Termometry, ich rodzaje i zastosowania

Termometria - dział nauki o cieple dotyczący metod mierzenia temperatury.

Termometr - przyrząd pomiarowy służący do oznaczania temperatury w sposób pośredni, poprzez rejestrację wybranej, a zależnej od temperatury wielkości fizycznej.
W termometrze wykorzystuje się np. rozszerzalność cieplną cieczy (termometry rtęciowe i alkoholowe), gazów (termometry gazowe) i ciał stałych (zwłaszcza bimetali - termometry mechaniczne), a także termiczne zmiany: oporności elektrycznej (termometry elektryczne), napięcia kontaktowego metali (termopara), prędkości rozchodzenia się fali akustycznej (termometry akustyczne), podatności magnetycznej paramagnetyka (termometry magnetyczne, wykorzystywane do pomiaru bardzo niskich temperatur), barwy świecącego ciała (termometry optyczne, inaczej pirometry, do pomiaru wysokich temperatur) itd.
W medycynie stosowany jest najczęściej termometr rtęciowy, tzw. lekarski, który zachowuje wskazanie uzyskane w czasie mierzenia temperatury ciała człowieka dzięki specjalnej budowie, polegającej na zastosowaniu przewężenia rurki o przekroju mikrometrycznym, uniemożliwiającym cofnięcie się słupa rtęci po zmierzeniu temperatury ciała (tzw. termometr maksymalny).

Termometryczne skale - skale służące określaniu temperatury ciała na podstawie wskazań przyrządu wzorcowego: termometru, od którego rodzaju zależy stopień dokładności określenia owej temperatury.
Niejednakowe odstępstwa od liniowości np. rozszerzalności cieplnej powodują, że przy ustalonych wybranych punktach krytycznych (np. temperatura wrzenia i krzepnięcia wody pod ciśnieniem atmosferycznym) wskazania w punktach pośrednich różnych termometrów, (np. gazowego, alkoholowego i rtęciowego) różnią się między sobą. Za najbliższą wzorcowej uznać można skalę termometru gazowego, jednak dopiero wtedy, gdy uwzględni się poprawki wynikające z rozszerzalności cieplnej szkła wykorzystanego w konstrukcji.
W praktyce za wzorcowe przyjmuje się termometryczne skale uzyskane z wykorzystaniem termopar lub termometrów oporowych

Temperatura - wielkość fizyczna, której wartość odczytywana z podziałki termometru określa stopień ogrzania ciała; jest miarą średniej energii kinetycznej cieplnego ruchu cząsteczek tego ciała.

Temperatura ciała - odczytywana na skali termometru wielkość fizyczna, określająca stopień ogrzania ciała.
Człowiek należy do istot stałocieplnych, tzn. utrzymuje temperaturę ciała na stałym poziomie, niezależnie od temperatury otoczenia, dzięki czynności ośrodka termoregulacji, znajdującego się w ośrodkowym układzie nerwowym na dnie III komory mózgu. Ciepło w ustroju żywym wytwarzane jest w czasie procesów przemiany materii.
Temperaturę ciała można mierzyć pod pachą, w pachwinie, w ustach i w odbytnicy. Za stan prawidłowy u człowieka przyjmuje się temperaturę 36-37C (normotermia), temperatura ciała może być obniżona (hipotermia) lub podwyższona (hipertermia), tzw. gorączka> będąca wyrazem zaburzeń czynności ośrodka termoregulacji (w podwzgórzu).
Podwyższona temperatura ciała odgrywa ważną rolę w nieswoistej odporności przeciwzakaźnej w schorzeniach wywołanych przez bakterie i wirusy spowodowanych działaniem pirogenów bakteryjnych.

Psychrometr - przyrząd służący do określania względnej wilgotności powietrza. Składa się z dwóch termometrów, z których jeden ma zbiorniczek rtęciowy owinięty zwilżoną szmatką bawełnianą.
Termometr suchy wskazuje aktualną temperaturę powietrza, termometr wilgotny - niższą od aktualnej temperaturę powietrza (związane jest to z utratą ciepła na odparowanie wody).
Różnica pomiędzy wskazaniami obu termometrów, zwana różnicą psychrometryczną, pozwala na określenie (za pomocą tablic psychrometrycznych) względnej wilgotności powietrza. Im różnica jest większa, tym mniejsza wilgotność powietrza

Ocena temperatury poprzez dotyk dłonią nie jest dokładna. Bardzo zimne obiekty powodują natychmiastowe drętwienie, podczas gdy gorące mogą spalić skórę. Nawet w ocenie temperatur pokojowych możemy popełnić poważne błędy. Gdy nasze dłonie są bardzo zimne, zimna woda może nam się wydawać ciepłą, gdy są rozgrzane, ta sama woda będzie dla nas zimna.

