Temperatura este mărimea fizică ce caracterizează starea de încălzire a unui corp, a
unui sistem de corpuri, sau a unui mediu.
Măsurarea temperaturii se
bazează pe:
- contactul termic (contactul care permite schimbul de căldură) dintre sistemul măsurat și un dispozitiv numit termometru;
- faptul, stabilit experimental, că unele mărimi fizice (de exemplu, volumul, rezistența electrică, etc.) variază cu temperatura.
A stabili o corespondență între valoarea măsurată a mărimii fizice ce
caracterizează termometrul și temperatura termometrului, înseamnă a realiza o scară de temperatură.
De-a lungul istoriei omenirii s-au stabilit mai multe scări de temperatură.
Dintre aceste scări, cele mai utilizate sunt:
- Scara Celsius (sau scara centigradă)
Scara Celsius este scara de temperatură cea mai folosită. Celsius a format
această scară pornind de la două stări termice de echilibru ale apei pure:
1) starea de echilibru dintre apa
pură și gheața care se topește sub presiunea atmosferică normală; se consideră în
mod convențional că temperatura acestei stări este 0oC;
2) starea de fierbere a apei pure
la aceeași presiune; se consideră în mod convențional că temperatura
acestei stări este 100oC.
Împărțind acest interval de temperatură în 100 de intervale egale se poate
defini gradul Celsius
- Scara termodinamică absolută (sau scara Kelvin) T [K] = t [oC] + 273,15
- Scara Fahrenheit: 0oC → 32oF; 100oC → 212oF
- Scara Réaumur: 0oC → 0oRe; 100oC → 80oRe
- Scara Rankine: T [oRa] = (t [oC] + 273,15) ꞏ 9/5
Mijloace pentru măsurarea temperaturilor
A. Termometre
Termometrele se clasifică în trei grupe:
- cu lichid;
- manometrice;
- cu rezistență electrică.
Termometrele cu lichid, din sticlă sau cuarț, se bazează pe dilatarea unui lichid termometric. Acest lichid poate fi: mercur (-30…700 oC), toluen (-90…100 oC), alcool etilic (-100…75 oC), eter de petrol (-130…25 oC), pentan (-190…20 oC), etc.
Termometrele cu lichid
au dezavantajul că rezultatul măsurării nu poate fi transmis la distanță. De
asemenea nu pot fi utilizate la măsurarea temperaturilor foarte ridicate.
Termometrele manometrice funcționează pe baza variației cu temperatura
fie a volumului unui lichid, fie a presiunii vaporilor saturați ai unui lichid
sau a unui gaz, care provoacă deformarea elastică a unui tub manometric. Acesta
este de formă spirală sau elicoidală și determină la deformare o deplasare a
unui indicator.
Unele
termometre manometrice sunt prevăzute și cu un mecanism de înregistrare.
Termometrele cu variație de volum sunt umplute cu mercur, xilen, alcool, hexan
sau cu amalgam de taliu, iar cele cu vapori saturați sunt umplute (circa 2/3)
cu lichide ca: clorură de metil, clorură de etil, eter etilic, alcool etilic, apă,
etan, propan, etc., deasupra lichidului fiind numai vapori ai acestuia (aerul
este îndepărtat). Termometrele cu gaz sunt umplute cu azot, bioxid de carbon,
etc. În funcție de lichidul sau gazul utilizat, aceste termometre măsoară
temperaturi cuprinse între -80 și +600oC.
Termometrele cu rezistență funcționează
pe baza proprietății materialelor de a-și modifica rezistența
electrică odată cu variația temperaturii mediului în care sunt menținute.
Pentru
majoritatea conductoarelor, rezistența electrică se mărește odată cu creșterea
temperaturii. Pentru temperaturi nu prea mari, această variație este descrisă
de relația:
Rt = R0 (1 + α t) = U / I
Rt
– rezistența electrică la toC; R0 – rezistența electrică
la 0oC; α – coeficient termic al rezistenței
Se
folosesc în general metale pure cu coeficient α cât mai mare: platină pură
(200…1100 oC), cupru pur (-20…100 oC), nichel pur (-100…200 oC).
Aparatul indicator este, de fapt, un voltmetru sau un ampermetru, etalonat în unități de temperatură pe baza legii variației cu temperatura rezistenței electrice a elementului sensibil.
