό» ή «θερμό», όταν συνολικά παίρνουμε ενέργεια, και της κατάσταση μικρότερης ενέργειας, κατά την οποία αντιλαμβανόμαστε να χάνουμε συνολικά ενέργεια, να αντιστοιχεί στο «κρύο». 1.1.1. Γενικά για την θερμοκρασία Η θερμοκρασία στη πράξη είναι ακριβώς το μέτρο εκείνο με το οποίο προσδιορίζεται η "θερμική κατάσταση" των διαφόρων σωμάτων, είναι δηλαδή ένα φυσικό μέγεθος που συνδέεται με την μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων ενός συστατικού, το οποίο και χαρακτηρίζει πόσο θερμό ή πόσο ψυχρό είναι αυτό. Το αίτιο που δημιουργεί το αίσθημα του θερμού ή ψυχρού είναι η θερμότητα που όταν χορηγείται (απορροφάται) ή αφαιρείται (εκλύεται) από ένα σώμα προκαλεί "μεταβολή θερμοκρασίας" (ύψωση ή υποβιβασμό). Συνεπώς θερμότητα και θερμοκρασία είναι διαφορετικές έννοιες. Η μεν θερμότητα είναι μορφή ενέργειας, η δε θερμοκρασία ιδιότητα και μέγεθος. Η θερμοκρασία μετριέται με ειδικά όργανα που λέγονται θερμόμετρα, η λειτουργία των οποίων βασίζεται στο φαινόμενο της διαστολής ή συστολής ως αποτέλεσμα παροχής ή αφαίρεσης της θερμότητας. Αλλά και η μεταβολή της θερμοκρασίας (ύψωση ή υποβιβασμός) είναι επίσης αποτέλεσμα της παροχής ή αφαίρεσης της θερμότητας. Έτσι με την παρατήρηση της διαστολής ή συστολής του υδραργύρου, που χρησιμοποιείται συνήθως στα θερμόμετρα, διαπιστώνεται και η μεταβολή της θερμοκρασίας η οποία αναγνώσκεται στη κατάλληλα βαθμολογημένη σε βαθμούς θερμοκρασίας κλίμακα του θερμομέτρου. Γενικώς τα θερμόμετρα διακρίνονται σε "κοινά" ή "υδραργυρικά" και σε "θερμόμετρα οινοπνεύματος" (για χαμηλότερες θερμοκρασίες). Χρησιμοποιούνται επίσης και 6

"ηλεκτρικά θερμόμετρα" που βασίζονται στην αρχή του θερμοηλεκτρικού στοιχείου, επίσης τα "οπτικά" ή ηλεκτρικά "πυρόμετρα" καθώς και άλλα ειδικών κατηγοριών. Η βαθμολογία των θερμομέτρων γίνεται σε βαθμούς : - Celsius (Κελσίου) o C, στο μετρικό σύστημα, - και σε βαθμούς Farenhait (Φαρενάιτ) o F, στο αγγλικό σύστημα. Στο θερμόμετρο Κελσίου το μηδέν της κλίμακας (0 C)αντιστοιχεί στη θερμοκρασία τήξεως του πάγου, το δε 100 (100 C) στη θερμοκρασία βρασμού του ύδατος. Η ενδιάμεση αυτών απόσταση υποδιαιρείται σε 100 ίσα μέρη που καλούνται "βαθμοί Κελσίου". Στο θερμόμετρο Φαρενάιτ η θερμοκρασία τήξεως του πάγου αντιστοιχεί στους 32 F, η δε θερμοκρασία βρασμού στους 212 F. Το ενδιάμεσο αυτών διάστημα υποδιαιρείται σε 180 ίσα μέρη που καλούνται "βαθμοί Φαρενάιτ". Εκ των παραπάνω συμπεραίνεται ότι οι 212 βαθμοί Φαρενάιτ που περιέχονται μεταξύ 32 F και 212 F, αντιστοιχούν στους 100 βαθμούς Κελσίου, που περιέχονται μεταξύ 0 C και 100 C. Επομένως ένας βαθμός Κελσίου ισούται με 1,8 βαθμούς Φαρενάιτ +32. Όπου και ακολουθούν οι σχέσεις: C = (F - 32)100/180 ή C = (F - 32)/1,8 F = 180/100 X C + 32 ή F = 1,8 C + 32 Εκτός των παραπάνω κλιμάκων Κελσίου και Φαρενάιτ υπάρχει και η κλίμακα Κέλβιν για μέτρηση της απόλυτης θερμοκρασίας καθώς επίσης και η ογδοντάβαθμη κλίμακα Ρεωμύρου που δίδει την θερμοκρασία σε βαθμούς Ρεωμύρου ( o R) χωρίς όμως πρακτική αξία αν και χρησιμοποιείται μόνο σε εργαστηριακές μετρήσεις. 1.1.2. Σχετική θερμοκρασία Κάθε θερμοκρασία που μετριέται αρχίζοντας από το 0 της κλίμακας Κελσίου ή της κλίμακας Φαρενάιτ ονομάζεται σχετική θερμοκρασία και καλείται θετική όταν είναι υψηλότερα του μηδενός και αρνητική όταν είναι χαμηλότερα. 7

Η σχετική θερμοκρασία έχει ιδιαίτερα ευρύτατη χρήση τόσο στη καθημερινή ζωή του ανθρώπου όσο και στις διάφορες τεχνικές και μηχανολογικές εφαρμογές. Συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα t. 1.1.3. Απόλυτη θερμοκρασία Κάθε θερμοκρασία που έχει ως αρχή μέτρησης το απόλυτο μηδέν της όποιας κλίμακας (Κελσίου ή Φαρενάιτ) χαρακτηρίζεται απόλυτη θερμοκρασία. Το απόλυτο μηδέν είναι η θερμοκρασία από την οποία ξεκινά η κλίμακα Κέλβιν και που προσδιορίζεται για μεν την κλίμακα Κελσίου στους - 273,15 C και για δε την κλίμακα Φαρενάιτ στους - 459,67 F. Θεωρητικά είναι η κατάσταση εκείνη στην οποία ένα υλικό δεν έχει καμία άλλη ενέργεια παρά αυτή από τις κβαντομηχανικές ταλαντώσεις των ατόμων που το αποτελούν (ενέργεια μηδενικού σημείου). Η απόλυτη θερμοκρασία συμβολίζεται με το γράμμα Τ. 1.2. Θερμοδυναμική Με τον όρο θερμοκρασία χαρακτηρίζεται, πιο ποσοτικά, η τάξη μεγέθους των διακυμάνσεων της ενέργειας που συνδέονται με ένα άτομο, μόριο ή κάποιο άλλο στοιχειώδες συστατικό ενός φυσικού συστήματος που είναι kbt, όπου kb είναι η σταθερά του Μπόλτζμαν και T η θερμοκρασία εκπεφρασμένη σε κέλβιν. Οι τυπικές ιδιότητες της θερμοκρασίας μελετώνται στην θερμοδυναμική και στην στατιστική μηχανική. Η θερμοκρασία ενός συστήματος σε θερμοδυναμική ισορροπία ορίζεται από την την σχέση μεταξύ της θερμότητας δq που προσφέρεται σε ένα σύστημα στην διάρκεια μιας απειροστά μικρής αντιστρεπτής μεταβολής και την μεταβολή ds της εντροπίας του κατά την μεταβολή. Σε αντίθεση με την εντροπία και την θερμότητα των οποίων οι μικροσκοπικοί ορισμοί ισχύουν ακόμα και μακριά από την θερμοδυναμική ισορροπία, η θερμοκρασία μπορεί να οριστεί μόνο σε θερμοδυναμική ισορροπία ή τοπική θερμοδυναμική ισορροπία. 8

Καθώς ένα σύστημα προσλαμβάνει θερμότητα η θερμοκρασία του ανεβαίνει και ομοίως απώλεια θερμότητας προκαλεί πτώση της θερμοκρασίας. Όταν δυο συστήματα βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία, δεν παρατηρείται ροή θερμότητας μεταξύ τους. Όταν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας, θερμότητα θα τείνει να κινηθεί από το υψηλότερης θερμοκρασίας σύστημα στο χαμηλότερης μέχρι την αποκατάσταση θερμικής ισορροπίας. Η μεταφορά θερμότητας μπορεί να γίνει με επαφή, μεταφορά (ύλης) ή ακτινοβολία. Η θερμοκρασία είναι εντατική παράμετρος ενός συστήματος δηλαδή δεν εξαρτάται από το μέγεθος του συστήματος. Άλλες εντατικές παράμετροι είναι η πίεση και η πυκνότητα. Σε αντίθεση η μάζα, ο όγκος και η εντροπία είναι εκτατικές παράμετροι και εξαρτώνται από το μέγεθος του συστήματος (συνήθως είναι ανάλογες με το μέγεθός του). 9

