CALDURA - Definitia caldurii. Temperatura si Producerea si masurarea caldurii

CALDURA

Notiuni fundamentale

1. Definitia caldurii. Temperatura

Focul, una din cele mai vechi descoperiri ale omului, elementul care a insotit necontenit progresul umanitatii, devine deseori un factor de distrugere, aducator de nenorociri. Pentr a putea preveni si combate cu succes dezlantuirea fortelor potrivnice, este necesar sa fie cunoscute o serie de notiuni si manifestari, caracteristice proceselor termice.

Spre deosebire de alte domenii ale fizicii care sunt mai putin accesibile, fenomenele legate de caldura sunt usor sesizabile, ele constituind o prezenta cotidiana in viata omului. Chiar daca nu se intuieste cu exactitate sensul lor fizic, notiunile de caldura, temperatura, fierbere etc. intra in vocabularul uzual, fiind folosite destul de corect de majoritatea oamenilor.

Se impune insa o sistematizare a cunostintelor deja existente si, in acelasi timp, completarea acestora cu altele noi pentru a facilita intelegerea fenomenelor fizice care insotesc incendiul.

Caldura este o forma de energie, o manifestare a starii de agitatie mecanica a moleculelor si atomilor unui corp.

In mod absolut nu putem sesiza cu simturile noastre existenta cantitativa a acestei forme de energie, dar ne putem da seama de efectul ei in mod relativ, prin variatia temperaturii unui corp.

Notiunile "cald" si "rece" ne sunt familiare si, prin urmare, se poate construi un sistem logic de cunostinte pornind de la anumite elemente concrete legate de aceste notiuni.

Studiul caldurii si al transformarilor sale a inceput printr-o observatie atenta asupra naturii. Astfel, oamenii au putut constata ca topirea unei bucati de gheata se produce intotdeauna la o aceeasi stare termica, adia este tot atat de cald sau tot atat de rece ori de cate ori se topesc gheturile. Acceasi observatie este valabila si la fierberea apei.

Pentru a putea caracteriza gradul de incalzire a unui corp a fost necesar sa se adopte o notiune noua, aceea de temperatura a fost necesar sa se adopte o notiune noua, aceea de temperatura.

Intrucat cele doua strazi ale apei, mentionate mai sus - rece ca gheata si in stare de fierbere - apar intotdeauan in aceleasi conditii de temperatura, ele au fost alese drept etaloane pentru gradul de incalzire. Intervalul intre temperatura la care se topeste gheata si cea la care fierbe apa, a fost divizat in mod conventional, in 100 de parti. O asemenea fractiune de temperatura a primit denumirea de grad Celsius. Modul cum a fost stabilita practic aceasta unitate de masura va fi expus detaliat mai tarziu.

Retinem deocamdata ca:

- temperatura este marimea fizica ce caracterizeaza gradul de incalzire al unui corp si,

- gradul Celsius (sC) este o unitate de masura a temperaturii, aleasa in mod conventional; el reprezinta 1/100 din intervalul de temperatura situat intre punctul de topire al ghetii (considerat 0sC) si punctul de fierbere al apei (considerat 100sC).

2. Producerea si masurarea caldurii

Pentru activitatea de prevenire si stingere a incendiilor este foarte important sa fie cunoscute principalele moduri de producere a caldurii si, in special, conditiile de acumulare a energiei termice, factorul de baza in crearea unui focar de incendiu.

Distingem mai multe categorii de fenomene care pot favoriza aparitia unei concentrari de energie termica:

- Reactiile termice exoterme, avand ca exponent principal reactiile de ardere (de oxidare), constituie cea mai frecventa cale de producere a caldurii si implicit cea mai raspandita cauza de incendiu. Putem diferentia reactii exotermice lente in care acumularea de caldura se produce intr-un timp mai indelungat sau reactii violente cu puternica degajare de caldura si lumina intr-un interval foarte scurt.

- Trecerea curentului electric prin rezistente este insotita de aparitia unei anumite cantitati de caldura a carei valoare depinde de caracteristicile circuitului si ale curentului. Efectul caloric al curentului electric este tratat in mod detaliat in partea a II - a.

- Transformarea lucrului mecanic prin frecare este insotita de asemenea de degajarea unei cantitati de caldura direct proportionala cu forta de frecare, cu timpul si cu viteza relativa a suprafetelor de contact. Acest fenomen se afla la originea a numeroase incendii izbucnite la transmisiile cu curele, la lagare de alunecare sau la diverse instalatii unde se freaca piese din materiale combustibile.