Dokładniejszy pomiar temperatury jest możliwy dzięki termometrom. Większość termometrów codziennego użytku wykorzystuje ciepło dostarczone przez badany obiekt na rozszerzanie gazu, cieczy bądź ciała stałego. Pierwszy termometr został skonstruowany przez Galileusza w latach 90. XVI wieku. Przyrząd ten był długą wąską rurką, zamkniętą od góry ogromną szklaną bańką. U dołu rurka byłą otwarta i zanurzona w naczyniu z zabarwioną wodą. Przed użyciem bańkę z powietrzem należało nagrzać, tak by ciśnienie w rurce wzrosło na, tyle, aby część gazu wydostała się dołem przez wodę. Gdy następnie schłodzono rurkę, ciśnienie w bańce spadło i woda w niej podniosła się znacznie ponad poziom wody w naczyniu. Teraz poziom wody w rurce mógł służyć jako wskaźnik temperatury. Wzrost temperatury powodował rozszerzanie się gazu w bańce i spadek poziomu cieczy w rurce. Gdy było chłodniej, poziom wody podnosił się wskutek zmniejszania objętości powietrza w bańce.

Okazało się, że taki termometr jest wyjątkowo czułym instrumentem pomiarowym, był przy tym niedokładny, gdyż zmiany ciśnienia atmosferycznego powodowały zmiany poziomu wody w rurce, nawet przy stałej temperaturze.

Współcześnie najbardziej rozpowszechnione są termometry cieczowe. Chyba każdemu termometr kojarzy się ze szklaną rurką, zaopatrzoną w skalę i zmieniającą wysokość słupa cieczą – alkoholem, bądź rtęcią, zamkniętą w szklanym zbiorniku wyposażonym w rurkę o małym przekroju, zwaną kapilarą. Z przestrzeni nad powierzchnią cieczy usunięte zostało powietrze, a kapilarę szczelnie zamknięto. Każda zmiana temperatury powoduje zmianę objętości cieczy i w efekcie zmianę poziomu jej słupa. Im temperatura wyższa, tym ciecz zajmuje większą objętość. Odczyt temperatury umożliwia skala umocowana wzdłuż kapilary.

Jak wspomniano, termometry takie wypełnia się zwykle rtęcią bądź barwionym alkoholem. Rtęć łatwiej reaguje na zmiany temperatury i nie przylega do ścianek rurki. Jednak termometry takie nie mogą być używane w temperaturach poniżej -39C, gdyż wtedy rtęć zamarza. Alkohol zamarza w -112C, dlatego termometry alkoholowe są używane przez meteorologów. Z kolei alkohol wrze przy 78C, co czyni go niezbyt odpowiednim dla zastosowań laboratoryjnych. Rtęć wrze dopiero w temperaturze 360C, nadaje się, więc do pomiarów średnio wysokich temperatur w laboratoriach.

Termometr lekarski jest termometrem rtęciowym, skonstruowanym specjalnie do pomiaru temperatur w wąskim zakresie około 37C. Kapilara zwęża się nad bańką z rtęcią utrudniając przepływ rtęci z kapilary do bańki. Gdy ogrzewamy termometr wsadziwszy go na przykład pod pachę, rtęć w bańce rozszerza się, przepychając się przy tym przez przewężenie. Gdy termometr wyjmujemy, aby dokonać odczytu, rtęć w bańce ulega ochłodzeniu, zmniejszając tym samym swą objętość. Rtęć z kapilary nie może przez przewężenie spływać z powrotem do bańki, słup cieczy pozostaje tam, dokąd wspiął się podczas ogrzewania i możemy odczytać maksymalną temperaturę, jaką termometr zanotował. Obecnie lekarskie termometry rtęciowe zastępowane są urządzeniami elektronicznymi, które są bezpieczniejsze w użyciu i bardziej wytrzymałe mechanicznie.

