UVOD Osim u svakodnevnom životu, temperatura igra važnu ulogu u skoro svim prirodnim naukama. Mnoge fizičke osobine materije, od agregatnog stanja preko gustine, rastvorljivosti, napona pare, eletrične provodljivosti do indeksa prelamanja zavise od temperature. Slično, od temeperature zavisi kojom će se brzinom odvijati neka hemijska reakcija a u složenom sistemu, i koje će reakcije da se odigraju. To je jedan od razloga što kod čovjeka postoji nekoliko vrlo složenih mehanizama za održavanje tjelesne temperature nešto ispod 37 °C, jer je samo nekoliko stepeni odstupanja dovoljno da poremeti optimalno stanje u organizmu. Od temperature takođe zavisi intenzitet toplotnog zračenja koje se emituje sa površine tijela. Taj je efekat primjenjen u sijalici sa vlaknom u kojoj se elektičnom strujom podiže temperatura vlakna do temperature na kojoj dolazi do znatne emisije vidljivog zračenja. Na tom principu i Sunce sija — zbog visoke temperature, površina Sunca neprekidno emituje ogromnu količinu energije u vidu elektromagnetnih talasa, velikim dijelom u vidljivom dijelu spektra.
1
1. Temperatura Temperatura je fizikalna veličina kojom se izražava toplinsko stanje neke tvari i jedna je od osnovnih veličina u termodinamici. Ona ovisi o tome koliko unutarnje energije sadrži neko tijelo određene mase i tlaka. Temperatura ne može prelaziti s tijela na tijelo, nego prelazi toplina, a temperature se izjednačavaju.
1.1
Definicija temperature
Pojam temperature može se definirati na više načina. Osjećamo kada je neko tijelo toplije ili hladnije od našeg tijela, a uočavamo i fizikalne promjene obujma, tlaka i agregatnog stanja koje pri tome nastaju. Na temelju toga definirane su iskustvene temperaturne ljestvice kao što su Celzijeva i Fahrenheitova koje se i danas koriste u većini primjena. Za njih je svojstveno postojanje negativnih vrijednosti temperatura, jer je ishodište ljestvice utvrđeno proizvoljno. U fizici, a posebno termodinamici, temperatura se definira tako da je ishodište temperaturne ljestvice utvrđeno na temelju fizikalnih načela (apsolutna nula). Tako definirana temperatura se formalno naziva apsolutna temperatura ili termodinamička temperatura.
Ispitivanjem svih aspekata temperature bave se termodinamika i statistička mehanika. Temperatura sistema u termodinamičkoj ravnoteži je definisana odnosom beskonačno male količine toplote δQ koju sistem primi beskrajno sporo i time izazvanom promenom entropije sistema δS:
2
Nasuprot entropiji i toploti koje se mogu definisati za makroskopski sistem i kada je daleko od termodinamičke ravnoteže, temperatura može da se definiše samo za sistem u termodinamičkoj ravnoteži. Kada prima toplotu temperatura sistema raste, a opada kada toplotu gubi. Među sistemima koji su na istoj temperaturi, nema protoka toplote. Međutim, kada se javi temperaturska razlika, toplota počinje da teče iz sistema sa višom temperaturom ka sistemu sa nižom, dok se ne dostigne toplotna ravnoteža. Temperatura je takođe u vezi sa unutrašnjom energijom i entalpijom sistema. Sa porastom temperature rastu i unutrašnja energija i entalpija. Temperatura je intenzivna osobina sistema, što znači da ne zavisi od količine materijala u sistemu. (Temperatura cigle ista je kao i njene polovine. Intenzivne osobine su isto pritisak i gustina) Nasuprot temperaturi (i pritisku i gustini), masa i zapremina su ekstenzivne osobine, dakle, osobine koje direktno zavise od količine materije. (Masa polovine cigle duplo je manja od mase cele cigle.)