Racirea unui corp cald, care se face prin cedare de caldura, poate duce la cresterea unui focar de incendiu in vecinatate, in masa unor materiale a caror temperatura de aprindere este inferioara temperaturii corpului care se raceste. Spre exemplu, o piesa scoasa de la forja, avand temperatura de cateva sute de grade, poate provoca aprinderea unui material combustibil peste care piesa ar fi aruncata.

Radiatia solara, consecinta a unor puternice reactii termonucleare, constituie cea mai importanta sursa de caldura, la scara sistemului solar. In anumite conditii radiatia solara poate determina aparitia unui incendiu.

O serie de alte fenomene fizice, cum ar fi condensarea si solidificarea, sunt insotite de eliberarea unei cantitati importante de caldura, dar acestea nu prezinta importanta din punctul de vedere al protectiei contra incendiilor.

Pericolul de incendiu apare atunci cand exista o puternica degajare de caldura, intr-un timp scurt si intr-un volum restrans, fapt care nu permite raspandirea ei in spatiul inconjurator, favorizand crearea unor puncte calde, cu potential termic ridicat, care pot provoca aprinderea substantelor.

Pentru a putea compara cantitatile de caldura produse in cursul diverselor transformari fizico-chimice este necesar sa se stabileasca o unitate pentru masurarea caldurii.

Cantitatea de caldura, fiind o marime care masoara variatia energiei interne a unui corp, se va masura cu aceleasi unitati ca si energia, adica in joule (in sistemul international - S.I.).

Trebuie mentionat ca folosirea unitatilor de energie mecanica la masurarea caldurii a fost introdusa relativ recent. Pana acum cativa ani, cantitatea de caldura se exprima in calorii, respectiv kilocalorii.

Prin definitie, caloria este cantitatea de caldura necesara unui gram de apa distilata pentru a-si ridica temperatura cu un grad Celsius, de la 19,5 la 20,5sC, la presiunea normala.

Mentionam ca aceasta unitate nu face parte integranta din sistemul de unitati international, ea fiind o unitate tolerata.

Intre unitatatea tolerata pentru masurarea caldurii (caloria - cal.) si unitatea de energie mecanica (joule - J) exista urmatoarea relatie de echivalenta:

1 cal = 4,1855 J.

In practica mai pot fi intalnite si unitati multiplu ale caloriei: kilocaloria (kcal), megacaloria (Mcal), gigacaloria (Gcal) si teracaloria (Tcal).

1 kcal = 1000 cal.

1 Mcal = 10⁶ cal.

1 Gcal = 10⁹ cal.

1 Tcal = 10¹² cal.

3. Caldura specifica a corpurilor

Experimental s-a constat ca pentru a ridica cu acelasi numar de grade temperatura unor mase egale de corpuri diferite, sunt necesare cantitati diferite de caldura, adica unele corpuri se incalzesc mai usor, altele mai greu.

Daca vom ceda aceeasi cantitate de caldura unui cub de otel si unuia de aluminiu, avand acceasi masa, se observa ca, dupa un anumit interval, temperatura aluminiului este mai ridicata decat cea a otelului.

S-a stabilit ca fiecare corp poseda o constanta fizica ce caracterizeaza comportarea sa atunci cand primeste sau cedeaza caldura. Aceasta constanta a primit denumirea de caldura specifica si reprezinta cantitatea de caldura necesara pentru a ridica cu 1sC temperatura unei unitati de masa (in cazul corpurilor solide sau lichide) ori de volum (in cazul gazelor).

Caldura specifica se noteaza cu simbolul "c". Numarul care exprima valoarea caldurii specifice variaza in functie de unitatile alese pentru masa si cantitatea de caldura. In sistemul international (SI) unitatea de masa este kilogramul, iar unitatea de caldura este joule; caldura specifica va avea deci ca unitate de masura joule/kilogram.grad (J/kg.grd).

Daca se exprima cantitatea de caldura in calorii si masa in grame, caldura specifica va avea ca unitate de masura caloria/gram.grad [cal/g.grd.].

Caloria/gram.grad este caldura specifica a corpului a carui temperatura creste cu un grad cand primeste o cantitate de caldura egala cu calorie pentru fiecare gram.

Conform definitiei caloriei, data anterior, rezulta caldura specifica a apei c_apa = 1 cal./g.grd, sau c_apa = 4185,5 J/kg.grd.