Termometry maksymalne i minimalne są przeznaczone do mierzenia odpowiednio najwyższych i najniższych temperatur osiąganych w pewnym okresie, na przykład w ciągu tygodnia. Używa się ich głównie w badaniach meteorologicznych. Termometr taki jest rurką wygięta w kształcie litery U, ze zbiornikiem znajdującym się u góry, na jednym z końców rurki. W zbiorniku znajduje się alkohol, który wypełnia również część jednego z ramion U-rurki. Poniżej znajduje się rtęć, której słup kończy się w drugim z ramion rurki. Wzrost temperatury zbiornika z alkoholem powoduje zwiększenie objętości cieczy i popychanie znajdującej się pod nią rtęci. Poziom rtęci w drugim ramieniu termometru podnosi się. Jednocześnie słup rtęci popycha metalowy wskaźnik, który rejestruje najwyższą temperaturę. Wskaźnik jest wyposażony w sprężynę, która uniemożliwia mu powrót wraz z kurczącą się rtęcią. Spadek temperatury powoduje przy tym podwyższanie się słupa rtęci w tym ramieniu termometru, w którym styka się ona z alkoholem. Tutaj następny metalowy wskaźnik rejestruje z kolei najniższą zmierzoną temperaturę. Po odczytaniu temperatur wskaźniki są sprowadzane w dół ramion rurki za pomocą magnesu.
Wzrost temperatury powoduje także trudno zauważalne rozszerzanie się ciał stałych. Gdy użyjemy paska bimetalicznego, wykonanego z dwóch złączonym metali o różnych współczynnikach rozszerzalności termicznej, to zmiany jego kształtu wywołane zmianą temperatury są bardzo wyraźne. Pasek bimetaliczny jest zwinięty w spiralę, a do jednego z jego końców dołącza się wskaźnik wychyłowy. Zmiany temperatury powodują różne rozszerzanie się obu części paska, w wyniku, czego skręca się on bardziej, bądź rozprostowuje się. Jednocześnie wskaźnik porusza się wzdłuż skali, umożliwiając odczytanie temperatury.

W termometrii wykorzystywane są także zmiany właściwości elektrycznych materiałów spowodowane zmianami temperatury. Na przykład platynowy termometr oporowy wykorzystuje zmiany oporu drutu platynowego. Opór drutu jest mierzony, a następnie przekładany na temperaturę. Innym urządzeniem jest termopara. Gdy dwa złącza termopary (połączenia dwóch różnych metali) są utrzymywane w różnych temperaturach, to w obwodzie płynie prąd elektryczny. Jeśli jedno ze złączy utrzymujemy w stałej, znanej temperaturze (np. 0C), to natężenie płynącego w obwodzie prądu pozwala określić temperaturę drugiego złącza.

Przykłady rozszerzalności temperaturowej ciał stałych

1. Połączenia szyn kolejowych. W zimie przy bardzo niskich temperaturach można zauważyć, że między kolejnymi szynami znajdują się szerokie odstępy. Natomiast w lecie przy wysokich temperaturach odstępy są niemal niewidoczne.

2. Stalowe konstrukcje mostów, które rozszerzają się wraz ze wzrostem temperatury.

3. Taśma bimetalowa. Jest ona wykonana z połączonych ze sobą pasków z dwóch różnych metali (inwaru i mosiądzu). Podczas ogrzewania taśmy część wykonana z mosiądzu rozszerza się bardziej niż część wykonana z inwaru. Skutkiem tego jest wygięcie taśmy bimetalowej, która ma zastosowanie w różnego rodzaju urządzeniach.

Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych:
Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych jest zjawiskiem polegającym na wzroście objętości ciała wraz ze wzrostem temperatury. Wydłużenie jednego metra substancji przy wzroście temperatury o 100 C. Celem mikroskopowego wyjaśnienia rozszerzalności cieplnej ciał stałych przyjrzyj się wykresowi zależności potencjalnej energii oddziaływania między cząsteczkami w zależności od ich odległości. Gdyby atomy były nieruchome w węzłach sieci, czyli gdyby ich energia kinetyczna równa była zeru, wtedy zawsze znajdowałyby się w odległości odpowiadającej minimalnej wartości energii potencjalnej. W rzeczywistości jednak wiemy, że składniki elementarne sieci drgają wokół swych położeń równowagi, mają pewną energię kinetyczną, która rośnie ze wzrostem temperatury ciała stałego. Przedmioty wykonane z jednych substancji bardziej się rozszerzają pod wpływem wzrostu temperatury, a z innej mniej. Zazwyczaj zmiany rozmiarów ciał są jednak niewielkie.