1.2 Apsolutna termodinamička temperatura Ova definicija temperature polazi od rada reverzibilnog toplinskog stroja, za koji je omjer temperatura toplog i hladnog spremnika jednak omjeru količine topline predane iz toplog i primljene u hladni spremnik:
Ovo je univerzalna definicija temperature, stoga što je neovisna o materijalu (supstanci) i načinu rada toplinskog stroja, dokle god je toplinski stroj reverzibilan.
3
2. Mjerne jedinice temperature
Postoji više mjernih jedinica za temperaturu. U Europi temperaturu mjerimo u Celzijevim stupnjevima (°C), a u SAD-u su uvriježeni Fahrenheitovi stupnjevi (°F). Jedinica SI za termodinamičku temperaturu je kelvin (K), dok se u SAD-u još koristi i Rankineov stupanj. Formule za pretvaranje brojevnih vrijednosti uobičajenih temperaturnih ljestvica: K = °C + 273,15 °C = 5/9 · (°F - 32) °F = °C/0,55 + 32 ili preciznije :°F = °C/(5/9) + 32 Tablica koja prikazuje neke često korištene temperature s vrijednostima izraženim na raznim temperaturnim ljestvicama: Opis
Kelvin Celzije Fahrenheit Rankine Delisle Newton Réaumur Rømero ova va ova ova ova ova ova va
Apsolutna 0 nula
-459,67 273,15
0
559,725 -90,14
-218,52
-135,90
Fahrenheit ova 255,37 -17,78 0 mješavina leda i soli
459,67
176,67 -5,87
-14,22
-1,83
Talište leda/ledišt e vode (pri 273,15 0 normalno m tlaku)
32
491,67
150
0
0
7,5
Temperatu ra 310,15 37 ljudskoga tijela
98,6
558,27
94,5
12,21
29,6
26,925
Vrelište vode
373,15 100
212
671,67
0
33
80
60
Talište titanija
1941
3034
3494
-2352
550
1334
883
1668
4
3. Mjerenje temperature Za mjerenje temperature koristimo njen efekt na: • Volumen (plinova) • Rastezanje (tekućina ili metala) • Tlak • Električni otpor • Termo-električni efekt • Energiju zračenja • Promjenu hemijske faze
3.1 Osjetnici za mjerenje temperature Osjetnici za mjerenje temperature mogu se svrstati u dvije osnovne skupine koje čine kontaktni i beskontaktni osjetnici. KONTAKTNI (provođenje topline): − otpornički elementi − termistori − termopar − poluvodički pn-spoj BESKONTAKTNI (toplinsko zračenje): − infracrveni termometar − piroelektrički termometar
3.2. KONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE TERMOMETRI Podjela -
po načinu mjerenja: plinski termometri otporni termometri termoelementi termometri punjeni tekućinom beskontaktni termometri (pirometri, IC termografija) posebni termometri
5
3.2.1. Plinski termometri Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (°C). Zbog svoje tačnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara. Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200°C) propušta helij i vodik.
Plinski termometar
3.2.2. Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature. Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol, koji se oboji radi lakšeg očitavanja. Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni. Krhki su i lako lomljivi, pa se njima treba pažljivo rukovati. Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima. Stabilni su i relativno jeftini. Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine Tekućina Pentan Alkohol
Temperaturno mjerno područje -200 ÷ +20°C -110 ÷ +50°C 6
Toluol Živa bez plinskog punjenja Živa s plinskim punjenjem
-70 ÷ +100°C -30 ÷ +280°C -30 ÷ +750°C
Termometar punjen tekućinom
Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu
3.2.3 Posebni termometri - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom vremenskom razdoblju) - Termograf - sl. 5.10 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog vremenskog razdoblja npr. 24 sata) - Kapilarni termometar – sl. 5.5 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno mjesto nepristupačno
7
Kapilarni termometar