Se observa ca pentru operativitatea calculului, in practica este mai usor sa se utilizeze caloria ca unitate a cantitatii de caldura, desi aceasta este o unitate toleranta.

In tabela 1 sunt date valorile caldurii specifice ale catorva substante solide, lichide si gazoase.

Caldura specifica a unui corp depinde de starea sa de agregare. Astfel un corp aflat in stare lichida (topit) are o caldura specifica mai mare decat in stare solida.

Exemplu:

c_gheata = 0,5 cal/g.grd; c_apa = 1 cal/g.grd.

Caldura specifica este in general variabila cu temperatura, in sensul ca pentru incalzirea unitatii de masa cu 1sC la temperaturi scazute, de exemplu intre 5 si 6sC, este necesara o alta cantitate de caldura decat pentru o incalzire de temperaturi mai ridicate, de exemplu intre 80 si 81sC. Practic diferenta este foarte mica, astfel ca pentru calculele tehnice se poate aproxima o valoare constanta a caldurii specifice pentru intervale destul de mari de temperatura.

Tabela 1

Calduri specifice

4. Puterea calorifica

Dupa cum s-a aratat anterior, una din principalele cai de obtinere a caldurii o constituie reactiile chimice exotermice, mai exact reactiile de ardere. Este cunoscut faptul ca orice corp combustibil poate fi aprins si continua sa arda intr-o atmosfera ce contine oxigen, degajand caldura si radiatii luminoase.

Reactia de combinare a unui corp inflamabil cu oxigenul este numita reactia de oxidare sau combustie.

Amanuntele de ordin chimic ale acestui proces nu reprezinta interes pentru moment. Din punct de vedere fizic se deosebesc doua situatii distincte:

- atunci cand exista oxigen suficient pentru ca tot combustibilul sa arda, deci sa se asigure o combustie completa si

- atunci cand arderea se face cu deficit de oxigen, cu degajare de funingine si flacari de culoare inchisa, adica are loc o combustie incompleta.

Ulterior se va reveni asupra arderii precizand o serie de detalii de natura chimica, necesare intelegerii acestui fenomen.

Din punct de vedere termic atrage atentia faptul ca, prin ardere, corpurile degaja cantitati diferite de caldura. Este cunoscut ca la arderea unui kilogram de carbuni se obtine o cantitate mai mare de caldura decat la arderea unui kilogram de lemne. Experientele au demonstrat ca orice combustibil degaja o cantitate determinata de caldura, dependenta numai de natura sa (carbune, lemn, benzina etc.), cu alte cuvinte combustibilii sunt caracterizati prin puterea lor calorifica.

Puterea calorifica a unui combustibil reprezinta cantitatea de caldura produse prin arderea completa a unui kilogram de combustibil solid sau lichid sau prin arderea unui metru cub de gaz, masurat in conditii normale.

Puterea calorifica se noteaza cu simbolul H si are ca unitate de masura kilocaloria/kilogram [kcal/kg].

Puterea calorifica poate fi determinata experimental cu ajutorul unor metode calorimetrice sau poate fi calculata tinand seama de compozitia chimica a combustibilului.

Pot fi intalnite doua notiuni: putere calorifica superioara si putere calorifica inferioara.

Puterea calorifica superioara (H_sup) reprezinta caldura degajata in conditii cand produsele de ardere se gasesc la o temperatura mai mica de 100sC, deci cand apa din gazele de ardere este in stare lichida.

Puterea calorifica inferioara sau efectiva (H_inf) reprezinta puterea calorifica din care s-a scazut cantitatea de caldura necesara pentru vaporizarea apei, adica in conditii cand produsele de ardere se gasesc la o temperatura mai mare de 100sC.

Se poate deduce ca un material combustibil degaja o cantitate mai mare de caldura mai redusa de apa.

In tabela 2 sunt indicate puterile calorifice ale unor combustibili larg utilizati.

Tabela 2

Puterea calorifica medie a unor substante combustibile

* In functie de esenta lemnului

5. Sarcina de incendiu

Puterea calorifica a materialelor combustibile prezinta o importanta deosebita pentru aprecierea pericolului de incendiu intr-un obiectiv.

Se poate face urmatorul rationament: daca fiecare kilogram dintr-un material combustibil dezvolta o cantitate de caldura H kcal, intr-o incapere unde se afla m kg de combustibil care arde se va degaja o cantitate de caldura:

Q = m ∙ H [kcal]

In realitate intr-o incapere de locuit sau spatiu de productie nu se afla un singur fel de material combustibil ci mai multe (mobila, covoare, perdele, carti, lichide combustibile etc.).

Cantitatea de caldura ce poate fi dezvoltata prin arderea tuturor materialelor combustibile din spatiul respectiv este egala cu suma cantitatilor de caldura dezvoltate de fiecare combustibil in parte adica:

Q_total = Q_lemn + Q_teztile + Q_hartie + .

sau, folosind formula Q = m ∙ H [kcal] se poate scrie:

Q_total = m_lemn ∙ H_lemn + m_textile ∙ H_textile + m_hartie ∙ H_hartie +

Aceasta suma poate fi exprimata sub forma:

Q_total = ∑ m_i ∙ H_i [kcal]

unde m_i este masa unui material combustibil si H_i - puterea calorifica a materialului respectiv.

Din punctul de vedere al protectiei contra incendiilor si al operatiunilor de stingere este important de stiut daca aceasta cantitate totala de caldura este concentrata intr-un spatiu restrans, dand nastere unei temperaturi ridicate, sau daca se disperseaza intr-o mare hala industriala fara a provoca pagube insemnate.

Pentru a rezolva problema este suficient sa se raporteze cantitatea de caldura dezvoltata la suprafata obiectivului respectiv. Obtinem astfel o marime care reprezinta cantitatea de de caldura pe metru patrat, un factor care nu mai este dependent de dimensiunile obiectivului ci caracterizeaza sintetic potentialul termic al tuturor materialelor combustibile, considerate a fi uniform repartizate pe suprafata incaperii.

q = Q_total = ∑ m_iH_i      [kcal ]

S S m

Aceasta marime a primit denumirea de sarcina de incendiu sau incarcare termica.

In practica, pentru usurinta aprecierilor comparative, se calculeaza "echivalentul in lemn" al sarcinii de incendiu, adica o cantitate de lemn, avand puterea calorifica H = 4000 kcal/kg, care prin ardere ar degaja acelasi numar de calorii ca si materialele combustibile existente. Spre exemplu, un kilogram de benzina cu puterea calorifica de 10.000 kcal/kg este echivalent cu 2,5 kg lemn.

Se poate scrie deci echivalentul - lemn al sarcinii de incendiu:

M_lemn = _m_i ∙ H_{i__}      [kg_lemn]

S ∙ H_lemn m

Utilizand acest indice (M_lemn), sarcinile de incendii din diferite spatii sau obiective vor fi exprimate in kg.lemn/m², existand posibilitatea unor aprecieri comparative foarte lesnicioase.

Se poate deosebi o sarcina de incendiu mobila si una imobila. Sarcina de incendiu sau incarcarea termica imobila este constituita din suma tuturor partilor constructive combustibile precum si a instalatiilor precum si a instalatiilor fixe aferente cladirii. Ea este dependenta de tipul constructiei putand varia de la 10 kg_lemn/m pentru cladirile masive, pana la 80 kg_lemn/m pentru constructiile din material lemnos. Sarcina de incendiu este imobila, la cladirile masive, este compusa din tamplarie, podele, compartimentari combustibile etc. Folosirea unor materiale necombustibile (aluminiu, sticla s.a.) la constructiile moderne permite reducerea incarcarii termice imobile. In sens contrar actioneaza utilizarea pe scara larga a maselor plastice in constructii, in special ca elemente de finisare.

Sarcina de incendiu mobila, reprezentand suma tuturor materialelor combustibile introduse intr-o incapere, fara a face parte constitutiva din aceasta, variaza in limite foarte largi, in functie de destinatia incaperii si a cladirii respective. In tabela 3 sunt date unele valori orientative, stabilite pe baze statistice, asupra sarcinii de incendiu, medie si maxima, in diverse obiective.

Tabela 3

Sarcini de incendiu in diferite cladiri

Sarcina de incendiu ofera o imagine concreta a pericolului de incendiu intr-un obiectiv. Studiile si experimentarile pe incendii, facute in numeroase tari, au scos in evidenta relatii intre incarcarea termica si durata incendiului, respectiv variatia temperaturii la un incendiu.

6. Termometria (masurarea temperaturilor)

Anterior s-a stabilit ca gradul de incalzire al corpurilor este indicat prin marimea numita temperatura. Experientele au demonstrat ca variatia caldurii unui corp este insotita de modificari, dupa legi bine cunoscute, ale unor caracteristici fizice ale corpului, de exemplu: volumul, culoarea, rezistenta electrica etc.