O
categorie aparte de materiale termosensibile o reprezintă termistorii.
Acestea sunt substanțe semiconductoare (oxizi metalici) la care rezistența
scade cu temperatura. Principiul de măsurare este însă asemănator cu cel al termorezistențelor realizate cu conductoare. O pastilă de termistor, fixată în interiorul sondei de pereții metalici ai acesteia cu ajutorul unui arc, se conectează într-un circuit electric format dintr-o baterie și un miliampermetru etalonat în unități de temperatură, pe baza legii de variație a rezistenței termistorului cu temperatura.
Privind prin ocular și acționând asupra reostatului, se variază tensiunea aplicată becului până când strălucirea filamentului devine egală cu stralucirea corpului privit, după care această temperatură este citită pe scara aparatului.
Aparatul indicator este, de fapt, un voltmetru sau un ampermetru, etalonat în unități de temperatură pe baza legii variației cu temperatura rezistenței electrice a elementului sensibil.
Termometrele cu rezistență
prezintă avantajul posibilității transmiterii la distanță a rezultatelor.
Termocuplurile sunt traductoare
de temperatură a căror funcționare se bazează pe apariția unei tensiuni
termoelectromotoare în circuitul a două conductoare (termoelectrozi) din metale
sau aliaje diferite, sudate la capete, datorită diferenței de temperatură
dintre capătul sudat și capetele libere ale celor două conductoare.
Termocuplul este compus din două fire metalice
diferite sudate, astfel încât să formeze un circuit închis. Sonda propriu-zisă este reprezentată de una
din joncţiuni (joncţiunea de măsura sau joncţiunea caldă) care poate fi pusă
într-o manta protectoare. Ea este plasată în mediul a cărui temperatură vrem să
o măsurăm.
Metalele tipice folosite pentru construcţia
termocuplurilor sunt rodiul, aliajele de nichel şi crom, aliajele de aluminiu
şi nichel sau aliajele de nichel şi cupru. Metalele care se împerechează cu
acestea sunt platina, cuprul şi fierul. Incinta de protecţie în care este
introdusă joncţiunea de măsură trebuie să fie rezistentă din punct de vedere
mecanic şi la mediile corozive.
Termocuplul reprezintă un mijloc de măsurare a temperaturii cu o largă răspândire datorită avantajelor pe care le oferă faţă de alte mijloace de măsurare a temperaturii: are o construcţie simplă, interval mare de măsurare, poate fi conectat la diferite dispozitive
indicatoare, înregistratoare şi de comandă.
B. Pirometre
Inițial,
un pirometru era un instrument de măsurare a temperaturilor înalte, la care
corpurile emiteau lumină, devenind strălucitoare. În prima parte a secolului al
XX-lea era numit pirometru orice instrument care putea măsura temperaturi
înalte, inclusiv instrumentele bazate pe termocupluri. În prezent, prin
pirometre se înțeleg instrumentele de măsurare a temperaturii (chiar destul de
joase) prin metode fără contact, pe baza legilor radiației termice. Radiaţia
reprezintă un fenomen fizic de emitere şi de propagare de unde sau de
corpusculi, implicând astfel un transport de energie.
Cele mai folosite tipuri sunt pirometrele de radiație totală și pirometrele optice cu dispariția filamentului.
Pirometrele de radiație totală pot măsura temperatura corpurilor într-un interval larg: de la –50 °C până la 3000 °C.
Un
pirometru de radiație totală este format dintr-o lunetă sau un telescop care
focalizează radiația pe un termoreceptor care generează un semnal electric pentru un
instrument indicator sau înregistrator. Termoreceptorul este format dintr-o serie de termocupluri
mici de platină-rhodiu-constantan, legate în serie. Prin acțiunea radiației
sursei de căldură a cărei temperatură se măsoară, în acest element termosensibil
se induce o tensiune termoelectromotoare care se aplică aparatului indicator.
Vizionează o simulare a funcționării pirometrului aici: Pirometru de radiație totală
Privind prin ocular și acționând asupra reostatului, se variază tensiunea aplicată becului până când strălucirea filamentului devine egală cu stralucirea corpului privit, după care această temperatură este citită pe scara aparatului.
Temă:
Folosiți un termometru medicinal pentru a va monitoriza temperatura corpului. Notați valorile citite în caiet, precizând data si ora citirii.
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu