TEPELNÝ STAV ŽP PRINCÍPY MERANIA TEPLOTY

TEPELNÝ STAV ŽP PRINCÍPY MERANIA TEPLOTY 16. 10. 2012 1

Tepelný stav životného prostredia je jeho dôležitou akosťou. Patrí k energetickým činiteľom, ktoré pôsobia na živé organizmy a u človeka ovplyvňujú výsledný fyzický a psychický stav. Pôsobením slnečnej energie sa uskutočňujú meteorologické zmeny. Vplyvom rozdielnej intenzity pohlteného slnečného sálania vznikajú rozdiely teploty povrchu Zeme na póloch a rovníku a tým aj rozdiely teploty vzduchu. Na zemský povrch dopadá približne 47 % slnečnej en. a zvyšok sa odrazí (34%) alebo je absorbovaný atmosférou (19%). Na povrchu Zeme sú organizmy vystavené radiácii, pozostávajúcej zo slnečného krátkovlného a tepelného dlhovlného žiarenia. Hlavné zdroje tepla na Zemi predstavujú: Slnko - slnečné žiarenie a jeho absorpcia, jadro Zeme s teplotou 3000 C má teplo, uvoľňované rozpadom rádioaktívnych prvkov - geotermálna energia (4000x menej ako zo Slnka), z výroby a spotreby energie vzniká tzv. odpadové teplo.

Výroba elektrickej energie a mechanickej energie je spojená so znečisťovaním ovzdušia tuhými, plynnými exhalátmi a odpadovým teplom. Do atmosféry sa dostáva čoraz väčšie množstvo tepla, pretože takmer všetka vyrobená energia sa v procese spotreby degraduje na teplo, ktoré sa rozptýli v ovzduší. Hovoríme o tepelnej kontaminácii životného prostredia a o nebezpečných tepelných ostrovoch nad veľkými mestskými a priemyselnými aglomeráciami (až o 3 C vyššia teplota ako má okolie). V globálnom meradle však nemožno očakávať významné oteplenie ovzdušia, ide o zmenu miestnej klímy. Teplota vzduchu je ovplyvnená slnečným žiarením a prúdením vzduchu a závisí na: zemepisnej polohe, na nadmorskej výške, ročnej a dennej dobe (v priebehu dňa má kolísanie teploty približne sínusový charakter).

Tepelné znečistenie vôd Negatívne vplyvy na kyslíkovú bilanciu a život vodných tokov sú v dôsledku vypúšťania oteplených chladiacich vôd z jadrových a tepelných elektrárni, hút, priemyselných závodov a pod., Premena tepla na mechanickú prácu prebieha v tepelných strojoch. Účinnosť tejto premeny je vždy menšia ako 100%, preto značný podiel získanej energie sa mení na nevyužiteľné odpadové teplo. Vzhľadom na to, že takmer všetko odpadové teplo (asi 85%) z jadrových elektrárni sa odvádza chladiacou vodou, negatívne pôsobenie oteplených chladiacich vôd sa výrazne prejavuje najmä v hydrosfére. Voda je životným prostredím mnohých druhov organizmov. Zmeny teploty vody, jej chemického zloženia a prietokovej rýchlosti môžu ovplyvniť mnohé z týchto organizmov. Teplo ovplyvňuje ich biologickú aktivitu, spôsob výživy, rýchlosť reprodukcie. Zvýšená teplota vody má vplyv na fotosyntézu, množstvo výživných látok, eutrofizáciu, rýchlosť rozkladu organických látok, atď. Na ryby a organizmy môžu nepriaznivo pôsobiť aj chemické látky, ktoré sa vypúšťajú do recipientov (havárie, ).

Medzi škodlivé dôsledky vypúšťania ohriatej chladiacej vody patrí predovšetkým znižovanie koncentrácie rozpustného molekulového kyslíka vo vode, čím sa porušuje prirodzená rovnováha ekologických systémov vodných nádrží a riek. Intenzívny rozvoj nežiaducich mikroorganizmov a rias môže vyvolať choroby rýb, podporiť eutrofizáciu vody, ktorá ešte viac zhoršuje kyslíkovú bilanciu v toku. V konečnom dôsledku sa tým významne obmedzuje využiteľnosť vodného zdroja napr. na získavanie pitnej vody.

Teplo a teplota Teplo je energia pohybujúcich sa molekúl. Molekulám možno energiu dodávať ľubovolným spôsobom, čo sa prejaví troma formami: kinetickou pohyb v priamom smere, rotačnou pohyb rotáciou, vibračnou rozkmitaním a deformovaním molekúl. Termodynamická teplota je jednou zo stavových veličín a určuje sa podľa zákonov termodynamiky. V podstate je mierou strednej kinetickej energie molekúl [K]. Čím vyššia je teplota, tým rýchlejší je pohyb molekúl.

Šírenie a prenos tepla z miest s vyššou teplotou na miesta s nižšou teplotou sa uskutočňuje: vedením (kondukcia), prúdením (konvekcia) v kvapalinách a plynoch, sálaním (radiácia) alebo tepelným vyžarovaním. Niektoré teleso je teplé a iné studené a preto tieto tepelné stavy popisujeme veličinou, ktorú nazývame teplota telesa. Teplota topiaceho ľadu pri normálnom tlaku sa označuje jako 0 C, vriaca voda pri normálnom tlaku má teplotu 100 C. Rozpätie je rozdelené na 100 dielov, čo je Celziova stupnica. Vo svete sa používa aj Fahrenheitova stupnica. Teplota mrznutia vody je označená ako 32 F a teplota varu ako 212 F. V Kelvinovej stupnici sa teplota meria od absolútnej nuly 273,16 C = 0 K Zisťovanie teploty podľa našich pocitov je nepresné. Na objektívne meranie teploty používame teplomery.

Porovnanie Celziovej a Kelvinovej stupnice teploty

Fahrenheit vs. Celsius 0 o F = -32 o C 100 o F = -37,77 o C

SNÍMAČE A MERACIE ČLENY TEPLOTNÝCH VELIČÍN Základné pojmy Teplota stavová veličina prírodných a technických systémov termodyn. stav. veličina, účinnosť vratného termodynamického (Carnotovho) cyklu, nezávislosť od použitej teplomernej látky Inteligentné senzorové systémy Teplotné stupnice Termodynamická (absolútna) teplotná stupnica, základná jednotka kelvin [K], 273,16-tá časť termodynamickej teploty trojného bodu vody, stupeň Celsia [ C]) 16. 10. 2012 10

Inteligentné senzorové systémy 16. 10. 2012 11

Meranie teploty a druhy teplomerov Zmenou teploty látok dochádza k zmene ich fyzikálnych vlastností mení sa: skupenstvo (tuhé, kvapalné, plynné), ich dĺžka, alebo objem, magnetické a iné vlastnosti, alebo vzniká pri styku dvoch látok termoelektrické napätie.

PRINCÍPY MERANIA TEPLOTY 16. 10. 2012 13

Rozdelenie snímačov Dotykové elektrické (odporové - kovové, polovod., termoelektrické) dilatačné (bimetalové, tlakové, sklenené) špeciálne Inteligentné (akustické, senzorové šumové, tekuté systémy kryštály, teplomerné farby) Bezdotykové pyrometre (napr. jasové, radiačné, fotoelektrické) termovízia infrafotografia 16. 10. 2012 14

Neelektrické Kvapalinové - Vynálezca - Fahrenheit Ortuť a lieh majú vysokú teplotnú rozťažnosť Ortuť mrzne pri -38.83 C, iba pre vyššie teploty Ortuť je jedovatá, ortuť zo všetkých rozbitých teplomerov na svete by vytvorila potôčik Používala sa v lekárskych teplomeroch a v meteorologických teplomeroch, ale je na ústupe

Dilatačné (mechanické) teplomery Dilatačné teplomery využívajú rozťažnosť látok vo všetkých skupenstvách. Meranie teploty sa odvádza z merania objemu, dĺžky, tlaku atď. Na meranie sa používajú v teplomeroch také látky, u ktorých je zmena objemu (dĺžky, tlaku atď.) so zmenou teploty pravidelná t.j. má jednoduché analytické vyjadrenie. Kvapalinové teplomery Kvapalinové teplomery sú najčastejšie ortuťové alebo liehové. Závislosť objemu na teplote je lineárna. Ortuť je nepriehľadná, rýchle reaguje na zmenu teploty a ľahko sa odčíta v kapilárach. Teplomery založené na rozťažnosti látok (dvojkovové) - bimetálové Využívajú dĺžkovú rozťažnosť (tyčové). Teplomerným elementom je tyč v trubici, Vyrábajú sa z rôznych materiálov zvolených tak, aby rozdiel súčiniteľov rozťažnosti bol čím väčší. Výchylka volného konca z bimetalu (dvojkovu) pri zmene to na t je: k merný zdvih [mm/k], l dĺžka pásu [mm], s hrúbka pásu [mm].

Neelektrické Bimetalický teplomer Dva kovy s rôznou rozťažnosťou Špirála kvôli vyššej citlivosti alebo mechanický prevod

Polovodičové teplomery Hocijaký kov (napr. meď), ale obľúbená je platina (napr. nekoroduje pri vyšších teplotách) Pre polovodičové teplomery platí, že ak stúpa teplota, tak odpor klesá, u kovových vodičoch so stúpaním teploty spolu stúpa aj odpor. R = R 0 [1 + α (t t 0 )] kde: R 0 odpor pri teplote t 0 = 0 C, R odpor pri teplote t, α teplotný súčiniteľ odporu, α > 0 pre vodiče, α < 0 pre polovodiče.

Termistory Rezistory na báze materiálov, ktoré menia odpor s teplotou (napr. polovodiče) PTC odpor s teplotou rastie NTC odpor s teplotou klesá

Termočlánky Kontaktný potenciál pri spojení dvoch kovov t.j. v obvode s dvoma rôznymi materiálmi, na oboch koncoch vodivo spojenými vzniká elektromotorické napätie, približne úmerné rozdielu teplôt medzi týmito koncami- meranie teploty zakladá na použití Seebecovho javu, Za normálnych okolností je výsledné napätie nulové Rozdielne teploty spojov napätie meď konštantán(zliatina 45% Ni a 55% Cu...), železo konštantán, platina-ródium,...