Alegand o asemenea caracteristica (denumita proprietate termoelectrica), ale carei valori pot fi masurate cu ajutorul unor etaloane bine precizate, se poate stabili o scara de temperatura care sa masoare gradul de incalzire a corpurilor.

Dintre fenomenele termoelectrice, pe baza carora au fost imaginate si realizate instrumente pentru masurarea temperaturii se pot mentiona: dilatia corpurilor; variatia rezistentei electrice; efectul termoelectric; modificarea culorii corpurilor.

Fenomenul fizic cel mai des utilizat in termometrie este dilatatia corpurilor, adica variatia volumului sub actiunea caldurii.

Deoarece este necesar ca termometrul sa prezinte o sensibilitate corespunzatoare, cu alte cuvinte, unor variatii mici de temperatura sa le corespunda variatii mari ale marimii fizice luate drept fenomen termometric, se folosesc substante lichide sau gaze,

Dupa incalzire, corpurile solide nu revin exact la dimesiunile initiale, pastrand o dilatatie remanenta, fenomen care reduce fidelitatea termometrului. Lichidele au sensibilitate si fidelitate corespunzatoare; coeficientii lor de dilatatie sunt de 50 - 100 de ori mai mari decat ai solidelor, iar fenomenul de dilatatie remanenta lipseste.

Gazele au coeficienti de dilatatie si mai mari, fapt care le face utile la construirea unor termometre foarte sensibile si precise, utilizate indeosebi in laboratoare sau la etalonarea altor termometre.

Lichidele cel mai mult utilizate la fabricarea termometrelor sunt mercurul, alcoolul etilic, touenul si xilenul.

Mercurul prezinta o serie de avantaje care-l fac adecvat pentru masurarea temperaturilor intr-un interval destul de larg, de la - 38sC (temperatura sa de inghetare) pana la 357sC (temperatura de fierbere). Sub presiune poate fi folosit la masurarea unor temperaturi pana la 700sC.

Datorita faptului ca este metal, prezinta o inertie termica redusa si in consecinta o sensibilitate sporita. Deoarece mercurul are coeficientul de dilatare constant, in intervalul 0 - 100sC, termometrul cu mercur poate fi gradat cu usurinta (scara echidistanta). Lipsa de aderenta la peretii vasului in care se afla mercurul, face ca sa fie inlaturate eventualele erori provocate de fenomenul de udare.

Pentru temperaturi scazute se poate utiliza ca lichid termometric alcoolul, pana la - 120sC, sau pentanul, pana la - 200sC.

Temperaturile ridicate (400 - 1800sC) se masoara cu ajutorul termometrelor. Acestea constau din doi conductori de metale diferite (nichel-crom, fier-constantan, platina-rhodiu) sudati la cate un capat si avand capetele libere legate de un voltmetru sensibil.

Functionarea termoelementelor se bazeaza pe fenomenul aparitiei unui curent electric de ordinul milivoltilor in circuitul format de cele doua sarme, atunci cand se incalzeste locul sudurii.

Intrucat exista o relatie directa intre variatia de temperatura si curentul din circuit, voltmetrul poate fi gradat direct in unitati de temperatura (sC).

7. Termometre

Fabricarea unui termometru cu lichid este relativ simpla.

Intr-un tub capilar avand la unul din capete un mic rezervor se introduce mercurul sau alt lichid termometric.

Este necesar ca diametrul tubului capilar sa fie constant pe toata lungimea pentru ca unor variatii egale de temperatura sa le corespunda volume egale, respectiv lungimi egale de tub, care inregistreaza dilatatia.

Dupa introducerea mercurului se face vid in tub si se inchide la flacara.

Urmeaza operatiunea de gradare a termometrului care necesita precizarea unor "repere termometrice" sau "puncte fixe", adica a unor numere conventionale atribuite unor fenomene ce se petrec intotdeauna la aceeasi temperatura (exemplu topirea ghetii si vaporizarea apei).

Termometrul metalic. Termometrele de sticla, cu lichid, prezinta dezavantajul unei fragilitati care limiteaza domeniul lor de utilizare. In industrie se folosesc termometre metalice, cu lichid care sunt mai robuste, putand suporta lovituri sau socuri termice. In principiu un asemenea termometru este compus dintr-un rezervor, introdus in spatiul a carei temperatura urmeaza a fi determinata, continuat cu un tub metalic, avand capatul liber curbat si prevazut cu un ac indicator. Rezervorul si tubul sunt umplute cu mercur. Cresterea temperaturii provoaca dilatarea mercurului si deformarea portiunii curbate care tinde sa se indrepte, miscand acul indicator in dreptul unei scale gradate. Deoarece rezervorul si tubul curbat se gasesc in spatii cu temperaturi diferite, precizia termometrului este relativ scazuta, dar suficienta pentru nevoi industriale. Precizia poate fi marita prin adaptarea unui al doilea tub curbat cu actiune diferentiala, identic cu primul dar nu mai patrunde in spatiul cu temperatura ridicata, neavand legatura cu rezervorul. Acest tip de termometru necesita control si verificari periodice.