1.3. Θερμόμετρο Θερμόμετρα ονομάζονται γενικά τα όργανα μέτρησης της θερμοκρασίας των διαφόρων σωμάτων. Τα θερμόμετρα βασίζονται στις ιδιότητες που έχουν διάφορα σώματα, τα λεγόμενα και "θερμομετρικά" να διαστέλλονται ή να συστέλλονται και γενικά να μεταβάλλουν σχήμα ή όγκο ανάλογα: με την αυξομείωση της θερμοκρασίας, ή και με την υπόθεση ότι οι πιέσεις αερίου σταθερού όγκου είναι ανάλογοι της θερμικής κατάστασης αυτού, ή επί της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης διαφόρων μετάλλων, ακριβώς λόγω της μεταβολής της θερμοκρασίας τους, ή τέλος επί της αρχής της μεταβολής ακτινοβολίας ενός σώματος συνεπεία αυξομείωσης επίσης της θερμοκρασίας του. 1.3.1. Ιστορική αναδρομή Τα πρώτα θερμόμετρα ονομάσθηκαν θερμοσκόπια από τους αρχαίους Έλληνες Ήρωνα και Φίλωνα που φέρονται να είχαν επινοήσει τέτοια όργανα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Ως νεότεροι εφευρέτες του σύγχρονου θερμομέτρου αναφέρονται πολλοί χωρίς να προσδιορίζεται και ο πρώτος. Αναφέρονται πάντως αρκετοί που επινόησαν, σχεδόν ταυτόχρονα, θερμοσκόπιο. Πολλοί αποδίδουν το θερμόμετρο στον Γαλιλαίο, άλλοι στον Βάκωνα και άλλοι στον Ολλανδό φυσικό Drebbel που φέρεται να κατασκεύασε τέτοιο όργανο το 1621. Επίσης ο Ιταλός ΣαντόριοΣαντόριο ήταν ο πρώτος που σκέφθηκε να προσαρμόσει μια αριθμητική κλίμακα στο θερμοσκόπιο, η οποία είχε σαν πρακτική αξία μόνο την επισήμανση θερμοκρασιακής διαφοράς, μια και εκείνη την εποχή δεν υπήρχε μονάδα και κλίμακα μέτρησης. Το 1709 ο Γερμανός Γκάμπριελ Φαρενάιτ (Fahrenheit) επινόησε ένα θερμοσκόπιο με οινόπνευμα, το οποίο αντικατέστησε αργότερα με υδράργυρο (1714). Αυτό ήταν το πρώτο όργανο που έφερε το όνομα «θερμόμετρο» και δε διέφερε σημαντικά από το σύγχρονο υδραργυρικό θερμόμετρο. Για να αποκτήσει το όργανο που είχε εφεύρει και πρακτική σημασία, ο Φαρενάιτ επινόησε την κλίμακα μέτρησης που φέρει το όνομά του, τη θερμοκρασιακή κλίμακα Φαρενάιτ (1724). Όπως συμβαίνει σε όλες τις κλίμακες μέτρησης, ο Φαρενάιτ αυθαίρετα απέδωσε την τιμή 32 στο σημείο που το νερό μετατρέπεται σε πάγο και την τιμή 212 στο σημείο που το νερό μετατρέπεται σε ατμό. Και για τις δύο τιμές 10

προϋπέθεσε ότι τα φαινόμενα συμβαίνουν σε ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της θάλασσας. Το 1742 ο Σουηδός αστρονόμος Άντερς Κέλσιος (AndersCelsius) επινόησε μια εκατοντάβαθμη κλίμακα: Επίσης αυθαίρετα, απέδωσε στο σημείο πήξης του νερού την τιμή 0 και στο σημείο βρασμού την τιμή 100. Γι' αυτό και η κλίμακά του ονομάστηκε «εκατοντάβαθμη» και πήρε το όνομά του μόλις το 1948 σε μια διεθνή σύνοδο του Διεθνούς Γραφείου Μέτρων και Σταθμών. Το 1867 ο Βρετανός ιατρός Σερ Τόμας Άλμπατ (SirThomasAllbutt) επινόησε ένα θερμόμετρο, στο οποίο μια στένωση στο σωλήνα εμπόδιζε την κάθοδο της υδραργυρικής στήλης στο δοχείο υποδοχής, όταν η θερμοκρασία κατέβαινε. Αυτό ήταν το πρώτο ιατρικό θερμόμετρο. Το 1848 ο Λόρδος Κέλβιν (WilliamThomsonKelvin) πρότεινε την κλίμακα της απόλυτης θερμοκρασίας: «... Η χαρακτηριστική ιδιότητα της κλίμακας που προτείνω είναι ότι όλες οι διαβαθμίσεις της έχουν την ίδια τιμή, δηλαδή αν μια μονάδα θερμότητας μεταβαίνει από ένα σώμα Α, θερμοκρασίας Το αυτής της κλίμακας, σε ένα σώμα Β θερμοκρασίας (Τ-1)ο, θα έχει το ίδιο μηχανικό αποτέλεσμα, ανεξάρτητα από την τιμή της Τ. Αυτό δικαιολογεί την ονομασία "απόλυτη κλίμακα", εφόσον τα χαρακτηριστικά της είναι τελείως ανεξάρτητα από τις φυσικές ιδιότητες οποιασδήποτε χημικής ουσίας ή στοιχείου...»[1]. Η κλίμακα υιοθετήθηκε και πήρε το όνομά του (κλίμακα Κέλβιν ή απόλυτη κλίμακα). Σύμφωνα με αυτήν, το νερό παγώνει στους 273ο Κ και βράζει στους 373ο Κ. Στο σημείο 0οΚ, που ονομάζεται και απόλυτο μηδέν, σύμφωνα με το 2ο Θερμοδυναμικό Νόμο, σταματά η θερμική κίνηση των ατόμων ή μορίων που απαρτίζουν ένα χημικό στοιχείο ή μια χημική ένωση. 11

1.3.2. Περιγραφή υδραργυρικού θερμομέτρου Το υδραργυρικό θερμόμετρο αποτελείται από ένα μακρύ και λεπτό τελείως κλειστό υάλινο σωλήνα, στο ένα άκρο του οποίου υπάρχει μια πλάτυνση, εν είδει μικρού δοχείου, στην οποία περιέχεται ο υδράργυρος. Ο υδράργυρος διαστέλλεται όταν θερμανθεί, με αποτέλεσμα η άνοδος της θερμοκρασίας να προκαλεί την άνοδό του στο σωλήνα (και αντίστοιχα η πτώση την κάθοδό του). Ο σωλήνας προσαρτάται επάνω σε κατάλληλα βαθμολογημένη κλίμακα και από εκεί διαβάζονται οι ενδείξεις της θερμοκρασίας. Ορισμένες φορές, όπως στα ιατρικά θερμόμετρα, η κλίμακα αναγράφεται επάνω στον ίδιο τον υάλινο σωλήνα. Σχήμα 1.3.2.1 - Θερμόμετρο τοίχου Το θερμόμετρο υδραργύρου είναι ιδιαίτερα ακριβές, επειδή ο υδράργυρος παρουσιάζει χαμηλή τάση ατμών και είναι ευανάγνωστος στο εσωτερικό του υάλινου σωλήνα. Το μεγάλο του μειονέκτημα, ωστόσο, είναι ότι είναι ακατάλληλο για τη μέτρηση θερμοκρασιών κάτω των -32ο C, επειδή σε αυτή τη θερμοκρασία ο υδράργυρος στερεοποιείται. 12