Diódové teplomery Priepustné napätie polovodičovej elektrónky - diódy závisí od teploty Veľmi obľúbené, až do teplôt tekutého hélia Jednoduché meranie meria sa napätie cca 0,5-1V (kremík) Vysoká citlivosť cca 2mV/K

Termoelektrické články Termočlánky - Seebeckov alebo termoelektrický jav (prevod tepelnej energie na elektrickú, ale aj opačne) Princíp termoelektrického článku 1 Inteligentné senzorové systémy 1 1 1 1 1 Spôsoby vytvárania spojov termočlánkov 3 A B 4 2 2 2 2 2 2 16. 10. 2012 32

Vyhodnocovacie obvody termočlánkov Hlavné požiadavky minimalizácia vplyvu kolísania zrovnávacích teplôt, tj. konštantná teplota zrovnávacieho spoja minimalizácia vplyvu odporu prívodných vedení potlačenie rušivých signálov (napr. kompenzácia parazitných termoelektrických napätí) Inteligentné senzorové systémy merací spoj + zrovnávacie spoje M vetvy - Z U termoelektrický článok predlžovacie (kompenzačné vedenie) spojovacie vedenie 16. 10. 2012 33

Bezdotykové teplomery Radiačné pyrometre V prípade radiačného pyrometra sa žiarenie sústreďuje na teplotne citlivý snímač, ktorý sa zohrieva vplyvom žiarenia (obr.). Snímačom teploty v radiačnom pyrometre môže byť akékoľvek zariadenie. Ak sa používa odporový snímač teploty, napríklad platinový snímač alebo termistor, zariadenie sa nazýva bolometer. Keď sa teplota meria pomocou termoelektrického snímača (jednoduchý termočlánok, viacnásobný termočlánok alebo pyroelektrický snímač), zariadenie sa nazýva pyrometer.

Radiačný pyrometer

Optický pyrometer Optický pyrometer obsahuje vlákno, ktoré sa dá elektronicky nahriať na známu teplotu. V prípade optického pyrometra na obr. vidno vlákno žiarovky na pozadí meraného objektu. Teplota vlákna sa nastavuje dovtedy, kým sa nezdá, že vlákno zmizlo (má takú istú farbu ako pozadie). Takže v tomto okamihu má vlákno takú istú teplotu ako je teplota meraného objektu. Podobný prístup znázorňuje další obr. kde má žiarovka pevnú teplotu (intenzitu). V tomto prípade sa intenzita dopadajúceho žiarenia vyrovnáva s intenzitou žiarenia žiarovky pomocou otočného klina s premenlivou hrúbkou. Poloha klina pri rovnakej intenzite predstavuje mieru teploty vyžarujúceho telesa.

Optický pyrometer s premenlivou svietivosťou žiarovky - obsahuje vlákno, ktoré sa dá elektronicky nahriať na známu teplotu. V prípade optického pyrometra vidno vlákno žiarovky na pozadí meraného objektu. Teplota vlákna sa nastavuje dovtedy, kým sa nezdá, že vlákno zmizlo (má takú istú farbu ako pozadie). Vlákno má takú istú teplotu ako je teplota meraného objektu.

Spektrálny pyrometer, kde má žiarovka pevnú teplotu (intenzitu) a intenzita dopadajúceho žiarenia sa vyrovnáva s intenzitou žiarenia žiarovky pomocou otočného klina s premenlivou hrúbkou. Poloha klina pri rovnakej intenzite predstavuje mieru teploty vyžarujúceho telesa.

Infračervený teplomer Žiarenie absolútne čierneho telesa Bežné teploty maximum vyžarovania v IR oblasti, vyžiarený výkon je úmerný T Žiarenie z meraného objektu sa sústredí na miniatúrny teplomer (napr. čierne nafarbený termistor), jeho teplota stúpne Zmeria sa zmena teploty a z nej sa dopočíta teplota

Termokamera

Termokamery Chladené podobný princíp ako vo fotoaparátoch dopadnuté fotóny vyvolajú vznik elektrických nábojov Chladenie aby vlastná teplota nevytvárala náboje Drahé (tekuté hélium, tekutý dusík) Nechladené Meria sa ohriatie mikrodetektorov IR žiarením lacnejšie

Špeciálne teplomery s elektrickým výstupom Iónový teplomer Kryštálový teplomer Šumový teplomer Ultrazvukový teplomer Teplomer využívajúci kvadrupólovú nukleárnu rezonanciu Indikačné teplomery - Na orientačné indikovanie teploty sa používajú rôzne keramické telieska, teplomerné farby, ceruzky, laky, tabletky, kriedy a nálepky.

Termosenzor v nanotechnológii Výhody miniaturizácie: Integrovaná technológia - lacnejšie Lepšia citlivosť ohrieva sa veľmi malý objekt