Rozszerzalność temperaturowa cieczy:
Przy zmianie temperatury również zmienia się rozszerzalność cieczy. W miarę wzrostu temperatury cząsteczki cieczy poruszają się coraz szybciej i w następstwie tego oddalają się od siebie i dzięki temu wzrasta objętość cieczy. Przyrost objętości cieczy zależy od rodzaju cieczy i jej objętości początkowej. Zjawisko rozszerzalności cieczy wykorzystuje się m.in. w termometrach cieczowych.

Opis termometru cieczowego:
Termometr cieczowy składa się z pojemniczka na ciecz połączonego z bardzo cienką rurką tzw. kapilarą oraz skali,(dzięki której możemy odczytać ile wynosi temperatura, którą mierzyliśmy). Niewypełniona cieczą część kapilary jest opróżniona z gazów i zatopiona od góry, aby ciecz z termometru nie wyparowała, albo się nie wylała. Podczas ogrzania słupek cieczy w rurce termometru podnosi się, a po ochłonięciu opada. W budowie tego typu termometrów wykorzystano rozszerzalność cieczy.

Dwa główne rodzaje termometrów cieczowych to:
• termometr rtęciowy - wykonany ze szkła. Szklany zbiorniczek wypełniony jest rtęcią. Gdy temperatura rośnie rtęć rozszerza się i przesuwa coraz dalej w kapilarze. Za pomocą termometrów rtęciowych nie można mierzyć temperatur niższych niż -39C, ponieważ rtęć krzepnie w tej temperaturze. Większość z nich pokrywa zakres temperatur od 0 do 100C.
• termometr alkoholowy - od termometru rtęciowego różni się tylko tym, że w zbiorniku znajduje się alkohol, a najniższa temperatura, jaką możemy zmierzyć to 115C (krzepnięcia alkoholu).

Rozszerzalność temperaturowa wody

Woda zachowuje się w niezwykły sposób. W przeciwieństwie do innych cieczy jej objętość od 0C do 4C maleje, a od 4C do 100C rośnie. To anomalne zachowanie wody związane jest z faktem, że w wodzie ciekłej w temperaturze nieco powyżej 0C istnieją resztki luźnej struktury lodu. Wzrost temperatury niszczy tę strukturę, pozwalając na gęstsze upakowanie cząsteczek, a więc objętość wody maleje. Woda zbudowana jest z cząsteczek o wiązaniu częściowo jonowym. Tlen ma nadmiar ładunku ujemnego, a wodory - dodatniego. Cząsteczka wody ma nieznikający moment dipolowy, z którym związana jest bardzo duża statyczna przenikalność dielektryczna. Cząsteczki wody oddziałują elektrostatyczne. Na skutek tych oddziaływań struktura heksagonalnego lodu jest dość "luźna". Energetycznie korzystne jest takie ustawienie, aby naładowane dodatnio "końce" jednych cząsteczek były blisko naładowanych ujemnie "końców" innych cząsteczek. W procesie topnienia struktura ta jest niszczona, cząsteczki znajdują się bliżej siebie, co jednak jest energetycznie mniej korzystne. Dlatego dostarczenie ciepła do lodu zwiększa energię układu, ale zmniejsza jego objętość.

Oznacza to, że w temperaturze 4C woda ma najmniejszą objętość, czyli ma wtedy największą gęstość. Woda o tej temperaturze opada na dno jeziora lub innego zbiornika wodnego. Dzięki temu, jeżeli nawet powierzchnia jeziora pokryta jest lodem, to na jego dnie woda ma temperaturę 4C, co pozwala rybom przeżyć ciężką i mroźną zimę.

