MISURE DI TEMPERATURA.

Presentazione sul tema: "MISURE DI TEMPERATURA."— Transcript della presentazione:

1 MISURE DI TEMPERATURA

2 ARGOMENTI DELLA LEZIONE
La grandezza temperatura Le scale per la misura della temperatura Le caratteristiche dinamiche dei termometri Termometri ad espansione - di liquido - di gas - di vapore - bimetallici

3 LAGRANDEZZA TEMPERATURA

4 Concetto di T strettamente correlato al concetto di calore Q (energia)
L’essere umano attraverso l’esperienza definisce gli oggetti caldi o freddi

5 Caldo o freddo sensazione ingannevole
ES: porta di legno e maniglia: stessa T ma diversa sensazione Perche’? Cosa e’ effettivamente T ? Come la si puo’ definire?

6 Una semplice Definizione Qualitativa
T puo’ essere considerata come il LIVELLO DI ENERGIA TERMICA In analogia alla tensione elettrica, legata al livello di energia potenziale elettrica

7 Una tale definizione interpreta la T come forza motrice dei flussi termici
Non e’ corretto, ma ci avvicina al concetto di flussi termici, sistemi che scambiano calore ecc.

8 Allora i corpi A, B e C hanno la stessa T TA = TB = TC
Se due corpi A e B sono in equilibrio termico (non si scambiano calore) e B e C sono anch’essi in equilibrio, allora anche A e’ in equilibrio termico con C (legge 0 della termodinamica) Allora i corpi A, B e C hanno la stessa T TA = TB = TC B C A

9 TA del corpo si puo’misurare portando un certo corpo (lo strumento di misura) in eq. termico con A e osservando le variazioni di una sua qualche proprieta’ che vari con T (es. volume) Strumento di misura in equilibrio termico con A A

10 T e’ una grandezza intensiva, cioe’: 1 Kg @ TA + 1 Kg @ TA = 2 Kg @ TA
Non e’ misurabile mediante confronto con campioni unitari della grandezza, ma occorrono strumenti tarati rispetto a punti fissi e con adeguata scala.

11 BREVI CENNI STORICI 1600 Galileo e altri: termoscopio (termometro ad aria, privo di scala) ‘600÷’700 Costruzione di ° termometri a gas, uso di ° scale con punti fissi (°C, °F, ecc.)

12 1800 Sviluppo della teoria termodinamica, concetto di temperatura termodinamica (Kelvin)
1900 Standardizzazione SIT-27 SIT-68 SIT-90

13 LE SCALE PER LA MISURA DELLA TEMPERATURA

14 COSTRUZIONE DELLE SCALE DI TEMPERATURA
T produce  variazioni nei corpi a) cambia lo stato fisico (solido, liquido, gas) b) V c) variano proprieta’ elettriche d) varia irraggiamento

15 Le ultime tre (b, c, d) sono sfruttate per fare termometri
La prima (a) e’ sfruttata per fare punti fissi, cioe’ i campioni di T da usare per tarature

16 SCALE PRATICHE E PUNTI FISSI
Fahrenheit con termometro a liquido in capillari tra 1708 e 1724 propose una scala con 2 punti fissi: H2O + ghiaccio 32°F Corpo umano 96°F Da qui H2O bollente 212°F

17 Celsius:. Nel 1742 propose la scala centigrada: H2O + ghiaccio
Celsius: Nel 1742 propose la scala centigrada: H2O + ghiaccio 0°C H2O bollente 100°C

18 Presto ci si accorse che non bastano punti fissi, ma servono metodi di interpolazione tra essi.
Punto fisso T0 Serve scala: Rapporto T1/ T0

19 TEMPERATURA TERMODINAMICA e CICLO DI CARNOT
B T 1 2 >T V Ha trasformazioni reversibili 2 isoterme 2 adiabatiche = L Q1N = 1- QOUT QIN

20 Dove  e’ definita come la temperatura termodinamica
2 P A D C B T 1 V Per ciclo di Carnot Q1 = 1- 2 1  = 1- Q2 Q1 Q2 Dove  e’ definita come la temperatura termodinamica  = 0 assoluto  e’ 2 = 0 per cui (massimo possibile idealmente)

21 Fissando un punto fisso 0, avendo un modo per stabilire 2/1, possiamo costruire la scala.

22 Come misurare ? Si puo’ dimostrare che  termodinamica e’ uguale alla T del gas ideale, quindi puo’ essere misurata con termometro a gas ideale

