CAP 13: MISURE DI TEMPERATURA La temperatura È osservata attraverso gli effetti che provoca nelle sostanze e negli oggetti Si classifica come una grandezza intensiva Può essere considerata una stima del livello dell energia termica Il concetto di base della fisica che fornisce una base fondamentale per definire le scale di temperatura è la legge zero della termodinamica 1
Grazie al secondo principio della termodinamica si è avuto a disposizione uno strumento concettuale per la definizione della temperatura termodinamica, indipendente dalla particolare sostanza usata per costruire il termometro. 2
Per la SIT-90 strumento di interpolazione tra 13,8 K e 1234,93 K è costituito dalla termoresistenza di Platino Metodi di taratura dei termometri I termometri vengono tarati mediante punti fissi e mediante termometri di riferimento posti alla stessa temperatura. 3
A temperature intermedia tra punti tripli e di fusione si possono impiegare termometri campione di riferimento e bagni termostatici riscaldati con resistenze elettriche o raffreddati ad esempio mediante celle ad effetto Peltier o forni ad aria. 4
Termometri ad espansione di liquido in vetro Sono costituiti da un contenitore di liquido, chiamato bulbo, relativamente grande che è in comunicazione con un capillare. Al capillare viene fissata una scala graduata. Dentro il capillare si espande un liquido termicamente sensibile. E=k N (T 1 -T 2 ) Termometri a lamina bimetallica Se due lamine di metalli A e B con diverse coefficienti di dilatazione termica α A e α B sono saldamente fissate tra loro, una successiva variazione di temperatura provoca una dilatazione differenziale delle due lamine. 5
Termometri a pressione Il termometro a pressione è composto da un bulbo sensibile contenente un fluido, un tubo capillare di interconnessione e un dispositivo per la misura della pressione. 6
Termometri a vapore saturo I termometri a vapor saturo sono costituiti da un bulbo in cui un liquido è in equilibrio col suo vapore e la superficie libera del liquido volatile verrà sempre a trovarsi all'interno del bulbo. Al variare della temperatura varia la tensione di vapore e quindi la pressione. Termocoppie Se due fili di materiali differenti A e B vengono collegati in modo da formare un circuito con una giunzione alla temperatura T 1 e l altra alla temperatura T 2 nel circuito nasce una forza elettromotrice E proporzionale alla differenza di temperatura. 7
L ampiezza della forza elettromotrice generata dipende da una proprietà dei materiali chiamata coefficiente di Seebeck K AB della termocoppia AB. E = K AB ( T 1 T 2 ) Effetto Peltier Effetto Thompson 8
Leggi delle termocoppie La forza elettromotrice generata da una termocoppia con le giunzioni alle temperature T e T 1 2 non è influenzata dalle temperature sulla lunghezza dei fili del circuito a patto che i due metalli siano entrambi omogenei. Se si inserisce un terzo metallo omogeneo, sia aprendo il circuito nella zona del materiale A, sia in quella del materiale B, qualora le nuove giunzioni termiche si trovino alla stessa identica temperatura, la forza elettromotrice risultante all interno del circuito rimane invariata, indipendentemente dalle temperature a cui è soggetto il materiale C al di fuori delle nuove giunzioni. Se il metallo C viene inserito tra A e B in corrispondenza di una delle giunzioni, la temperatura a cui è soggetto C al di fuori delle giunzioni AC e BC non produce alcun effetto. Se le giunzioni AC e CB sono entrambe mantenute alla temperatura originaria T 1, la forza elettromotrice risultante è la stessa del caso in cui il materiale C non sia presente. Se le forza elettromotrice prodotta dai metalli A e C tra due temperature è E AC e quella dei metalli B e C tra le stesse temperature è E BC, allora la forza elettromotrice prodotta dai metalli A e B alle medesime temperature è E AC + E BC. 9
Se una termocoppia produce una forza elettromotrice E 1 quando le sue giunzioni sono alle temperature T e T 1 2 ed E 2 quando le sue giunzioni sono alle temperature T 2 e T 3, allora con le giunzioni poste a T 1 e T 3 produrrà una forza elettromotrice pari a E + E 1 2. 10
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Le termoresistenze La resistenza elettrica di vari materiali cambia con la temperatura. Si può dunque realizzare un sensore di temperatura impiegando un semplice filo metallico o un film metallico o di un materiale conduttore o semiconduttore. 12
Nelle applicazioni del circuito a ponte di Wheatstone per convertire le variazioni di resistenza di termoresistenze in variazioni ti tensione bisogna tener conto delle variazioni di resistenza anche sui fili di collegamento. 13
I termistori Sono sensori di temperatura a variazione di resistenza di materiali semiconduttori. Sono disponibili in commercio sotto forma di: gocce, grani, barre, dischi 14
Sensori di flusso termico Dalla legge della conduzione termica si ha che Incertezze di misura di temperatura mediante sensori I motivi di incertezza sono di tipo statico e dinamico e sono scambiati tra la sonda e l ambiente circostante. legati ai flussi di calore 15
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Caratteristiche dinamiche dei sensori di temperatura La risposta dinamica di un sensore di temperatura dipende da una o più costanti di tempo che a loro volta dipendono molto dal coefficiente di scambio termico convettivo col fluido. Quest ultimo è legato alla velocità h = A + B V n Misure di temperatura senza contatto I Pirometri Si basano sul rilievo della radiazione termica che tutti i corpi emettono se si trovano a temperatura superiore a 0 K. 17
Misure di mappe termiche Termografia infrarossa Se una serie di elementi sensibili alla radiazione termica vengono realizzati in modo da formare una matrice di sensori su tale matrice è possibile rilevare un immagine termica formata mediante ottiche particolari, trasparenti alla radiazione infrarossa. 18
La termografia differenziale e la termoelasticità Il principio su cui si basa questa tecnica consiste nella corrispondenza tra deformazione, e quindi tensione applicata, e variazione di temperatura 19