La misura della TEMPERATURA. Corso di Misure Termomeccaniche per MENR SAPIENZA Università di Roma A.A

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Eduardo Moretti
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1 La misura della TEMPERATURA Corso di Misure Termomeccaniche per MENR SAPIENZA Università di Roma A.A

2 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).

3 Esperienza del termometro a gas: pv = nrt p 1 p 2 = T 1 T 2 a V = cost p s p i = T s T i = 1,36609

4 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 ( Pa). 1. punto dell ossigeno ( 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 ( ): T di equilibrio tra Zn(S) e Zn(L) 5. punto dell argento ( C): T di equilibrio tra Ag(S) e Ag(L) 6. punto dell oro ( C): T di equilibrio tra Au(S) e Au(L) Termometri o lamine bimetalliche : Usati come interruttori termici automatici o di sicurezza!

5 termometri a variazione di resistenza (RTD): Pt100 TERMOMETRI ELETTRICI :

6 Collegamenti circuitali corretti per RTD :

8 Termistori :

9 Termistori : alcuni esempi realizzativi

10 Termocoppie :

11 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 T B > T A, 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

13 Collegamenti circuitali : regola dei metalli intermedi è OK solo se T 3 = T 4 è OK sempre!

14 Termocoppia a giunto elettronico (a T a diversa da 0 C) regola delle temperature intermedie se T rif = T a T 0 = 0 C la termocoppia rileva un Δe T x T a che non può essere interpretato direttamente sulle tabelle. Il termometro a semiconduttore misura T rif = T a, il circuito di compensazione elabora la E comp T a T 0 e la somma al Δe prodotto dalla termocoppia. Il voltmetro rileva la tensione compensata E = Δe + E comp che può essere interpretata sulle tabelle.

15 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

16 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.

17 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 L λ aumenta ma si sposta verso lunghezze d onda λ più piccole

18 I corpi reali si discostano dal comportamento di corpo nero e tale fatto si computa in termini di emissività e (parametro adimensionale) : dove L l è la radianza del corpo nero e L la 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)

20 I rivelatori si dividono in termorivelatori (bolometri) e fotorivelatori (pirometri)

22 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)

23 Termocamera :

24 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 T a Umidità assoluta Umidità relativa

25 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 t r cioè la minima t che il vapor d acqua alla pressione parziale P può avere prima di condensare (pioggia).

26 PSICROMETRO Maggiore è la differenza tra T A e T B minore è l umidità dell aria entrante. Se T A = T B l aria è satura -> UR = 100%

27 Igrometro a capello igroresistenza igrocapacità

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