1.3.3. Τύποι θερμομέτρων Υδραργυρικό θερμόμετρο: Χρησιμοποιείται ως μέσο ένδειξης η διαστολή - συστολή του υδραργύρου. Οινοπνευματικό θερμόμετρο ή Θερμόμετρο υγρού: Είναι όλα του τύπου του υδραργυρικού θερμομέτρου και απλά αντικαθίσταται ο υδράργυρος με άλλο υγρό (αιθυλική αλκοόλη ή πεντάνιο με κάποια χρωστική ουσία, επειδή αυτά είναι διαφανή), αν προορίζονται για μετρήσεις χαμηλών θερμοκρασιών. Διμεταλλικό σπειροειδές έλασμα από θερμόμετρο αντιδρά στη θερμότητα από τη φλόγα αναπτήρα. Μόλις η φλόγα απομακρυνθεί το έλασμα επανέρχεται σταδιακά στην αρχική του κατάσταση Μεταλλικό θερμόμετρο ή Θερμόμετρο ελατηρίου: Χρησιμοποιούν ένα διμεταλλικό σπειροειδές επίπεδο ελατήριο, το οποίο συστέλλεται και διαστέλλεται ανομοιόμορφα ανάλογα με τη θερμοκρασία και μεταβάλλει τη διάμετρό του. Στο άκρο του ελατηρίου είναι προσαρμοσμένος ένας δείκτης ο οποίος δίνει τις ενδείξεις σε κατάλληλα βαθμολογημένη κλίμακα. Δεν είναι ιδιαίτερα ακριβή. Ηλεκτρικό θερμόμετρο: Στηρίζονται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, σύμφωνα με το οποίο αν ένας αγωγός έχει διαφορετική θερμοκρασία στα άκρα του, τότε σε αυτά αναπτύσσεται διαφορά δυναμικού, η οποία είναι δυνατό να μετρηθεί με γαλβανόμετρο. Σε αυτό τον τύπο ανήκουν τα θερμόμετρα στον πίνακα οδήγησης αυτοκινήτων. Ανάλογα με την κατασκευή και την επιλογή υλικών είναι δυνατό να παρέξουν μεγάλη ακρίβεια, ιδιαίτερα στις μετρήσεις υψηλών θερμοκρασιών, όπου οι άλλοι δύο τύποι θερμομέτρων μειονεκτούν. Θερμόμετρο αερίου ή Θερμόμετρο αερικό, Θερμόμετρο ακροβάθμιο, Θερμόμετρο αναρροφητικό, Θερμόμετρο αυτογραφικό ή Θερμογράφος, Θερμόμετρο Beckmann, Θερμόμετρο εδάφους, Θερμόμετρο ιατρικό, 13

Θερμόμετροσφενδονοειδές, Πυρόμετρο και Υδροθερμόμετρο 1.3.4. Μέτρηση θερμοκρασίας Η μέτρηση της θερμοκρασίας γίνεται με όργανα, που ονομάζονται θερμόμετρα. Ο πιο συνηθισμένος τύπος θερμομέτρων είναι τα λεγόμενα θερμόμετρα διαστολής. Είναι γνωστό ότι τα σώματα μεταβάλλουν τις διαστάσεις τους όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία τους. Σε στενές περιοχές θερμοκρασιών η μεταβολή των διαστάσεων των σωμάτων είναι γραμμική συνάρτηση της θερμοκρασίας. Στα θερμόμετρα υγρών η ιδιότητα αυτή αξιοποιείται με την τοποθέτηση ενός υγρού (υδραργύρου, ή χρωματισμένου οινοπνεύματος) σε ένα μικρό γυάλινο δοχείο, που απολήγει σε ένα στενό σωλήνα. Το ύψος της στάθμης του υγρού στο σωλήνα ακολουθεί τις μεταβολές της θερμοκρασίας την οποία μετρούμε απ' ευθείας σε μια κλίμακα προσαρμοσμένη δίπλα στο σωλήνα. Τα συμβατικά υδραργυρικά θερμόμετρα είναι κατάλληλα για μετρήσεις θερμοκρασιών από -30 o C έως 300 o C. Για μετρήσεις θερμοκρασιών έως -70 o C χρησιμοποιούμε θερμόμετρα οινοπνεύματος. 14

1.4. Θερμότητα 1.4.1. Μονάδα μέτρησης της θερμότητας Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας, η οποία μεταφέρεται από το ένα σώμα στο άλλο. Η αυθόρμητη μεταφορά θερμότητας γίνεται πάντα από το σώμα με την υψηλότερη προς το σώμα με τη χαμηλότερη θερμοκρασία, έως ότου εξισωθούν οι θερμοκρασίες των δύο σωμάτων. Η θερμότητα συμβολίζεται με το κεφαλαίο Q. Στο SI μονάδα μέτρησης της θερμότητας είναι το Joule (J). Επειδή η μονάδα Joule είναι σχετικά μικρή για να εκφράσει τα τυπικά ποσά θερμότητας, που εμπλέκονται στα προβλήματα της καθημερινής πρακτικής, χρησιμοποιούμε συνήθως τη μονάδα kj (1kJ = 103J). Κατά το παρελθόν μονάδα μέτρησης της θερμότητας ήταν το calorie (cal), το οποίο ορίζεται ως το ποσό θερμότητας, που απαιτείται για να αυξήσουμε τη θερμοκρασία του νερού από τους 14,5 o C στους 15,5 o C. Η μονάδα calorie συνεχίζει να αναφέρεται ακόμα σε ορισμένες τεχνικές προδιαγραφές. Η αντιστοιχία της με το Joule είναι: αντιστοιχίαcalorie- Joule 1cal = 4,19J, ή 1J = 0,239 cal 1 kcal = 4,19kJ, ή 1kJ = 0,239 kcal Στις Αγγλοσαξονικές χώρες εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ως μονάδα θερμότητας το Btu (Britishthermalunit), που ορίζεται ως το ποσό θερμότητας, που απαιτείται για να αυξήσουμε τη θερμοκρασία 1lb νερού (1lb = 0,453kg) κατά 1 βαθμό της κλίμακας Fahrenheit (1 βαθμός Fahrenheit = 5/9 της κλίμακας Celsius). Η αντιστοιχία της μονάδας Btu με το Joule είναι: αντιστοιχία Btu- Joule1Btu = 1,05kJ, ή 1kJ = 0,95Btu Η θερμότητα, που παράγεται από ηλεκτρική ενέργεια εκφράζεται σε kwh (κιλοβατώρες), όπου: 1kWh = 1kW 1h = 1kW 3600 s = 3600kWs = 3600kJ. 1kWh = 3600kJ 15

1.4.2. Θερμική χωρητικότητα Η ποσότητα θερμότητας που χρειάζεται ένα σώμα για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά ένα βαθμό θερμοκρασίας είναι η θερμική χωρητικότητα λ του σώματος. Για να αυξήσουμε τη θερμοκρασία του σώματος κατά Δθ βαθμούς πρέπει να του δώσουμε επομένως ποσό θερμότητας: Q = λ Δ (1) Η μονάδα θερμικής χωρητικότητας προκύπτει έτσι, (2) Η θερμική χωρητικότητα είναι ανάλογη της μάζας m του σώματος. Δηλαδή: λ = m c (3) Η σταθερά αναλογίας c είναι η θερμική χωρητικότητα ανά μονάδα μάζας του υλικού. Λέγεται ειδική θερμότητα και εξαρτάται από το ίδιο το υλικό. Η μονάδα μέτρησης της ειδικής θερμότητας προκύπτει από την εξίσωση (3) Επομένως: Η ειδική θερμότητα είναι ίση προς το ποσό θερμότητας, που απαιτείται για να αυξήσουμε τη θερμοκρασία νερού μάζας 1kg κατά 1Κ, ή 1 ο C.Συνήθως η τιμή της ειδικής θερμότητας εκφράζεται σε (4) kj kg. Η ειδικήθερμότητα είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας. Στα περισσότερα υλικά (π.χ. μέταλλα, αέρια) η ειδική θερμότητα αυξάνει με τη θερμοκρασία. Για τις συνηθισμένες θερμοκρασίες του περιβάλλοντος η ειδική θερμότητα είναι πρακτικά ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία. Στον πίνακα 1 περιέχονται οι τιμές ειδικής θερμότητας μερικών υλικών με τεχνολογικό ενδιαφέρον σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Από τις εξισώσεις (1) και (3) προκύπτει: Q = m c ΔΤ = m c Δθ 16

Πίνακας 1.4.2.1 - Τιμές Ειδικής Θερμότητας Υλικό Ειδική Θερμότητα c (kj/kg o C) Μέταλλα Αλουμίνιο 0,896 Άργυρος 0,234 Μόλυβδος 0,126 Πλατίνα 0,117 Σίδηρος 0,500 Χαλκός 0,395 Ψευδάργυρος 0,391 Άλλα υλικά Άμμος 0,92 Γυαλί 0,84 Γύψος (ξηρός) 0,84 Ξύλο (15% υγρασία) 2,5 Ατμοσφαιρικός αέρας υπό κανονική πίεση «1,0 Έδαφος 0,92 Νερό 4,19 Πάγος 2,10 Πετρέλαιο 2,10 Σημείωση: Από τις τιμές που περιέχονται στον πίνακα παρατηρούμε ότι το νερό έχει τη μέγιστη τιμή ειδικής θερμότητας. Σε σύγκριση με αυτήν του εδάφους, εκείνη του νερού είναι σημαντικά μεγαλύτερη. Αυτό σημαίνει ότι για να θερμάνουμε ίσες ποσότητες εδάφους και νερού κατά 1 χρειαζόμαστε περίπου πέντε φορές περισσότερη θερμότητα για το νερό, ή ότι η θερμοκρασία του νερού μεταβάλλεται πιο αργά από τη θερμοκρασία του εδάφους. Έτσι στις παραθαλάσσιες, ή παραλίμνιες περιοχές οι ημερήσιες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας είναι πιο μικρές έναντι των ηπειρωτικών. Αυτό εξηγεί και το γεγονός γιατί η κατασκευή μεγάλων ταμιευτήρων νερού μεταβάλλει το μικροκλίμα της περιοχής 1.4.3. Διάδοση της θερμότητας Η θερμότητα διαδίδεται κατά τρεις τρόπους. Αυτοί είναι: αγωγή μεταφορά ακτινοβολία. 17