Temperatura jest to właściwość ciała lub pewnego obszaru przestrzeni, która decyduje o tym, czy będzie zachodził przepływ ciepła do lub od tego ciała (obszaru), a jeśli tak, to, w którym kierunku będzie ten przepływ zachodził. Jeśli przepływ ciepła nie zachodzi, to ciała (obszary) są w równowadze termodynamicznej. Jeśli jednak jest przepływ ciepła to następuje ono od ciała (obszaru) o wyższej temperaturze (cieplejszego).

Istnieją różne rodzaje termometrów: cieczowy, bimetaliczny i oporowy. Termometr cieczowy wykorzystuje pewną właściwość cieczy (rozszerzalność cieczy) pod wpływem temperatury. Zwykle jest to rtęć lub barwiony spirytus. Takim termometrem jest typowy termometr zewnętrzny. Jest to rurka szklana a w jej wnętrzu znajduje się częściowo wypełniona rtęcią lub spirytusem barwionym rurka kapilarna. Pod wpływem temperatury ciecz w rurce się podnosi lub opada.

Termometr bimetaliczny - zasadą działania jest różna rozszerzalność dwóch różnych metali. Dwa cienkie paski różnych metali złączonych zwiniętych ze sobą, pod wpływem temperatury różnie się rozszerzają i poruszają wskazówką, która obraca się wokół skali. Termometr oporowy - jego działanie polega na zmianach oporu elektrycznego przewodników lub półprzewodników wraz ze zmianą temperatury.

Termometry dla odczytu wskazanej temperatury posiadają skale: Celsjusza (C), Kelvina (K), Fahrenheita (F). Skala Celsjusza i Fahrenheita oparte są na punktach stałych: krzepnięcia i wrzenia wody, oraz podział zakresu podstawowego między tymi punktami na 100 części u Celsjusza i 180 części u Fahrenheita.

TERMOMETRY CIECZOWE

Termometry cieczowe wykorzystują zależność zmiany objętości cieczy termometrycznej od zmiany temperatury. Termometr składa się ze zbiornika wypełnionego cieczą termometryczną i z połączonej z nim cienkiej rurki kapilarnej zaopatrzonej w podziałkę (rys. 1). Zbiornik i kapilara są wykonane ze szkła.
Czułość termometru szklanego jest tym większa, im większa jest objętość zbiornika termometru, im większa jest wartość pozornego średniego cieplnego współczynnika rozszerzalności objętościowej cieczy termometrycznej bp i im mniejsza jest średnica kapilary d. Pozorny średni cieplny współczynnik rozszerzalności objętościowej cieczy termometrycznej bp oblicza się według wzoru:

bp = bt - bs
gdzie:
bt - średni cieplny współczynnik rozszerzalności objętościowej cieczy termometrycznej,
bs - średni cieplny współczynnik rozszerzalności objętościowej szkła

W dążeniu do uzyskania dużej czułości termometru niestety nie można nadmiernie powiększać objętości zbiornika, gdyż powoduje to wzrost bezwładności cieplnej termometru. Zbyt małe średnice kapilary, poza trudnościami wykonawczymi prowadziłyby natomiast do łatwego przerwania słupka cieczy termostatycznej. Przy zastosowaniu rtęci przyjmuje się stały stosunek objętości zbiornika do objętości kapilary przypadającej na 1 skali o wartości 6000.

Wzorcowanie termometrów laboratoryjnych przeprowadza się przy całkowicie zanurzonym słupku cieczy w ośrodku, w którym dokonuje się wzorcowania.

Ciecze termometryczne stosowane w konstrukcji termometrów cieczowych powinny mieć następujące własności:
- stałość własności fizycznych i chemicznych w czasie,
- stałość cieplnego współczynnika rozszerzalności objętościowej w funkcji temperatury,
- niską temperaturę krzepnięcia,
- wysoką temperaturę wrzenia.

Stosowane ciecze i rodzaje szkła termometrów cieczowych przedstawia tabela:

Termometry cieczowe rtęciowe stosowane w temperaturach do 200C mają w przestrzeni nad słupkiem rtęci próżnie, zaś dla temperatur powyżej 200C sprężony gaz obojętny. Stosowanie sprężonego gazu zapobiega tworzeniu się pęcherzyków par rtęci w słupku rtęci oraz skraplaniu się par rtęci w górnej części kapilary. Do napełnienia termometrów stosuje się azot i wodór, przy czym ich ciśnienie zależy od zakresu pomiarowego temperatury, dochodząc do 2MPa (20 bar) przy 600C. Kapilary termometrów wypełnionych cieczami organicznymi, zwilżającymi szkło są zawsze wypełnione gazem, co zapobiega przerwaniu słupka cieczy.

