ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΙΑ από την Αλεξάνδρα Κούση Η επιστήµη που ασχολείται µε τη µέτρηση θερµοκρασιών. 1
Ιστορία της Θερµοµετρίας 17ος αιώνας: εφευρέτης του πρώτου πρακτικού θερµοµέτρου o Galileo. Jean Rey (1632): Χρήση υγρού σαν θερµική ουσία. Huygens (1665): D. G. Fahrenheit (1714):κλίµακα θερµοκρασίας Anders Celsius (1742):εκατοντάβαθµη κλίµακα θερµοκρασίας 1954 και µετά: Κλίµακα Kelvin. 2
Κλίµακες θερµοκρασιών Η κλίµακα Fahrenheit, εφευρέθηκε από το Γερµανό φυσικό Fahrenheit, ορίζει µια αξία 32 F στο σηµείο ψύξης και 212 F στο σηµείο βρασµού του ύδατος. Η εκατοντάβαθµη ή κλίµακα Κελσίου, εφευρέθηκε από το Σουηδό αστρονόµο Anders Celsius, ορίζει µια αξία 0 C στο σηµείο ψύξης και 100 C στο σηµείο βρασµού του ύδατος. Η απόλυτη ή κλίµακα του Kelvin, εφευρέθηκε από το βρετανό µαθηµατικό και το φυσικό William Thompson, γνωστό ως 1 βαρόνο Kelvin. Σε αυτήν την κλίµακα, απόλυτο µηδέν είναι σε -273.16 C, το οποίο είναι 0 Κ. Μια επιστηµονική κλίµακα θερµοκρασίας βασισµένη στην κλίµακα του Kelvin υιοθετήθηκε το 1933. 3
Σηµείο βρασµού του νερού Θερµοκρασία σώµατος Σηµείο πήξης του νερού Απόλυτο µηδέν Fahrenheit 212 98.6 32-460 Celsius 100 37 0-273.16 Kelvin 373 310 273 0 4
Θερµόµετρα Η κατασκευή ενός χρήσιµου θερµοµέτρου απαιτεί την εκλογή κάποιας ιδιότητας µιας ουσίας η οποία µεταβάλλεται µε τη θερµοκρασία και την εκλογή του σχεδίου του θερµοµέτρου. Θ(Χ)=273,16 K * Χ/Χτ.σ. 5
Είδη θερµοµέτρων Θερµόµετρο αερίου σταθερού όγκου Θερµόµετρο ηλεκτρικής αντιστάσεως Θερµοζεύγος Οπτικό πυρόµετρο Θερµόµετρο υγρών κρυστάλλων Θερµόµετρο ακτινοβολίας Θερµίστορες 6
Θερµόµετρο αερίου σταθερού όγκου Το θερµόµετρο που µετρά τη θερµοκρασία από τις αλλαγές στην πίεση ενός αερίου διατηρώντας σταθερό τον όγκο Αν το αέριο έχει χαµηλή πυκνότητα: T=273.16*P/PΤΣ (Για αέριο σταθερού όγκου) Φέρνουµε το αέριο και το σύστηµα στη θερµική ισορροπία Ρυθµίζουµε τη δεξαµενή για να φέρουµε το µηνίσκο στο σταθερό σηµάδι σταθερού όγκου Μετρούµε την P 7
Θερµόµετρο ηλεκτρικής αντιστάσεως Τα κυκλώµατα µέτρησης αντιστάσεως µπορούν να διαιρεθούν σε δύο τύπους: οι ποτενσιοµετρικοί τύποι στους οποίους στην ισορροπία υπάρχει µηδενικό συνεχές ρεύµα τα κυκλώµατα γεφυρών στα οποία στην ισορροπία ένα αµελητέο εναλλασσόµενο ρεύµα ρέει. Το θερµόµετρο αντίστασης λευκόχρυσου µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την πολύ ακριβή µέτρηση για εύρος από 13.8033 έως 1234.93 Κ. Η βαθµονόµηση του οργάνου περιλαµβάνει τη µέτρηση R(T) στις διάφορες γνωστές θερµοκρασίες καθορισµού και την αντιπροσώπευση των αποτελεσµάτων από έναν εµπειρικό τύπο. Η ακόλουθη τετραγωνική εξίσωση που συχνά χρησιµοποιείται είναι : R(T)=Rο* (1+αT+βT**2) R(T) αντίσταση λευκόχρυσου σε Τ R αντίσταση λευκόχρυσου σε 0οC α,β εµπειρικές σταθερές 8