Η διάδοση με αγωγή είναι η μεταφορά της θερμότητας από σημείο σε σημείο του σώματος και οφείλεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων του. Στο εσωτερικό των στερεών η θερμότητα διαδίδεται με αγωγή. Η διάδοση με μεταφορά οφείλεται στη ροή και την ανάμειξη των ρευστών. Αν η ροή του ρευστού οφείλεται σε τοπικές διαφορές πυκνότητας εξ αιτίας διαφοράς θερμοκρασίας, τότε η μεταφορά λέγεται ελεύθερη. Έτσι γίνεται π.χ. η θέρμανση ενός δωματίου από το σώμα του καλοριφέρ. Αν η ροή οφείλεται σε μιαν αντλία, ή ανεμιστήρα, τότε η μεταφορά λέγεται εξαναγκασμένη. Έτσι μεταφέρεται με τη βοήθεια του κυκλοφορητή η θερμότητα από το λέβητα της κεντρικής θέρμανσης προς τα σώματα του εσωτερικού χώρου. Σε αντίθεση με τους μηχανισμούς διάδοσης με αγωγή και μεταφορά, όπου απαιτείται μεσολάβηση της ύλης, στο μηχανισμό διάδοσης με ακτινοβολία η θερμότητα μεταφέρεται μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων χωρίς τη μεσολάβηση ύλης, δηλαδή στο κενό. Τυπικό παράδειγμα αυτού του τρόπου διάδοσης είναι η θέρμανση της Γης από τον Ήλιο. 1.5. Αλλαγές Κατάστασης Το χειμώνα χιονίζει κυρίως στις ορεινές περιοχές της χώρας μας. Αν η θερμοκρασία είναι «κάτω από το μηδέν», το χιόνι παγώνει. Την άνοιξη τα χιόνια λιώνουν και τα ποτάμια τροφοδοτούνται με μεγάλες ποσότητες νερού. Γεμίζουμε με νερό τις παγοθήκες και τις τοποθετούμε στο ψυγείο, οπότε παίρνουμε παγάκια. Ο πάγος είναι νερό σε στερεά κατάσταση. Όταν κάνουμε μπάνιο με ζεστό νερό σ' ένα λουτρό, ο καθρέφτης του θολώνει. Από το νερό παράγονται ατμοί, οι υδρατμοί. Ο καθρέφτης έχει μικρότερη θερμοκρασία από τους υδρατμούς που μετατρέπονται σε σταγονίδια στην επιφάνειά του. Οι υδρατμοί είναι νερό σε αέρια κατάσταση. Με παρόμοιο τρόπο από τους υδρατμούς που υπάρχουν στον αέρα, δημιουργείται η δροσιά, η ομίχλη και τα σύννεφα. Οι τρεις συνηθισμένες καταστάσεις της ύλης είναι η στερεή, η υγρή και η αέρια. Η κατάσταση της ύλης ενός σώματος είναι δυνατόν να αλλάξει. Ένα στερεό σώμα μπορεί να μετατραπεί σε υγρό και αντίστροφα ή ένα υγρό σώμα σε αέριο και αντίστροφα. Πώς προκαλούνται αυτές οι αλλαγές και πώς ερμηνεύονται 18

μικροσκοπικά; Σ' αυτή την ενότητα θα δούμε ότι οι αλλαγές κατάστασης της ύλης σχετίζονται με τη θερμοκρασία και τη θερμότητα. 1.5.1. Αλλαγές κατάστασης και θερμότητα 1.5.2. Τήξη-Πήξη Τοποθετούμε τριμμένα παγάκια σ' ένα δοχείο και μέσα σε αυτά βυθίζουμε ένα θερμόμετρο και το τοποθετούμε σε εστία θέρμανσης. Η θερμοκρασία του πάγου αρχίζει να αυξάνεται. Όταν φθάσει στους 0 C, τότε ο πάγος αρχίζει να λιώνει, οπότε εμφανίζεται και νερό μέσα στο ποτήρι. Παρατηρούμε ότι μέχρι να λιώσει όλος ο πάγος, η θερμοκρασία του μείγματος νερού-πάγου διατηρείται σταθερή στους 0 C. Η θερμοκρασία αυτή ονομάζεται θερμοκρασία τήξης του πάγου. Μόλις λιώσει όλος ο πάγος, η θερμοκρασία του νερού αρχίζει να αυξάνεται. Τοποθετούμε ένα δοχείο με νερό μέσα σε μια λεκάνη με πάγο θερμοκρασίας -10 C. Παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία του νερού μειώνεται. Όταν φθάσει στους 0 C, το νερό αρχίζει να γίνεται στερεό, δηλαδή πάγος. Αυτή η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή μέχρι να γίνει πάγος όλο το νερό. Την ονομάζουμε θερμοκρασία πήξης του νερού. Γενικά, ονομάζουμε τήξη το φαινόμενο της μετατροπής ενός στερεού σε υγρό, ενώ της μετατροπής του υγρού σε στερεό, πήξη. Κατά τη διάρκεια της τήξης ή της πήξης συνυπάρχουν και οι δυο καταστάσεις (φάσεις) της ύλης: η στερεά και η υγρή. Από τα πειράματα που περιγράψαμε, προκύπτει ότι η θερμοκρασία τήξης του νερού συμπίπτει με τη θερμοκρασία πήξης. Το ίδιο συμβαίνει και με τα άλλα σώματα. Κάθε καθαρό σώμα έχει τη δική του θερμοκρασία τήξης/πήξης, που χαρακτηρίζει το υλικό του σώματος. Είναι, όπως λέμε, μια φυσική σταθερά του υλικού του σώματος. 1.5.3. Βρασμός - Υγροποίηση Γεμίζουμε ένα γυάλινο δοχείο νερό, το τοποθετούμε πάνω από μια εστία θέρμανσης και καταγράφουμε τη θερμοκρασία του. Συγχρόνως παρατηρούμε τι συμβαίνει μέσα στο δοχείο. Αρχικά η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται και παράγονται υδρατμοί με αργό ρυθμό από την επιφάνεια του νερού. Όταν η 19

θερμοκρασία φθάσει τους 100 C, εκδηλώνεται στο νερό μία έντονη αναταραχή. Οι υδρατμοί παράγονται γρήγορα και σχηματίζουν μεγάλες φυσαλίδες σε όλο τον όγκο του νερού. Το νερό βράζει. Κατά τη διάρκεια του βρασμού συνυπάρχουν η υγρή και η αέρια κατάσταση. Σε όλη τη διάρκεια του βρασμού η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή και την ονομάζουμε θερμοκρασία βρασμού. Κάθε υγρό βράζει, αλλά σε διαφορετική θερμοκρασία. Η θερμοκρασία βρασμού είναι μια φυσική σταθερά των καθαρών σωμάτων. Το αντίστροφο φαινόμενο του βρασμού λέγεται υγροποίηση. Οι υδρατμοί υγροποιούνται στους 100 C, δηλαδή σε θερμοκρασία ίση με τη θερμοκρασία βρασμού. Κατά την τήξη, την πήξη, το βρασμό και την υγροποίηση η κατάσταση των σωμάτων αλλάζει. Αυτές οι αλλαγές ονομάζονται αλλαγές κατάστασης. 1.5.4. Θερμότητα τήξης και βρασμού Ένα κομμάτι πάγου λιώνει, όταν εκτεθεί σε περιβάλλον υψηλότερης θερμοκρασίας, για παράδειγμα στον αέρα. Τότε, θερμότητα μεταφέρεται από τον αέρα στον πάγο. Αντίθετα, κατά την πήξη μεταφέρεται θερμότητα από το νερό προς το περιβάλλον του. Γενικά, όταν θερμότητα μεταφέρεται σε ένα στερεό σώμα (για παράδειγμα όταν το θερμαίνουμε με ένα λύχνο), η θερμοκρασία του σώματος αυξάνεται μέχρι να φτάσει στη θερμοκρασία τήξης. Τότε το σώμα τήκεται (λιώνει), ενώ η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή, μέχρι να μετατραπεί εξολοκλήρου σε υγρό. Όταν θερμότητα μεταφέρεται από ένα υγρό προς το περιβάλλον του (για παράδειγμα, όταν αυτό βρίσκεται μέσα σε έναν καταψύκτη), η θερμοκρασία του υγρού ελαττώνεται μέχρι να φτάσει στη θερμοκρασία πήξης. Τότε το υγρό στερεοποιείται (πήζει), ενώ η θερμοκρασία του διατηρείται σταθερή μέχρι να μετατραπεί εξ ολοκλήρου σε στερεό. Όταν σε ένα υγρό μεταφέρεται θερμότητα (για παράδειγμα, όταν το θερμαίνουμε με ένα λύχνο), η θερμοκρασία του υγρού αυξάνεται μέχρι να φτάσει στη θερμοκρασία βρασμού. Τότε, το υγρό μετατρέπεται σε αέριο, ενώ η θερμοκρασία του καθ' όλη τη διάρκεια της μετατροπής παραμένει σταθερή. Αντιθέτως, όταν 20

από ένα αέριο μεταφέρεται θερμότητα προς το περιβάλλον, η θερμοκρασία του αερίου αρχικά μειώνεται. Όταν γίνει ίση με τη θερμοκρασία βρασμού, αρχίζει να υγροποιείται, η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή, ενώ θερμότητα εξακολουθεί να μεταφέρεται προς το περιβάλλον. Γενικά, όταν θερμότητα μεταφέρεται σε ένα στερεό ή υγρό σώμα, χωρίς να αλλάζει η κατάστασή του, τότε η θερμοκρασία του σώματος αυξάνεται. Κατά τη διάρκεια όμως της τήξης ή του βρασμού η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή αν και στο σώμα μεταφέρεται θερμότητα. Η θερμότητα που μεταφέρεται σε ένα στερεό σώμα κατά την τήξη του, είναι ανάλογη της μάζας του σώματος και εξαρτάται από το υλικό από το οποίο αποτελείται το σώμα: Q = Lt m όπου Q είναι η συνολική ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο σώμα για να μετατραπεί όλη η μάζα του m σε υγρό ίδιας θερμοκρασίας. Το Lj ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα τήξης και εξαρτάται από το υλικό. Το Lj εκφράζει την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την πλήρη τήξη 1 kg από το υλικό. Αντίστοιχα, η ποσότητα της θερμότητας που μεταφέρεται σε ένα υγρό σώμα κατά το βρασμό, είναι ανάλογη της μάζας του σώματος και εξαρτάται από το υλικό από το οποίο αποτελείται το σώμα: Q = Lb m όπου Q είναι η συνολική ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο σώμα για να μετατραπεί όλη η μάζα του m σε αέριο ίδιας θερμοκρασίας. Το Lg ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα βρασμού και εξαρτάται από το υλικό. Το Lg εκφράζει την ποσό-στητα θερμότητας που απαιτείται για την πλήρη εξαέρωση 1 kg από το υλικό. 21

Στον πίνακα αναφέρονται οι θερμοκρασίες και οι λανθάνουσες θερμότητες τήξης και βρασμού διάφορων υλικών. Πίνακας 1.5.4.1 - θερμοκρασίες και οι λανθάνουσες θερμότητες τήξης και βρασμού διάφορων υλικών 1.5.5. Εξάχνωση Μέσα σ' ένα δοχείο από πορσελάνη θερμαίνουμε ήπια κρυστάλλους ιωδίου. Παρατηρούμε ότι το στερεό ιώδιο μετατρέπεται απευθείας σε αέριο χωρίς να περάσει από την υγρή κατάσταση. Σχήμα 1.5.5.1 - Το ιώδιο μεταβαίνει από τη στερεά στην αέρια κατάσταση. Το ιώδιο εξαχνώνεται. 22

Μερικά στερεά, όπως το στερεό διοξείδιο του άνθρακα (ξηρός πάγος) και οι κρύσταλλοι της ναφθαλίνης, μεταβαίνουν απευθείας από τη στερεά στην αέρια κατάσταση. Αυτή η μεταβολή ονομάζεται εξάχνωση. Σε ξηρό περιβάλλον και με έντονη ηλιακή ακτινοβολία το χιόνι και ο πάγος επίσης εξαχνώνονται. Το αντίθετο συμβαίνει όταν υδρατμοί βρεθούν σε ψυχρό αέρα, οπότε σχηματίζεται στερεό χιόνι. 1.6. Μικροσκοπική μελέτη των αλλαγών κατάστασης 1.6.1. Μεταβολή του τρόπου κίνησης των δομικών Πίθων Αρχικά η μεταφερόμενη θερμότητα προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας, δηλαδή της κινητικής ενέργειας των δομικών λίθων του σώματος. Επομένως, οι ταλαντώσεις των δομικών λίθων γίνονται όλο και πιο έντονες. Σε ορισμένη θερμοκρασία, ωστόσο, οι ταλαντώσεις είναι τόσο έντονες, ώστε οι δυνάμεις μεταξύ των δομικών λίθων δεν μπορούν να τα συγκρατήσουν πλέον στις θέσεις τους. Οι δομικοί λίθοι αρχίζουν να «γλιστρούν» ο ένας επάνω στον άλλο και οι μεταξύ τους δυνάμεις μειώνονται: το στερεό γίνεται υγρό. Η αντίστροφη διαδικασία συμβαίνει κατά την πήξη. Σχήμα 1.6.1.1 - Στη θερμοκρασία τήξης του πάγου οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων του νερού εξασθενούν. Ο τρόπος που κινούνται τα μόρια αλλάζει. 23

Σχήμα 1.6.1.2 - Στη θερμοκρασία βρασμού οι δυνάμεις μεταξύ των δομικών λίθων του σώματος μηδενίζονται με αποτέλεσμα να κινούνται ελεύθερα Όταν θερμότητα μεταφέρεται σε ένα υγρό, αρχικά αυξάνεται η κινητική ενέργεια των δομικών του λίθων, οπότε οι κινήσεις τους γίνονται όλο και πιο έντονες, η θερμοκρασία του υγρού αυξάνεται. Σε ορισμένη θερμοκρασία οι δυνάμεις μεταξύ των δομικών λίθων δεν μπορούν να τους συγκρατήσουν κοντά τον ένα στον άλλο, οπότε αρχίζουν να κινούνται ελεύθερα: το υγρό γίνεται αέριο. Τότε, η αλληλεπίδραση μεταξύ των δομικών λίθων έχει σχεδόν μηδενιστεί. Η αντίστροφη διαδικασία συμβαίνει κατά την υγροποίηση. Κατά τη διάρκεια της τήξης ή του βρασμού, οι δομικοί λίθοι του σώματος διατηρούνται αναλλοίωτοι. Δε λιώνουν και δεν εξαερώνονται. Απλώς μεταβάλλεται ο τρόπος που κινούνται και αλληλεπιδρούν. 1.6.2. Μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας Κατά τη διάρκεια των αλλαγών κατάστασης, η κινητική ενέργεια των δομικών λίθων του σώματος διατηρείται σταθερή. Αλλάζει όμως η δυναμική τους ενέργεια. Στις αλλαγές φάσης, επομένως, η εσωτερική ενέργεια του σώματος μεταβάλλεται, επειδή μεταβάλλεται η συνολική δυναμική ενέργεια των δομικών λίθων αν και η θερμική ενέργεια του σώματος μένει σταθερή. Το νερό θερμοκρασίας 0 C έχει μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από ίση ποσότητα πάγου ίδιας θερμοκρασίας. Η διαφορά στην εσωτερική ενέργειά τους ισούται με τη 24