3.2.4. Otpornički termometri Termootpornikom se naziva provodnik ili poluprovodnik sa velikim temperaturnim koeficijentom otpornosti, a koji se nalazi u izvjesnom toplotnom odnosu sa okolinom. Struja kroz termootpornik treba da bude mala, kako Džulova toplota razvijena u njemu ne bi izazvala veliku grešku mjerenja. Pitanje izbora materijala za pretvarač zavisi uglavnom od hemijske inertnosti prema okolnoj sredini i željenog intervala mjerenja temperature; - bakar: (-50 do 180), sredina bez vlage i korodivnih gasova, - nikal: (-250 do 300), do 100 ima linearnu karakteristiku, - platina: (-200 do 650), - za interval iznad 500 pogodnija upotreba termoelemenata. U novije vrijeme kao termootpornici se koriste poluprovodnici koji se tada nazivaju termistori; to su obično oksidi bakra, kobalta ili mangana. Termistori, pored pozitivnog temperaturnog koeficijenta otpornosti –PTC termistori, mogu da imaju i negativan tempernaturni koeficijent otpornosti -NTC termistori, a i osjetljivost im, u određenom temperaturnom diapazonu, može biti znatno veća nego kod metala. 3.2.5 Termoelementi (termoparovi) Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji, a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature, nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini. Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara. Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika: T = a + a U + a U + a U + a U (5.5.1) 8
Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja, a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj. polinom drugog stupnja, jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost. Najvažniji termoparovi u široj primjeni su: željezo-konstatan (legura bakra, nikla i mangana), bakarkonstatan, platina/rodij-platina, nikal/krom-nikal. Svaki od ovih materijala pokazuje neka od svojstava koja ga čine prikladnim za određenu primjenu. Važna je izvedba spojeva. Spojevi se izvode zavarivanjem, lemljenjem ili prešanjem. Žice mogu biti izolirane prikladnim vatrostalnim materijalom. Pomoću zaštitnog tuljca štiti se mjerni spoj od okoline.
3.3. BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE
3.3.1 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo. Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 0,65-0,66 μm (tj. crveno područje vidljivog spektra). Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti. Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura. Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani. Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi. Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta, što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature. Nedostatci ovih uređaja su: osjetljivost (krhkost), glomazni su i relativno skupi.
9
3.3.2. Radijacijski pirometri Ovi pirometri mjere ukupni intenzitet zračenja na svim talasnim dužinama pa ne smiju imati nikakve selektivne filtere. Optičkim sistemom privede se jedan dio izračene energije tijela u fokus pirometra pa se po temperaturi u fokusu na radnom čvorištu prikladnog termometra s termoparom zaključuje temperature tijela. Ovdje se okom samo usmjerava pirometar prema tijelu a temperatura očitava na skali instrumenta baždarenoj u jedinicama temperature. Treba istaknuti da kod ovih termometara nije potrebno ostvariti fizički kontakt s tijelom čija se temperatura mjeri. Radijacijski pirometri mogu mjeriti i na velikim udaljenostima pa se u posebnim izvedbama upotrebljavaju kod mjerenja temperatura nebeskih tijela. Upotrebljavaju se i u metalurgiji. Područje primjene za optičke pirometre je od 500 oC do 2500 oC, a za radijacijske od -80oC do 5000 oC.
3.3.3. Infracrvena termografija Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo). U samoj kameri integrirana je IC optika, osjetnik IC zračenja, jedinica za pretvorbu električnog u video signal, monitor i kartica za pohranu podataka sl. 6.10. Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri. Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar, to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja, no različita po materijalima iz kojih je napravljena. Materijali koji
10
se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje, a to su; germanij, cink sulfid, cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon, safir, kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja.
Termografski uređaj
4. ZAKLJUČAK Za mjerenje temperature koristimo njen efekt na: • Volumen (plinova) • Rastezanje (tekućina ili metala) 11
• • • • •
Tlak Električni otpor Termo-električni efekt Energiju zračenja Promjenu hemijske faze
Osjetnici za mjerenje temperature Osjetnici za mjerenje temperature mogu se svrstati u dvije osnovne skupine koje čine kontaktni i beskontaktni osjetnici. KONTAKTNI (provođenje topline): − otpornički elementi − termistori − termopar − poluvodički pn-spoj BESKONTAKTNI (toplinsko zračenje): − infracrveni termometar − piroelektrički termometar
12
