MASURAREA TEMPERATURII

1. Definitii. Scari de temperatura

1.1. Temperatura

Temperatura este o marime fizica ce caracterizeaza gradul de incalzire a materiei, deci masoara intensitatea agitatiei termice a particulelor componente.

Temperatura este o marime de stare locala a sistemelor fizico-chimice, ce se refera la echilibrul termic al lor. Doua sisteme sunt in echilibru termic, cand au aceeasi temperatura. Daca un sistem este in echilibru termic cu un al doilea sistem si acesta se afla in echilibru termic cu un al treilea sistem, atunci primul si al treilea se afla, de asemenea, in echilibru termic). Sistemele nu se afla in echilibru termic cand au temperaturi diferite, si cel cu temperatura mai mare va ceda caldura celui cu temperatura mai mica.

1.2. Gradul termometric

Unitatea de masura a temperaturii este gradul, denumit in functie de scara de temperaturi (grad absolut - Kelvin sau grad centesimal - Celsius).

Gradul termometric - dicviziune a unei scari de temperatura.

Gradul Celsius [^oC] este diviziunea scarii de temperatura cu acelasi nume, care atribuie valoarea zero punctului de topire a ghetii si valoarea 100, punctului de fierbere al apei, ambele la presiunea de 1 Atm.

Gradul Kelvin [K] este dimensiunea scarii termodinamice de temperatura, care are ca interval aceeasi marime ca gradul Celsius. Valorile punctelor de reper ale scarii difere, astfel ca temperaturii de 0 ^oC ii corespund 273,15 K iar celei de 100 ^oC, 373,15 ^oC, deci

T[K]=t[^oC]+273,15.

Gradul Fahrenheit [^oF] este diviziunea scarii de temperatura cu acelasi nume, punctul de topire al ghetii corespunde temperaturii de 32 ^oF, iar punctul de fierbere al apei, celei de 212 ^oF. Legatura intre temperatura masurata in grade Celsius si aceeasi temperatura masurata in ^oF, este:

t[^oC]=

1.3. Scari de temperatura

1.3.1. Scara Celsius

Scara de temperatura standardizata este scara termodinamica care a fost stabilita in mod empiric, in 1736 de Anders Celsius (1701 - 1744). Punctele de baza, alese de Celsius au fost:

- punctul de vaporizare a apei: 0;

- punctul de solidificare a apei: 100

Carl von Linne' (1707 - 1778) a inversat scara, astfel ca temperatura de topire a ghetii a devenit 0 grade, iar temperatura de vaporizare a apei a devenit 100 grade. Aceasta scara pastreaza numele lui Celsius; temperatura se da in ^oC.

1.3.2. Scara Kelvin. Grad Kelvin

In 1892, Lord Kelvin of Largs a introdus scara temperaturii absolute, pentru a elimina particularitatile termometrelor care se utilizau anterior.

Temperatura absoluta este temperatura termodinamica masurata in grade termometrice absolute pe scara Kelvin, fiind una din marimile fizice fundamentale ale SI. Zero al scarii absolute este -273,15 ^oC, temperatura la care moleculele unui gaz nu mai au energie cinetica de translatie.

1.3.3. Scara Internationala Practica de Temperatura (SIPT - 68)

Aceasta scara contine temperaturi cuprinse intre 13,8 K si 6300 K. se bazeaza pe un numar definit de stari fixe de echilibru pentru care sunt atribuite valori numerice exacte corespunzatoare celor mai bune determinapri ale respectivelor temperaturi termodinamice si, de asemenea pe instrumente - standard calibrate la aceste temperaturi.

Intre punctele fixe, temperatura se gaseste prin folosirea unor anumite ecuatii si instrumente de interpolare. Punctele fixe elementare sunt realizate ca stari de echilibru a unor substante pure. Aceste stari de echilibru si valorile corespunzatoare ale temperaturii, sunt prezentate in Tabelul 1.

2. Instrumente pentru masurarea temperaturii. Generalitati.

Proprietatea de tranzitivitate a starilor de echilibru termodinamic permite compararea valorilor temperaturii a doua sau mai multor corpuri fara a le pune in contact termic direct, ci folosind un alt corp, numit corp termometric. Dispozitivul ce cuprinde un corp termometric se numeste termometru, sau mai general instrument termometric.

Instrumentul termometric trebuie sa fie comod si precis, sa dea indicatii reproductibile, sa nu modifice starea termica a sistemului a carui temperaturi o masuram.

Clasificarea instrumentelor termometrice se face in raport cu proprietatea corpului termometric, dependenta de temperatura a carei marime si evolutie este masurata si urmarita.