θερμότητα τήξης. Επίσης, υδρατμοί στους 100 C έχουν μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από ίση ποσότητα νερού ίδιας θερμοκρασίας. Κάθε μόριο πρέπει να απορροφήσει ορισμένη ενέργεια για να αλλάξει ο τρόπος σύνδεσής του με τα υπόλοιπα. Άρα, η θερμότητα τήξης ή βρασμού είναι ανάλογη με τη μάζα του σώματος: διπλάσια μάζα πάγου χρειάζεται διπλάσια θερμότητα για να λιώσει. Εξάλλου, επειδή οι δυνάμεις μεταξύ των δομικών λίθων δεν είναι εξίσου ισχυρές στα διάφορα υλικά, η θερμότητα τήξης και βρασμού (για την ίδια μάζα) διαφέρει από υλικό σε υλικό. Η λανθάνουσα θερμότητα τήξης, για παράδειγμα, του χαλκού είναι διπλάσια από του χρυσού. Για το ίδιο υλικό η λανθάνουσα θερμότητα βρασμού είναι πάντοτε μεγαλύτερη από τη θερμότητας τήξης. 1.6.3. Μεταβολή της μάζας και του όγκου Μεταβάλλεται η μάζα και όγκος κατά την τήξη; Μέσα σ' έναν ογκομετρικό σωλήνα που περιέχει πετρέλαιο ρίχνουμε παγάκια και τον τοποθετούμε στον ένα δίσκο ζυγαριάς. Βάζοντας κατάλληλα σταθμά στον άλλο δίσκο, η ζυγαριά ισορροπεί. Καθώς ο πάγος λιώνει, παρατηρούμε ότι η ισορροπία διατηρείται, αλλά η στάθμη του πετρελαίου κατεβαίνει. Συμπεραίνουμε ότι το νερό που προέκυψε από την τήξη του πάγου έχει ίδια μάζα, αλλά μικρότερο όγκο. Όταν ο πάγος τήκεται, ο όγκος του ελαττώνεται. Αντίθετα, όταν το νερό γίνεται πάγος στους 0 C, ο όγκος του αυξάνεται. Επομένως: Κατά την τήξη ενός στερεού ή την πήξη ενός υγρού, η μάζα του διατηρείται σταθερή, ενώ ο όγκος του μεταβάλλεται. Η παραπάνω διαπίστωση μας βοηθάει να ερμηνεύσουμε για ποιο λόγο ένα γυάλινο μπουκάλι γεμάτο με νερό, όταν παγώσει στην κατάψυξη του ψυγείου μας, σπάει. Ο πάγος έχει μεγαλύτερο όγκο από ίση μάζα νερού ίδιας θερμοκρασίας, οπότε έχει μικρότερη πυκνότητα από το νερό και συνεπώς θα επιπλέει στο νερό. Τα παγόβουνα λοιπόν επιπλέουν στη θάλασσα και τα παγάκια στην πορτοκαλάδα μας. 25

Στο νερό τα μόρια "γλιστρούν" το ένα πάνω στο άλλο ενώ βρίσκονται σχεδόν σε επαφή μεταξύ τους. Όταν το νερό γίνεται πάγος, τα μόρια σχηματίζουν εξάγωνα, οπότε ο χώρος που καταλαμβάνουν αυξάνεται. Όλα τα υλικά δε συμπεριφέρονται όπως το νερό σε σχέση με τη μεταβολή του όγκου κατά την πήξη ή την τήξη. Στα περισσότερα ο όγκος αυξάνεται κατά την τήξη και ελαττώνεται κατά την πήξη. Για παράδειγμα, όταν το λάδι ή ο υγρός μόλυβδος στερεοποιείται, ο όγκος του ελαττώνεται. 1.6.4. Μεταβολή των θερμοκρασιών τήξης και βρασμού Όταν σε πάγο ρίξουμε αλάτι, μεταξύ των μορίων του πάγου παρεμβάλλονται κρυσταλλάκια αλατιού. Οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων του πάγου λοιπόν εξασθενούν και ο πάγος λιώνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία από 0 C. Πράγματι, το θαλασσινό νερό, που είναι μείγμα νερού και αλατιού, πήζει σε χαμηλότερη θερμοκρασία από 0 C, η οποία εξαρτάται από την περιε-κτικότητά του σε αλάτι. Παρόμοια, αν στο νερό του ψυγείου του αυτοκινήτου προσθέσουμε κατάλληλο υγρό, το μείγμα πήζει στους -10 C. Με αυτόν τον τρόπο, το σύστημα ψύξης του κινητήρα προστατεύεται από την αύξηση του όγκου του νερού που θα συνέβαινε κατά την πήξη του. Όταν ο πάγος γίνεται νερό, τα μόρια πλησιάζουν μεταξύ τους. Αν συμπιέζουμε τον πάγο, βοηθάμε, επομένως, τα μόρια να πλησιάσουν μεταξύ τους και ο πάγος λιώνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία από 0 C. Τα παγοπέδιλα που φορούν οι παγοδρόμοι καταλήγουν σε καμπύλες μεταλλικές λάμες, των οποίων η επιφάνεια είναι αρκετά μικρότερη από την επιφάνεια των επίπεδων πελμάτων. Συνεπώς, στον πάγο που βρίσκεται κάτω από τα παγοπέδιλα ασκείται μεγάλη πίεση με αποτέλεσμα να λιώνει. Έτσι, μεταξύ των παγοπέδιλων και του πάγου σχηματίζεται ένα λεπτό στρώμα νερού. Η δύναμη της τριβής που ασκείται τώρα στα παγοπέδιλα είναι μικρότερη συγκριτικά με τη δύναμη τριβής που ασκεί ο στερεός και τραχύς πάγος και έτσι διευκολύνεται η κίνηση των αθλητών. Όσο η πίεση που ασκεί ο αέρας στο νερό είναι υψηλότερη, τόσο δυσκολότερα τα μόρια του νερού απομακρύνονται μεταξύ τους. Έτσι, το νερό βράζει σε 26

υψηλότερη θερμοκρασία. Στη χύτρα ταχύτητας το νερό βράζει στους 120 C, γιατί ο ατμός που εγκλωβίζεται ασκεί επιπλέον πίεση στην επιφάνεια του νερού. Εξάτμιση και συμπύκνωση Ο βρασμός είναι ο μοναδικός τρόπος με τον οποίο ένα υγρό γίνεται αέριο^ Γύρω μας παρατηρούμε φαινόμενα κατά τα οποία το νερό μετατρέπεται σιγά-σιγά σε αέριο, σε θερμοκρασία μικρότερη από τη θερμοκρασία βρασμού. Το φαινόμενο αυτό ονομάζουμε εξάτμιση. Για παράδειγμα, ο βρεγμένος δρόμος και τα απλωμένα ρούχα στεγνώνουν. Όταν εκπνέουμε μπροστά από ένα ψυχρό τζάμι, από τους αόρατους υδρατμούς της θερμής ανάσας μας σχηματίζονται σταγονίδια νερού (εικόνα 7.18). Το αέριο νερό μετατρέπεται σε υγρό σε θερμοκρασία μικρότερη της θερμοκρασίας υγροποίησης. Το φαινόμενο αυτό, που είναι το αντίστροφο της εξάτμισης, το ονομάζουμε συμπύκνωση. Στη συνέχεια θα γνωρίσουμε καλύτερα τα δυο αυτά φαινόμενα καθώς και τις εφαρμογές τους. 1.6.5. Εξάτμιση και μικρόκοσμος Ορισμένα μόρια, όταν βρεθούν στην επιφάνεια του υγρού και κινούνται με μεγάλη ταχύτητα, καταφέρνουν να υπερνικήσουν την ελκτική δύναμη των υπόλοιπων και να διαφύγουν στο περιβάλλον (για παράδειγμα στον αέρα). Η εξάτμιση γίνεται μόνο από την επιφάνεια του υγρού και σε οποιαδήποτε θερμοκρασία. Ακόμη και στη διάρκεια του χειμώνα και στις πολικές περιοχές το νερό των λιμνών και των ωκεανών εξατμίζεται και έτσι δημιουργούνται τα σύννεφα και συντηρείται ο κύκλος του νερού. Δεν αντιλαμβανόμαστε άμεσα αυτή τη διαδικασία γιατί οι υδρατμοί, δηλαδή το νερό σε αέρια κατάσταση, είναι αόρατοι. 1.6.6. Ταχύτητα εξάτμισης Αν και όλα τα υγρά εξατμίζονται σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, μας ενδιαφέρει να μελετήσουμε επιπλέον πόσο γρήγορα εξατμίζονται. Θυμηθείτε ότι το μέγεθος που εκφράζει πόσο γρήγορα κινείται ένα σώμα είναι η ταχύτητα. Αντίστοιχα, το 27