Pirometrul optic. Termometrele metalice sau de sticla, precum si cele cu rezistenta electrica sau cu termoelemente trebuie puse in contact direct cu locul a carui temperatura trebuie determinata. Uneori acest lucru este imposibil, in special cand se masoara temperaturi ridicate. Pentru asemenea situatii se utilizeaza pirometrele optice al caror principiu de functionare consta in compararea radiatiei luminoase a focarului, a carui temperatura trebuie masurata, cu radiatia luminoasa a unui fir de carbune etalon.

Temperatura firului etalon adus la incandescenta de un curent electric furnizat de sursa, poate fi reglata prin intermediul a doua rezistente electrice montate in luneta aparatului. Variatia controlata a acestor rezistente modifica intensitatea curentului in circuit pana cand radiatia firului etalon este identica cu radiatia sursei calde, astfel ca, privind prin luneta, firul se confunda cu sursa (au aceeasi nuanta de culoare).

Fiecarei intensitati a curentului din circuitul de incalzire a firului etalon ii corespunde un anumit grad de incalzire, adica o anumita temperatura. Valoarea respectiva este citita pe cadranul galvanometrului, gradat direct in grade Celsius.

Practic, pentru a determina temperatura unei surse de radiatie termica, operatorul indreapta obiectivul lentilei asupra sursei si regleaza rezistentele electrice pana cand firul etalon "se pierde" pe fondul sursei, dupa care citeste indicatia galvanometrului. Acest tip de aparat pentru masurarea temperaturii este deosebit de util la furnale, turnatorii, laminoare si in orice alt loc unde temperatura ridicata nu permite apropierea de sursa calda (inclusiv la incendii).

Termograful. In obiectivele industriale moderne exista aparatura a carei functionare trebuie urmarita si inregistrata fara intrerupere. Temperatura la care se desfasoara anumite procese tehnologice constituie un parametru important a carui variatie trebuie cunoscuta cu precizie. Pentru aceasta au fost construite aparate inregistratoare care traseaza curba de variatie a temperaturii, intr-un interval de timp, denumite termografe.

In principiu, termograful este compus dintr-un termometru metalic, un sistem de parghii si un cilindru rotitor cu mecanism de ceasornic. Termometrul metalic de constructie speciala transforma variatia temperaturii in miscari ale acului inregistrator prin intermediul sistemului de parghii.

Acul inregistrator lasa o urma vizibila pe o banda de hartie infasurata in jurul cilindrului rotit cu viteza constanta de mecanismul de ceasornic. Pe banda sunt trasate linii verticale paralele care indica subdiviziuni ale intervalului de timp si linii orizontale care marcheaza valorile temperaturii. Dupa efectuarea unei rotatii complete, banda poate fi scoasa si verificata. Prin utilizarea a doi cilindri, se prelungeste intervalul de timp dupa care trebuie schimbata banda. Termografele sunt utilizate pe scara larga in industria chimica si alimentara, in meteorologie etc.

8. Procedee speciale de masurare a temperaturii

Culori termoscopice. Pentru determinarea rapida a temperaturii la suprafata unui corp sau agregat industrial (cazan, motor, conducta incalzita etc.) se utilizeaza fenomenul de termocromie care se manifesta prin proprietatea pe care o au anumite substante de a-si schimba culoarea sub efectul variatiei temperaturii.

Practic, procedeul de masurare consta in utilizarea unui creion termoscopic cu care se trage o linie pe suprafata a carei temperatura trebuie determinata. Daca obiectul respectiv are temperatura marcata pe creionul folosit, virarea de culoare se face intr-un interval de timp stabilit (de exemplu la doua secunde dupa tragerea liniei). Daca acest interval este mai mare, temperatura obiectului este mai mica decat cea indicata pe creion, si invers, daca virarea de culoare se face mai rapid, temperatura obiectului a depasit pe cea corespunzatoare creionului.

In tabela 4 sunt date principale substante termoscopice utilizate in tehnica.