Zależnie od konstrukcji, laboratoryjne i przemysłowe termometry cieczowe dzielą się na termometry pałeczkowe (bagietkowe) rys. 2 i rurkowe rys. 3.

Termometry pałeczkowe są wykonane z pręta szklanego o średnicy ok. 4 do 6 mm z osiowo umieszczonym kanałem kapilary. Podziałka jest wytrawiona na powierzchni pręta, a krzywizna pręta szklanego działa jak soczewka powiększając obraz kapilary. Dla polepszenia widoczności za kapilarą znajduje się nieprzeźroczysta warstwa białej emalii.

W termometrach rurkowych cienkościenna kapilara wraz z podziałką, wykonana na osobnym pasku z mlecznego szkła, są umieszczane w cienkościennej rurce szklanej. Podobnie jak w termometrze pałeczkowym krzywizna powierzchni kapilary służy do powiększenia obrazu słupka cieczy. Koniec kapilary jest zazwyczaj rozszerzony tworząc mały zbiornik zabezpieczający termometr przed rozsadzaniem w przypadku przekroczenia górnej wartości zakresu pomiarowego. Termometry cieczowe są stosowane w przemyśle najczęściej w osłonach stalowych jako termometry proste i kątowe. Termometry szklane są produkowane w wielu odmianach zależnie od zastosowań i są bardzo rozpowszechnione w przemyśle w laboratoriach i w zastosowaniach domowych.

Termometry z zewnętrznymi czujnikami, z nadajnikiem radiowym:
Termometr WS-7036
Charakterystyka:
- wyświetlanie czasu w formacie 12- lub 24-godzinnym
- temperatura wewnętrzna i zewnętrzna wyświetlana w stopniach Celsjusza (C) lub Fahrenheita (F)
- możliwość odczytu temperatury z maksymalnie trzech zewnętrznych czujników
- temperatura wewnętrzna i zewnętrzna z funkcją pamięci minimum i maksimum oraz czasami ich zarejestrowania (dla temperatury zewnętrznej)
- zakres pomiaru temperatury:
temperatura wnętrza: od 0 C do + 60 C
temperatura zewnętrzna: od - 29,9 C do + 69,9 C
- możliwość zamocowania na ścianie lub ustawienia na płaskiej powierzchni
- czujnik temperatury zewnętrznej typ: TX 2
- maksymalny zasięg transmisji odczytu temperatury zewnętrznej z czujnika - do 25 metrów

Zasilanie:
- termometr: 2 baterie: AAA, IEC LR3, 1.5V
- czujnik: 2 baterie: AAA, IEC LR3, 1.5V
Termometr WS-7206

Charakterystyka:
- zegar synchronizowany sygnałem radiowym DCF-77
- funkcja ręcznego ustawiania zegara
- temperatura wewnętrzna i zewnętrzna wyświetlana w stopniach Celsjusza (C) lub Fahrenheita (F)
- możliwość odczytu temperatury z maksymalnie pięciu zewnętrznych czujników
- temperatura wewnętrzna i zewnętrzna z funkcją pamięci minimum i maksimum oraz czasami ich zarejestrowania (dla temperatury zewnętrznej)
- zakres pomiaru temperatury:
temperatura wnętrza: od 5 C do + 65 C
temperatura zewnętrzna: od - 29,9 C do + 69,9 C
- możliwość zamocowania na ścianie lub ustawienia na płaskiej powierzchni
- czujnik temperatury zewnętrznej typ: TX 2
- maksymalny zasięg transmisji odczytu temperatury zewnętrznej z czujnika - do 25 metrów

Zasilanie:
- termometr: 2 baterie: AA, IEC LR6, 1.5V
- czujnik: 2 baterie: AAA, IEC LR3, 1.5V
Aż zadziwiające ile jest rodzajów i zastosowań termometrów. Myślę, że w bardzo dużym stopniu ułatwiają nam życie. Są wielką pomocą dla lekarzy, pomagają fabrykantom, hutnikom itp. No i to by było na tyle…