μέγεθος που εκφράζει πόσο γρήγορα εξατμίζεται ένα υγρό είναι η ταχύτητα της εξάτμισης. 1.6.7. Εξάτμιση, θερμότητα και μικρόκοσμος Επειδή κατά την εξάτμιση διαφεύγουν μόρια τα οποία έχουν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια από τα υπόλοιπα, η θερμοκρασία του υγρού ελαττώνεται. Η εξάτμιση είναι μια διαδικασία ψύξης. Προκειμένου να διατηρηθεί σταθερή η θερμοκρασία του υγρού που απομένει, θα πρέπει θερμότητα να μεταφερθεί από το περιβάλλον σ' αυτό, όπως συμβαίνει και στο βρασμό. Μάλιστα η θερμότητα που απαιτείται για την εξάτμιση είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη θερμότητα βρασμού. Για την εξάτμιση του νερού από τα ρούχα, τις λίμνες ή τους ωκεανούς, η απαιτούμενη θερμότητα προέρχεται από τον ήλιο. Όταν ρίξουμε λίγο οινόπνευμα στο χέρι μας, αισθανόμαστε ψύχος. Πώς ερμηνεύεται αυτό το φαινόμενο; Καθώς το οινόπνευμα εξατμίζεται, η θερμοκρασία του ελαττώνεται και από το χέρι μας μεταφέρεται θερμότητα στο ψυχρότερο οινόπνευμα. 1.6.8. Συμπύκνωση Όταν το νερό βράζει, παρατηρούμε συνήθως ένα «λευκό σύννεφο» που δημιουργείται από μικροσκοπικά σταγονίδια νερού. Τα σταγονίδια του νερού σχηματίζονται, όταν οι αόρατοι υδρατμοί που παράγονται κατά το βρασμό, ψύχονται από τον αέρα. Τότε, λέμε ότι ο ατμός συμπυκνώνεται. Με συμπύκνωση των υδρατμών της ατμόσφαιρας σχηματίζονται η ομίχλη και τα σύννεφα. Ενώ κατά την εξάτμιση θερμότητα μεταφέρεται από το περιβάλλον στο υγρό, κατά τη συμπύκνωση θερμότητα μεταφέρεται από τους ατμούς στο περιβάλλον. Γι' αυτό και είναι πάντα λίγο πιο υψηλή η θερμοκρασία όταν βρέχει ή χιονίζει παρά όταν δε συμβαίνει κάτι τέτοιο. 28

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: KATAΣΚΕΥΗ 2.1. Μετρήσεις θερμοκρασίας με ψηφιακό θερμόμετρο με lcd Σχήμα 2.1.1 - KIT No.1098 ΨΗΦΙΑΚΟ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟ ΜΕ LCD 2.2. Περιγραφή Το θερμόμετρο που θα χρησιμοποιήσουμε στις μετρήσεις μας είναι ένα ψηφιακό θερμόμετρο με οθόνη LCD κατάλληλο για τη μέτρηση θερμοκρασιών από -25 C μέχρι και +125 C. Πρόκειται για ένα απλό αλλά πολύ χρήσιμο όργανο για την μέτρηση θερμοκρασίας χώρων ή αντικειμένων. Χρησιμοποιεί μεγάλη ευανάγνωστη οθόνη 29

υγρών κρυστάλλων LCD 3 ½ ψηφίων για απεικόνιση της τιμής της θερμοκρασίας. Το κύκλωμα είναι απλό στην κατασκευή και αξιόπιστο λόγο της χρήσης του ολοκληρωμένου κυκλώματος ICL 7126 της Intersilπου έχει ενσωματωμένο σε μία θήκη 40 ακροδεκτών όλα τα κυκλώματα που χρειάζονται ώστε ένα αναλογικό μέγεθος όπως η θερμοκρασία να υποστεί την κατάλληλη επεξεργασία για να μετατραπεί σε ψηφιακό και να αποδοθεί με μορφή πραγματικού αριθμού από μία οθόνη LCD. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα ICL7126περιέχει εσωτερικά μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό συγκριτή, εσωτερικό χρονιστή, αποκωδικοποιητή και οδηγεί απευθείας μία οθόνη υγρών κρυστάλλων. Έχει πολύ χαμηλή κατανάλωση, μόλις 1.5 ma, και μπορεί να λειτουργήσει για πολλές ώρες με μία κοινή μπαταρία 9 V. 2.3. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Τάση λειτουργίας: 9V DC Ρεύμα λειτουργίας: 1.5 ma Περιοχή Μετρήσεων: -25 εώς + 150 Ακρίβεια Μετρήσεως: -+ 0.1 2.4. Χρήσεις Μέτρηση θερμοκρασίας χώρου Μέτρηση θερμοκρασίας σωμάτων ή υγρών Έλεγχος λειτουργίας μηχανών από υπερθέρμανση 2.5. Πλεονεκτήματα Δυνατότητες Μικρό μέγεθος Εύκολη και απλή κατασκευή Ευανάγνωστη οθόνη από αρκετή απόσταση Αξιοπιστία και ακρίβεια λόγω του ολοκληρωμένου κυκλώματος Λίγα εξωτερικά εξαρτήματα Χαμηλό κόστος Μεγάλη διάρκεια μπαταρίας Απλό αισθητήριο Transistor 30

Εύκολη ρύθμιση ορίων με τρίμμερ 2.6. Λειτουργία ολοκληρωμένου Για να καταλάβει κάποιος την λειτουργία του ψηφιακού θερμόμετρου είναι απαραίτητο πρώτα να γνωρίζει λίγα στοιχειώδη πράγματα γύρω από τους μετατροπείς σημάτων. Εδώ θα ασχοληθούμε με τον μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC) που έχει τα παρακάτω πλεονεκτήματα. - Εσωτερική ακρίβεια - Δεν χρειάζεται δυσεύρετα υλικά ακριβείας - Εξαιρετική αδιαφορία στον θόρυβο - Δεν χρειάζεται κύκλωμα δειγματοληψίας και συγκράτησης - Χαμηλό κόστος Ένας αναλογικός σε ψηφιακό μετατροπέας (για συντομία εδώ και στο εξής θα αναφέρεται σαν ADC) είναι γνωστός σαν μετατροπέας ολοκλήρωσης ή διπλής κλίσης. Αυτός δουλεύει με τον εξής τρόπο. Χονδρικά ο κύκλος μετατροπής χωρίζεται σε δύο φάσεις/ Στην πρώτη φάση σε ένα ορισμένο διάστημα δίνονται τα αποτελέσματα της ολοκλήρωσης της τάσης εισόδου. Στο τέλος αυτής της χρονικής περιόδου ο ολοκληρωτής τροφοδοτείται με μία εσωτερική τάση αναφοράς ώστε να αρχίζει να μειώνεται η τάση εξόδου. Η ολοκλήρωση συνεχίζεται μέχρι η τάση εξόδου του ολοκληρωτή να πέσει στη στάθμη αναφοράς μηδενισμού. Αυτή η φάση είναι γνωστή σαν περίοδος αρνητικής κλίσης ή μηδενισμού και είναι η δεύτερη φάση της μετατροπής. Η πρώτη φάση είναι σταθερή για κάθε χρόνο μετατροπής ενώ η δεύτερη φάση εξαρτάται από την πρώτη. Αν μετρηθούν οι δύο περίοδοι και γνωρίζοντας την τάση αναφοράς βρίσκεται εύκολα η αναλογική τάση εισόδου, που είναι και η ζητούμενη προς μέτρηση τάση. Αυτή την εργασία την πραγματοποιεί το ολοκληρωμένο κύκλωμα με την βοήθεια λίγων εξωτερικών εξαρτημάτων την χρησιμότητα των οποίων θα γνωρίσουμε στην λειτουργία του κυκλώματος. 31

2.7. Λειτουργία θερμομέτρου Το ολοκληρωμένο κύκλωμα για να λειτουργήσει σαν θερμόμετρο χρειάζεται τα ίδια ακριβώς εξαρτήματα που θα ήθελε αν λειτουργούσε σαν απλό βολτόμετρο με την διαφορά ότι στην είσοδο αντί για τάση θα εφαρμοστεί ένα τρανζίστορ ευαίσθητο στην θερμοκρασία συνομολογημένο σαν κοινή δίοδος για το λόγο ότι οι επαφές τρανζίστορ είναι πολύ πιο αξιόπιστες και ακριβείς από τις κοινές διόδους. Η αντίσταση R7 μαζί με τον πυκνωτή C5 αποτελούν τα στοιχεία ταλάντωσης και καθορίζουν την συχνότητα του εσωτερικού ταλαντωτή. Με τις τιμές αυτές επιτυγχάνεται ταλάντωση περίπου 40 ΚΗΖ ικανή να παρέχει μέχρι και 3 μετρήσεις το δευτερόλεπτο. Ο πυκνωτής C4 είναι πυκνωτής τάσης αναφοράς και για ικανοποιητικές ενδείξεις δεν πρέπει να αποκλίνει από την τιμή αυτή γιατί θα υπάρχουν σφάλματα κατά την μέτρηση και για τον απλούστατο λόγο ότι ο πυκνωτής αυτός φορτίζει σε μια σταθερή τάση που χρησιμοποιείται από το ολοκληρωμένο σαν εσωτερική τάση αναφοράς. Οι τάσεις αναφοράς ορίζονται από τις αντιστάσεις R4, R5 και τα ποτενσιόμετρα Ρ1 και Ρ2 που επίσης ορίζουν τα όρια μέτρησης δηλαδή το μέγιστο και το ελάχιστο της περιοχής μέτρησης. Το σήμα από το θερμοστοιχείο Q1 εφαρμόζεται απ ευθείας στην χαμηλή είσοδο του ολοκληρωμένο (ποδαράκι 30). Ο πυκνωτής C2 είναι ο πυκνωτής αυτομηδενισμού. Η τιμή του έχει εκλεγεί ώστε σ αυτή την κλίμακα μέτρησης να μην έχει σφάλμα γιατί αλλάζοντας την τιμή του μεγαλώνει και η κλίμακα μέτρησης και διαφοροποιούνται τα όρια και ο αυτομηδενισμός του οργάνου είναι δύσκολος. Η αντίσταση R3 μαζί με τον C1 αποτελούν το δικτύωμα ολοκλήρωσης της τάσης εισόδου ενώ παράλληλα εμποδίζουν τη διαίρεση της τάσης εισόδου κάνοντας το όλο σύστημα ταχύτερο και πιο αξιόπιστο μειώνοντας στο ελάχιστο το σφάλμα μέτρησης. Η αντίσταση R6 οδηγεί το σήμα υπέρβασης της κλίμακας που δίνει το ολοκληρωμένο στη βάση του τρανζίστορ ώστε όταν υπάρχει υπέρβαση ορίων της κλίμακας να ανάβει στην οθόνη ο αριθμός 1 πράγμα που σημαίνει ότι είναι έξω από τις δυνατότητες ένδειξης της οθόνης. 32