1. Instrumente termometrice bazate pe variatia cu temperatura a volumului corpului termometric, care poate fi gaz sau lichid (uneori si solid), mentinut la p = ct (termometria volumetrica);
2. Instrumente termometrice bazate pe variatia cu temperatura a presiunii corpului termometric, constituit dintr-un volum de gaz, vapori sau lichid mentinut constant; in cazul unui corp termometric in stare de vapori, instrumentul termometric se bazeaza pe dependenta de temperatura a presiunii vaporilor saturati in echilibru cu lichidul corpului termometric (termometria manometrica).
3. Instrumente termometrice bazate pe variatia cu temperatura a frecventei vibratiei de rezonanta a corpului termometric, constituit dintr-un cristal de cuart (termometria electromagnetica);
4. Instrumente termometrice bazate pe variatia cu temperatura a proprietatilor electrice caracteristice corpului termometric: variatia rezistentei electrice sau variatia tensiunii termoelectomotoare (termometria electrica);
5. Instrumente termometrice bazate pe variatia cu temperatura a susceptibilitatii magnetice a corpului termometric constituit dintr-un compus paramagnetic (termometria magnetica);
6. Instrumente termometrice bazate pe variatia cu temperatura a puterii emisiei optice a corpului termometric (parametria optica);
7. Instrumente termometrice bazate pe variatia cu temperatura a vitezei sunetului in corpul termometric (termometria acustica);
8. Instrumente termometrice bazate pe variatia cu temperatura a densitatii electronice de emisie si absorbtie ale unor sisteme gazoase ce constituie corpul termometric (termometria spectroscopica);
9. Instrumente termometrice bazate pe procedee speciale de masurare a temperaturii      (termometria speciala);

Obs. Alegerea instrumentului termometric este in functie de foarte multi factori, intre care domeniul de masurare joaca un rol important.

2.1. Termometria volumetrica

2.1.1. Termometre cu lichid in capilar de sticla

Instrumente termometrice ce se bazeaza pe expansiunea volumetrica a unui fluid mentinut la presiune constanta asculta de o lege de tipul:

sau, mai explicit:

,

unde

V₁, V₂ sunt volumele lichidului la temperaturile t₁, t₂,

= coeficient aparent de dilatare volumica a lichidului in sticla definit de relatia:

in care = coeficient de dilatare volumica a lichidului in intervalul t₁, t₂;

= coeficient mediu de dilatare volumica a sticlei in intervalul t₁, t₂;

1. rezervor

2. tub capilar

3. scara gradata

4. tub exterior

Principalele substante termometrice lichide

Obs.

In afara lichidului termometric, o mare importanta pentru precizie si reproductibilitate o prezinta sticla din care este confectionat termometrul.

Caracteristicile unor sticle termometrice

Obs.

In folosirea termometrelor cu mercur se impune aplicarea unor corectii valorilor livrate citite pe scara termometrului.

Cauze:

sticla rezervorului pastreaza o dilatare reziduala (imbatranirea sticlei);

tubul capilar nu este perfect calibrat;

termometrul nu se gaseste intotdeauna in intregime la temperatura masurata.

Corectii

1. Corectia de deplasare a punctului zero (imbatranirea naturala a sticlei);
2. Corectia de interval fundamental;
3. Corectia de calibrare:
4. Corectia de presiune exterioara, respectiv interioara;
5. Corectia de coloana emergenta.

2.1.2. Termometre bazate pe dilatarea solidelor

Pe principiul dilatarii corpurilor solide exista doua tipuri de termometre:

1. cu tija;
2. bimetalice

1. Termometru cu tija

Se bazeaza pe variatia cu temperazura a lungimii unei tije, conform relatiei:

unde:

este lungimea tijei la temperatura ;

= variatia de temperatura;

este coeficientul de dilatare liniara;

= alungirea tijei corespunzatoare

Presupunand in intervalul de temperatura de la la , prin integrarea relatiei de mai sus vom obtine:

Schema de principiu a termometrului cu tija:

1. tija
2. tub
3. parghie
4. articulatie
5. arc spiral
6. ac indicator

2. Termometre bimetalice

Sunt aparate ce folosesc dilatarea unui metal sau dilatarea a doua metale cu coeficienti de dilatare diferiti sub forma de lamele sudate pe toata lungimea.

Materialele folosite: aluminiu, alama si otelul in aliaj cu cca. 20% Ni cu coeficient de dilatare apreciabil si cu coeficientul de dilatare mic.

element sensibil - bimetal in forma de spirala plana, elicoidala simpla sau elicoidala multipla;

tub protector;

3. tija de transmisie;

ghidaj;

ac indicator

2.2. Termometria manometrica

Acest tip de termometrie se bazeaza pe variatia cu temperatura a presiunii unui fluid (lichid, gaz, vapori) aflat intr-un vas inchis, dupa o lege de forma:

Termometre manometrice

Sunt aparate ce transforma variatia temperaturii fie in dilatarea volumului unui lichid, fie in cresterea presiunii unui gaz

1. rezervor ce contine corpul termometric
2. tub capilar de legatura
3. element elastic
4. dispozitiv de transmitere a miscarii
5. dispozitiv indicator

Clasificare

- cu lichid -40 . +350 ^oC xilen (-40 . +320)

alcool (-50 . +320)

mercur (-35 . +600)

- cu vapori -40 . +350 ^oC clorura de metil (0 - 120 ^o)

clorura de etil (30 - 120 ^o)

eter etilic (60 - 160 ^o)

- cu gaz -60 . 600 ^oC N₂

Ar

CO₂

Erorile tolerate termometrelor tehnice

3. VERIFICAREA CUNOSTINTELOR

Cum se defineste Scara Internationala Practica de Temperatura?

Care este principiul de functionare al unui termometru cu lichid?

Care este principiul de functionare al termometrului cu tija?

Care este principiul de functionare al termometrului bimetalic?

Care este principiul de functionare al termometrului manometric?