Tabela 4

Principalele substante termoscopice utilizate in tehnica

Creioanele termoscopice sunt livrate in seturi, avand indicate temperaturile de utilizare si culoarea de virare pentru intervale de temperatura specifice unui anumit domeniu industrial. Astfel, setul Thermocrom 65 200sC se utilizeaza in industria hartiei, cauciucului, chimica si electrotehnica, setul 200 - 400sC in industria alimentara si a sticlei, setul 350 - 670sC in siderurgie s.a.m.d.

Indicatorii termoscopici pot fi utilizati si sub forma de vopsele in industria chimica si electrotehnica, ca mijloc de avertizare in caz de supraincalziri periculoase.

Indicatoarele piroscopice (conuri Seger) sunt utilizate pentru a inregistra atingerea unor temperaturi prestabilite in diverse procese industriale. Se fabrica in doua marimi, avand forma unui trunchi de piramida. Sunt executate din materiale ceramice - caolin, cuart, feldspat, carbonat de calciu si adaus de lianti - in diferite proportii, astfel incat sa se creeze o gama larga de amestecuri ale caror puncte de inmuiere difera cu 20 30 grade unul de altul. In STAS 1312-64 se defineste temperatura de inmuiere ca temperatura la care indicatorul asezat vertical pe o placa suport se inmoaie si, sub actiunea greutatii proprii, se indoaie peste muchia scurta astfel incat varful atinge nivelul placii suport.

Indicatoarele mari - cu inaltimea de 50 mm - se folosesc pentru temperaturi de 600 - 1540sC, iar cele mici - cu inaltimea de 30 mm - pentru intervalul de temperaturi 1580 - 2000sC.

Indicatoarele piroscopice sunt utilizate indeosebi la urmarirea temperaturilor de regim in cuptoare, in grupuri de cate trei indicatoare, unul cu numarul corespunzator temperaturii de regim, al doilea cu numarul imediat superior, iar al treilea cu numarul imediat inferior.

Indicatoare fuzibile (martori). Pentru a determina atingerea unei anumite temperaturi se pot folosi diverse aliaje metalice, de forma cilindrica, a caror topire se produce intr-un mic interval de temperatura. Cu acesti "martori" se poate acoperi intervalul de temperaturi cuprins intre 100 si 1600sC.

9. Scari termometrice

Asa cum s-a aratat anterior, prin conventie, pe scara Celsius, intervalul standard de temperatura este cuprins intre 0 (punct fix determinat de temperatura ghetii pure care se topeste la presiune normala) si 100 (punct fix determinat la temperatura vaporilor de apa care fierb la presiune normala).

Practic, deci, vor fi marcate pe tubul capilar al termometrului cele doua pozitii ale coloanei de mercur: una corespunzatoare temperaturii de topire a ghetii, si una corespunzatoare temperaturii de fierbere a apei. Intervalul intre aceste doua repere stabilite experimental se imparte in 100 de parti egale, fiecare diviziune corespunzand cu un grad Celsius.

Alegerea punctelor fixe si atribuirea unui anumit numar de grade este pur conventionala. Astfel, o alta scara termometrica propusa de Raumur considera ca cele doua puncte fixe mentionate au valorile 0s si 80s, deci intervalul de temperatura intre topirea ghetii pure si fierberea apei este impartit in 80 grade Raumur.

O a treia scara termometrica, scara Fahrenheit considera ca gheata se topeste la 32 grade Fahrenheit iar apa fierbe la 212 grade Fahrenheit, deci acelasi interval de temperatura este impartit in 180 grade Fahrenheit.

Scara termometrica folosita universal este scara Celsius. Transformarea gradelor in diverse scari termometrice se face cu ajutorul unor relatii simple:

tsR = 0,8 tsC

tsF = 32 + 1,8 tsC

In tabela 5 sunt date relatiile de transformare dintr-o scara in alta si corespondentele gradelor Celsius pentru un interval de temperaturi uzuale.

Temperatura absoluta. In termodinamica si in tehnica se utilizeaza o scara de temperaturi in grade absolute sau grade Kelvin [K], al carui punct intial este considerat zero absolut (0K = - 237,15sC).

Pe scara termometrica absoluta nu vom intalni temperaturi negative deoarece 0 K este cea mai scazuta temperatura posibila.