2.8. Τα Υλικά Αντιστάσεις R1.6.7...100KΩ 1/4W (καφέ, μαύρο,, κίτρινο) άνθρακας 5% Ή (καφέ, μαύρο, μαύρο, πορτοκαλί)metal film R2.22KΩ 1/4W (κόκκινο, κόκκινο, πορτοκαλί) άνθρακας 5% Η (κόκκινο, κόκκινο, μαύρο, κόκκινο) metal film R3.47KΩ 1/4W (κίτρινο, μωβ, πορτοκαλί) άνθρακας 5% Η (κίτρινο, μωβ, μαύρο, κόκκινο) metal film R4.220KΩ 1/4W (κόκκινο, κόκκινο, κίτρινο) άνθρακας 5% Ή (κόκκινο, κόκκινο, μαύρο, κόκκινο) metal film R5.1M Ω 1/4W (καφέ, μαύρο, πράσινο) άνθρακας 5% Ή (καφέ, μαύρο, μαύρο, κίτρινο) metal film Ρυθμιστές κυκλώματος Ρ1,2..100ΚΩ (τρίμμερ) Πυκνωτές C1...220nF C2..330nF C3,4..100nF C5.100pF (polyester) (polyester) (polyester) (κεραμικός) Υπόλοιπα Υλικά Q1.BC338 Q2.BC548 ICL.ICL7126 Display..D051030-RO40 (NPN transistor) (NPN transistor) (ολοκληρωμένο) (οθόνη υγρού κρυστάλλου 3 ½ ψηφίων)\ Διάφορα: κόλληση, καλώδιο, κλιπ μπαταρίας 9V, βάση για την οθόνη, πλακέτα Smart Kit No 1098. 33

2.9. Κατασκευή Πριν την έναρξη της κατασκευής, αρχικά αναγνωρίστηκαν όλα τα εξαρτήματα. εν ανοίχτηκε το προστατευτικό αλουμινόχαρτο του ολοκληρωμένου ICL 7126 προκειμένου να αποφευχθούν τυχόν παρεµβολές μαγνητικών πεδίων και άλλων παρεµβολών. Αρχίζοντας λοιπόν την κατασκευή, κολλήθηκαν µε τέσσερα (4) µικρά κοµµατάκια σύρµατα τα τέσσερα (4) γεφυρώµατα, τα οποία βρίσκονται κάτω από το ολοκληρωμένο. Κατόπιν κολλήθηκε το ολοκληρωμένο προσεχτικά (ένα-ένα ποδαράκι χρησιμοποιώντας µικρό κολλητήρι απαραίτητα γειωµένο και αφού αφέθηκε λίγο να κρυώνει η προηγούμενη κόλληση. Στη συνέχεια κολλήθηκαν οι αντιστάσεις, µετά οι πυκνωτές και το τρίµµερ και τέλος το τρανζίστορ. Αφού στη συνέχεια ελέγχθηκαν προσεκτικά ένα-ένα όλα τα εξαρτήματα και οι κολλήσεις, κολλήθηκαν τα δυο κοµµάτια από τη βάση στη θέση που θα τοποθετηθεί η οθόνη. Με αυτόν τον τρόπο η οθόνη τοποθετείται ψηλότερα και επιτρέπει στο ολοκληρωμένο να αερίζεται κανονικά.τέλος, αφού έγινε ένας τελευταίος προσεκτικός έλεγχος και βεβαιώθηκε ότι όλα είναι εντάξει, κολλήθηκε το µαύρο καλώδιο του κλίπ της µπαταρίας στο σηµείο ένα (1) της πλακέτας και το κόκκινο καλώδιο στο σηµείο δυο (2) και συνδέθηκε στο κλίπ µια πλακέ µπαταρία των 9V. Ο υγρός κρύσταλλος έδειξε τον τριψήφιο αριθµό 18,5 ο οποίος ήταν τυχαίος. 34

2.10. Ρύθμιση Θερμομέτρου Σε ένα µικρό δοχείο τοποθετούνται µερικά παγάκια και µέσα εκεί βυθίζεται το αισθητήριο τρανζίστορ, κατόπιν ρυθµίζεται το Ρ1 µέχρι η οθόνη να σταθεροποιηθεί και να δείχνει 00.0. Αµέσως µετά αποµακρύνεται το αισθητήριο από τα παγάκια. Σε ένα δοχείο ρίχνεται νερό και µόλις αρχίσει να βράζει, βυθίζεται το αισθητήριο και ρυθµίζεται το P2 ώστε να δείξει η οθόνη 100. Το θερµόµετρο είναι έτοιµο, ρυθμισμένο Η ιδανική ρύθμιση µπορεί να γίνει µε ένα άλλο ψηφιακό θερµόµετρο ακριβείας, ώστε να ρυθµιστεί η συγκεκριµένη κατασκευή παράλληλα µε αυτό. Εάν όµως δεν υπάρχει τέτοιο θερµόµετρο, η προηγούµενη µέθοδος είναι απλή και σίγουρη 35

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΣΕ ΒΑΘΜΟΥΣ ΚΕΛΣΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 3.1. Μετρήσεις 1 ο Διάγραμμα: Από πάγο σε νερό που βράζει ανάλογα με το χρόνο Τοποθετήσαμε ένα γυάλινο δοχείο ζέσης πάνω σε ένα καμινέτο. Το νερό που χρησιμοποιήθηκε ήταν νερό απιονισμενο. ΧΡΟΝΟΣ σε Λεπτά ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ σε 0 0 1 8 2 20 3 30 4 50 5 75 6 100 ΠΙΝΑΚΑΣ Ι 120 100 6; 100 80 5; 75 60 40 20 2; 20 3; 30 4; 50 0 1; 8 0; 0 0 1 2 3 4 5 6 7 ΧΡΟΝΟΣ ΣΕ ΛΕΠΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ Ι 36

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΣΕ ΒΑΘΜΟΥΣ ΚΕΛΣΙΟΥ 2 ο Διάγραμμα: Από πάγο σε νερό που βράζει ανάλογα με το χρόνο Τοποθετήσαμε ένα γυάλινο δοχείο ζέσης πάνω σε ένα καμινέτο. Το νερό που χρησιμοποιήθηκε ήταν νερό απιονισμένο. Ξεκινάμε από την σταθερά των 16 βαθμών κελσίου και μετράμε την χρονική απόκριση μεταξύ: α) 80 β) 100 ΧΡΟΝΟΣ σε ΔΕΥΤΕΡΟΛΕΠΤΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ σε 0 16 30 29 60 43 90 57 120 74 130 80 150 91 170 100 ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ 120 100 80 130; 80 120; 74 170; 100 150; 91 60 90; 57 40 60; 43 20 0; 16 30; 29 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 ΧΡΟΝΟΣ ΣΕ ΔΕΥΤΕΡΟΛΕΠΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ II 37

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΣΕ ΒΑΘΜΟΥΣ ΚΕΛΣΙΟΥ 3 ο Διάγραμμα: Τοποθετήσαμε ένα δοχείο με αποσταγμένο νερό σε μια λεκάνη με πάγο θερμοκρασίας -10 Έχοντας ως σταθερές δύο θερμοκρασίες α) 15 β) 30 μετράμε πόση ώρα χρειάζεται η κάθε μία για να φτάσε ιστους 0 Για τους 15 ΧΡΟΝΟΣ σε Λεπτά ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ σε 0 15 1 9 2 3 3 0 ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙΙ 16 14 0; 15 12 10 8 1; 9 6 4 2 0 2; 3 3; 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 ΧΡΟΝΟΣ ΣΕ ΛΕΠΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ III 38