Θερµοζεύγος Ε(Τ)=CO+C1*T+C2*T**2+ CO, C1, C2 σταθερές, διαφορετικές για κάθε θερµοζεύγος: απαιτείται βαθµονόµηση. Μεγάλο εύρος θερµοκρασιών Τ(π.χ. από -270 έως +1234.9 C για chromel / alumel ) Ακρίβεια +/-0.2 C (λιγότερο ακριβής από το θερµόµετρο αντιστάσεως λευκοχρύσου) 9
10
Οπτικό πυρόµετρο Χρησιµοποιείται για την µέτρηση θερµοκρασιών πάνω από την περιοχή αυτών του θερµοστοιχείου, συνήθως πάνω από 1100 C. Αποτελείται κυρίως από ένα τηλεσκόπιο, µε ένα φίλτρο από κόκκινο γυαλί και ένα έ µικρό ηλεκτρικό λαµπτήρα προσαρµοσµένο στο εσωτερικό του σωλήνα. Ο λαµπτήρας συνδέεται µε µπαταρία ένα αµπερόµετρο και ροοστάτη. Eye lens Field Lens Red Filter Erecting Lens Lamp Range Filter Objective Lens Field Stop Exit Stop Entrance Stop 11
Θερµόµετρο υγρών κρυστάλλων Τα υγρά θερµόµετρα κρυστάλλου απεικονίζουν τις θερµοκρασίες ως χρώµατα. Τα µόρια στο υγρό θερµόµετρο κρυστάλλου αποτελούνται από τη χοληστερόλη, και καλούνται cholesteric υγρά κρύσταλλα. 12
13
Θερµόµετρο ακτινοβολίας Με βάση το νόµο του Planck για ένα µέλαν σώµα: το φάσµα της εκπεµπόµενης ακτινοβολία εξαρτάται από το Τ ιόρθωση για τους πραγµατικούς εκποµπούς (η ικανότητα ακτινοβολίας πρέπει να είναι γνωστή) Ο φωτοηλεκτρικός ανιχνευτής συγκρίνει το φάσµα µε τα πρότυπα Για υψηλές θερµοκρασίες Τ (>1100 C) Μέτρηση έξ αποστάσεως 14
Θερµίστορες Οι θερµίστορες είναι θερµικά ευαίσθητοι αντιστάτες. Είναι συνήθως από χαµηλού κόστους µέταλλα Οι θερµίστορες είναι αντιστάσεις, σε θερµοκρασία 25 C, 2252, 5.000 και 10.000 Ωm Ω Η αντίσταση µιας PTC (θετικός συντελεστής θερµοκρασίας) θερµικής αντίστασης µεταβάλλεται ανάλογα µε τη θερµοκρασία. Λόγω της µεγάλης µεταβολής της αντίστασης µε τη θερµοκρασία µια συσκευή NTC, είναι καταλληλότερη για τη µέτρηση ακριβείας αν και η µεταβολή της αντίστασης είναι µη γραµµική µε τη θερµοκρασία. 15
Μια πηγή τάσης απαιτείται για να παρέχει ένα ρεύµα για να επιτρέψει µια ανάγνωση αντίστασης. Η τάση πρέπει να είναι χαµηλή για να εξασφαλίσει ότι η µόνη θέρµανση είναι αµελητέα. Οι τυποποιηµένες σειρές θερµοκρασίας είναι -55 C σε 150 C αν και µερικές συσκευές έχουν αποδειχθεί για να παραµείνουν µακροπρόθεσµα µέχρι 300 C. Κανένας ειδικός µόλυβδος δεν απαιτείται για να συνδέσει τις θερµικές αντιστάσεις µε τα όργανα, και δεδοµένου ότι η συσκευή λειτουργεί στην πολύ υψηλή υ αντίσταση έναντι στους µολύβδους, µόνο 2 καλώδια είναι απαραίτητα. α. 16
Βιβλιογραφία ZEMANSKY, M. W., Heat and Thermodynamics 7 th ed., McGraw-Hill, New York, 1997 PIPARD, H. B., The elements of Classical Thermodynamics, Cambridge, London 1966 Πηγές από το διαδίκτιο: http://tccc.iesl.forth.gr/education/local/thermodynamics/book/book.html http://www.peaksensors.co.uk/index.html http://www.met.fsu.edu/explores/thermometer.html http://www.exo.net/~pauld/activities/liquidcrystal/liquidcrystal.html#how 17