La misura della TEMPERATURA - DIMA

La misura della TEMPERATURA
Corso di MMT per MBIR
SAPIENZA Università di Roma
A.A. 2011-12
La misura della TEMPERATURA
Se ad un corpo viene fornito o sottratto calore Q, si modifica la sua temperatura T.
Il calore Q (che è un’energia e si misura in Joule) altera l’attività molecolare dei corpi,
provocando variazione della temperatura T. Ne consegue immediatamente che la temperatura
è una grandezza di stato che fornisce una informazione circa lo “stato energetico” del corpo.
E’ possibile fare riferimento alla legge zero della
termodinamica : se c’è equilibrio termico, ovvero
non c’è passaggio di calore Q tra due corpi A e B
posti a contatto, i corpi A e B sono alla stessa
temperatura !
La proprietà appena enunciata è transitiva: se c’è
equilibrio termico tra i corpi A e B e tra i corpi B e
C, c’è anche equilibrio termico tra i corpi A e C.
Metodi operativi per la misura della temperatura : per mezzo delle proprietà dei corpi
• variano le dimensioni fisiche → il volume ΔV o la lunghezza Δl, secondo la forma del corpo;
• variano le proprietà elettriche → la resistenza ΔR;
• varia lo stato fisico → da solido a liquido a vapore o viceversa, utilissimo per definire le T di
riferimento (vedi seguito).
Esperienza del termometro a gas:
𝑝𝑉 = 𝑛𝑅𝑇
𝑝1
𝑝2
= 𝑇1 … a V = cost …
𝑇
𝑝𝑠
𝑝𝑖
= 𝑇𝑠 = 1,36609 …
2
𝑇
𝑖
La scala delle temperature ufficiale è quella termodinamica :
l’unità è il kelvin K ma è anche 1 K = 1 °C
Per la taratura di tutti i termometri industriali, sono indicati sei punti fissi di temperatura,
definiti come temperature di equilibrio fra 2 fasi solido/liquido/vapore alla pressione di 1
Atmosfera standard (101325 Pa).
1. punto dell’ossigeno (-182.96°C): T di equilibrio tra O(L) e O(V)
2. punto triplo dell’acqua (+0.01°C): T di equilibrio tra H2O(S) , H2O(L) , H2O(V)
3. punto del vapore d’acqua (+100°C): T di equilibrio tra H2O(L) e H2O(V)
4. punto dello zinco (+419.58°): T di equilibrio tra Zn(S) e Zn(L)
5. punto dell’argento (+961.93°C): T di equilibrio tra Ag(S) e Ag(L)
6. punto dell’oro (+1064.43°C): T di equilibrio tra Au(S) e Au(L)
Termometri o
lamine bimetalliche :
Usati come interruttori termici
automatici o di sicurezza !
TERMOMETRI ELETTRICI :
termometri a variazione di resistenza (RTD): Pt100
Collegamenti circuitali corretti per RTD :
Termistori :
Termistori : alcuni esempi realizzativi …
Termocoppie :
effetto SEEBECK: alle giunzioni di due materiali metallici isotermi si stabilisce una differenza di
potenziale. Si tratta dell’effetto fondamentale, ed è anche quello che origina il Δe quando le due
giunzioni non sono alla stessa temperatura.
effetto PELTIER: se nel circuito della termocoppia con le giunzioni a temperatura TB > TA , quindi
con Δe ≠ 0 , si consente la circolazione di corrente elettrica, questa tende a ristabilire l’equilibrio
termico, raffreddando il giunto B a temperatura più alta e riscaldando il giunto A a temperatura
più bassa.
effetto THOMSON: se un conduttore non è isotermo su di esso compare un gradiente di
potenziale
Collegamenti circuitali :
regola dei metalli intermedi
è OK solo se T3 = T4
è OK sempre !
Termocoppia a giunto elettronico (a Ta diversa da 0°C)
regola delle temperature intermedie
se Trif = Ta ≠ T0 = 0 °C la termocoppia rileva un Δe ∝ Tx − Ta che non può essere interpretato
direttamente sulle tabelle.
Il termometro a semiconduttore misura Trif = Ta , il circuito di compensazione elabora la
Ecomp ∝ Ta − T0 e la somma al Δe prodotto dalla termocoppia. Il voltmetro rileva la tensione
compensata E = Δe + Ecomp che può essere interpretata sulle tabelle.
Sensore di temperatura elettronico a semiconduttore:
Per tutte quelle situazioni in cui il contatto tra fenomeno fisico e termometro NON è possibile:
Termometri a RADIAZIONE
La radiazione termica proviene dall’agitazione termica degli atomi di un corpo ma, in
realtà, essa non è altro che una radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda tra
0,3 e 40 mm.
Lo spettro della radiazione visibile va da 0,1 a poco meno di 1 μm quindi, gran parte
della radiazione termica si colloca nell’infrarosso.
I corpi a radiazione termica ideali sono i corpi neri, in quanto assorbono completamente
le radiazioni che lo investono e, ad una data temperatura, emettono il massimo di
radiazione termica.
La legge che guida questo fenomeno è la legge di Planck :
che fornisce l’intensità spettrale
d’irraggiamento L in funzione della lunghezza
d’onda λ della radiazione e della temperatura
assoluta T del corpo nero.
In figura è riportata una rappresentazione della
legge per alcuni valori di T :
al crescere della T la radianza Lλ aumenta ma si
sposta verso lunghezze d’onda λ più piccole …
I corpi reali si discostano dal comportamento di corpo nero e tale fatto si computa
in termini di emissività e (parametro adimensionale) :
dove Ll è la radianza del corpo nero e Lla la radianza del corpo reale alla stessa
temperatura T del corpo nero. Essa vale quindi :
Correlate all’emissività e vanno anche considerate la riflettanza r e la trasmittanza q
dei corpi circostanti. Se il corpo è in equilibrio termico, l’energia radiata è eguale
all’energia assorbita e vale la relazione :
Occorre poi tener conto delle perdite dovute all’assorbimento dell’aria o delle polveri
presenti lungo il cammino ottico , delle dimensioni dell’oggetto e della sua distanza dal
termometro (errore di campo) …
I rivelatori si dividono in termorivelatori (bolometri) e fotorivelatori (pirometri)
TERMOGRAFIA :
Le termocamere sono tutte tarate
individualmente per confronto con
un corpo nero a T controllata.
La caratteristica tensionetemperatura V-T relativa a ciascun
pixel dell’immagine è conservata
nella memoria LUT (Look-Up-Table)
Termocamera :
Misura dell’UMIDITA’
L’aria è una miscela di gas diversi (aria secca) e di vapor d’acqua surriscaldato
alla pressione parziale inferiore a quella di saturazione alla temperatura Ta
Umidità assoluta
Umidità relativa
La misura dell’umidità ha come grandezze d’influenza la pressione e la temperatura:
P rappresenta una miscela di aria
umida alla temperatura t ;
B è la pressione di saturazione a
quella temperatura;
A è la temperatura di rugiada tr cioè
la minima t che il vapor d’acqua
alla pressione parziale P può avere
prima di condensare (pioggia).
PSICROMETRO
Maggiore è la differenza tra TA e TB minore è l’umidità dell’aria entrante.
Se TA = TB l’aria è satura -> UR = 100%
Igrometro a capello
igroresistenza
igrocapacità