Temperatura absoluta se noteaza cu simbolul T. Gradul Kelvin este egal cu gradul Celsius. Intre valorile temperaturilor masurate pe cele doua scar exista relatia:

T [K] = tsC + 273,15s

Tabela 5

Relatii de transformare intre valorile temperaturilor pe diferite scari termometrice

10. Calorimetria. Principii calorimetrice

Observatii indelungate asupra proceselor de trecere a caldurii de la un corp cald la unul rece au permis sa se stabileasca anumite principii care guverneaza aceste fenomene, dupa cum urmeaza:

Principiul echilibrului termic. Cand doua corpuri avand temperaturi diferite sunt puse in contact, are loc un proces de trecere a caldurii de la corpul cald catre cel rece, proces care dureaza pana la egalizarea temperaturilor celor doua corpuri.

Principiul schimbului de caldura. In lipsa unor procese secundare de transformare energetica, in urma racirii corpului cald, acesta cedeaza o anumita cantitate de caldura care este preluata de corpul rece. Deci cantitatea de caldura cedata de sursa mai calda este egala cu cantitatea de caldura primita de sursa mai rece. Acest principiu reprezinta o forma particulara a principiului conservarii energiei.

Principiul transformarilor inverse. Cantitatea de caldura preluata de un corp prin trecerea de la o stare A₁ la o stare A₂ este egala cu cantitatea de caldura cedata de acelasi corp atunci cand revine de la starea A₂ la starea A₁. Principiul transformarilor inverse constituie o consecinta a principiului conservarii energiei. Din moment ce energia nu poate fi nici creata, nici distrusa, este evident ca energia calorica necesara trecerii corpului de la starea A₁ la starea A₂ va fi restituita integral prin revenirea la starea initiala.

Tinand seama de caracteristicile fizice ale corpurilor se poate determina cantitatea de caldura primita sau cedata la modificarea temperaturii.

La punctul 3, s-a definit caldura specifica a unui corp drept cantitatea de caldura necesara pentru a modifica cu 1sC temperatura unitatii de masa. Rezulta ca daca un corp are masa m, cantitatea de caldura necesara pentru a-i modifica temperatura cu 1sC va fi egala cu m ∙ c. Produsul m ∙ c dintre masa corpului si caldura sa specifica se numeste capacitate calorica a corpului respectiv.

Daca temperatura corpului va fi modificata cu mai multe grade, de exemplu corpul va fi incalzit cu ∆t grade, atunci el va primi o cantitate de caldura de atatea ori mai mare, adica:

Q = m.c. ∆t

Cele expuse mai sus pot fi exemplificate printr-un caz des intalnit in practica. Pentru a raci rapid un corp metalic, acesta se introduce intr-un vas cu apa sau cu alt lichid de racire. Se stie ca intr-o asemenea situatie obiectul cald se raceste iar lichidul din vas se incalzeste, la sfarsitul procesului de schimb de caldura ambele corpuri avand aceeasi temperatura a carei valoare θ (teta) este situata intre valorile temperaturilor initiale t_c si t_r.

Se naste intrebarea: Care va fi temperatura finala θ a unor corpuri cu temperaturi initiale diferite, care participa la un proces de schimb de caldura ?

Cele doua corpuri pot avea stari de agregare diferite; se poate scufunda un corp solid intr-un lichid, se pot amesteca doua lichide, se poate raci un corp solid intr-un gaz s.a.m.d.

Conform formulei cantitatea de caldura cedata de corpul a carui temperatura scade de la t_c la θ va fi:

Q_cedata = mc ∙ c_c (t_c - θ)

unde m_c este masa corpului cald,

c_c - caldura specifica a corpului cald,

t_c - temperatura corpului cald si

θ - temperatura finala.

Similar, cantitatea de caldura preluata de corpul rece a carui temperatura creste de la t_r la θ va fi:

Q_preluata = m_r ∙ c_r (θ - t_r).

Dar conform principiului schimbului de caldura

Q_cedata = Q_preluata

Rezulta:

m_c ∙ c_c (t_c - θ) = m_r ∙ c_r (θ - t_r)

sau

m_c ∙ c_c ∙ t_c + m_r ∙ c_r ∙ t_r = m_c ∙ c_c θ + m_r ∙ c_r ∙ θ

de unde:

θ = m_c ∙ c_c ∙ t_c + m_r ∙ c_r ∙ t_r

m_c ∙ c_c + m_r ∙ c_r

Deci temperatura finala a unui ameste de doua corpuri avand temperaturi initiale diferite este egala cu suma produselor capacitatilor calorice cu temperaturile corpurilor impartita la suma capacitatilor calorice.