23 Esiste il gas ideale? No, ma gas a P molto basse lo approssima bene

24 Un termometro a gas ideale usa una proprieta’ macroscopica (P o V) per definire Scale ed Unità corrispondenti alla teoria termodinamica: P V=R T se V=cost.  P  T è la relazione lineare usata

25 Nel S.I. la unità di misura della T termodinamica (o assoluta) è il Kelvin K
La scala Celsius t [°C] = T[K]

26 GLI STANDARD I termometri a gas, che definiscono la T termodinamica, sono di difficile uso e poco ripetibili. Quindi nelle scale pratiche si sono usati come campioni standard altri strumenti

27 { Insieme di punti fissi
Insieme di strum. camp. con leggi di interpolazione { Scale pratiche Attualmente e’ in vigore la SIT-90

28 LA SIT-90 - Punti Fissi Punto fisso T [°C] Punto triplo O2 -218.7916
“ “ Hg “ “ H20 (SIT-68) Ebollizione H2O 100 Fusione Zn “ Ag “ Au

29 Term. a Gas Pirometro ottico
LA SIT-90 - Strumenti Campione 3K 13.8K 25K °C Term. a Gas Termoresistenza Pt Pirometro ottico

30 CARATTERISTICHE DINAMICHE DEGLI STRUMENTI PER LA MISURA DELLA TEMPERATURA

31 x0 x0 = 0 Ttf Ti(t) Es: Termometro a dilatazione di liquido
Ti(t) temperatura del fluido variabile nel tempo Ti(t) x0 Ttf x0 = 0

32 Principio fisico: espans. termica del liquido
(1) X0= KEX Ttf Vb / AC dove: AC = sezione capillare Vb = volume bulbo KEX= coeff. espans. Ti(t) x0 Ttf x0 = 0

33 (2) V b  c dT tf dt + hA T = i Equilibrio termico:
h Ab [Ti(t) - Ttf(t)] dt =  Vb c dTtf con h=coeff. scambio term. convettivo =densità fluido c=calore specifico fluido da cui (2) V b  c dT tf dt + hA T = i

34 (2) V b  c dT tf dt + hA T = i  cA K dX dt + hA A V X = T
Dalle eq. (1) e (2) (1) X0= KEX Ttf Vb / AC (2) V b  c dT tf dt + hA T = i  cA C K EX dX dt + hA b A V X = T i Tipico sistema del 1° ordine

35 Ti X0 k D+1  dX0/dt + X0 = K Ti
Tipico sistema del I° ordine  dX0/dt + X0 = K Ti con  = cVb / ( h Ab) cost. di tempo K = KEXVb/AC sensib.statica Ti X0 k D+1

36 h scambio termico intenso
Termometro veloce se  = cVb/( h Ab) serve Vb  bulbo (sensore) piccolo h scambio termico intenso Ab  grande superf. scambio c scelta fluido termom. t X0

37 I TERMOMETRI AD ESPANSIONE

38 capillare pieno di liquido Liquidi tipici: Hg, Alcool
BULBO SCALA CAMERA DI ESPANSIONE LINEA DI IMMERSIONE TERMOMETRI A LIQUIDO capillare pieno di liquido Liquidi tipici: Hg, Alcool

39 Il termometro può operare in diverse condizioni di immersione:
Parziale P Totale T Completa C

40 Se usato in condizioni diverse dalla calibrazione serve correzione
T=k L (Tb-Taria) L=lungh. in [°C] della colonna liquida non immersa k=coeff.esp.differenziale liquido term./vetro P T C

41 se T > T0 la struttura si flette 1 / (T-T0)
TERMOMETRI BIMETALLICI due metalli con coeff. d’espansione diverso sono uniti tra di loro alla temp. T0 METALLO 1 KEX1 METALLO 2 KEX2 se T > T0 la struttura si flette 1 / (T-T0) 

42 Quindi sono trasduttori T  X
Sono impiegati in molte forme diverse come termometri analogici X T2 < T1 T1 T2 > T1 X X

43 Es. completo di quadrante analogico:

44 Trasduttori di temperatura binari (ON/OFF)
Impiego tipico controllo On / OFF di T disgiuntori termici (passa IRI2T 

45 TERMOMETRI A GAS

46 bulbo + capillare + trasduttore di P riempiti di gas
V  cost P V = R T  P  T Bulbo Capillare Trasduttore di P gas reali gas ideale solo a Pe lo strumento è lineare

47 Può trasmettere l’informazione a grande distanza (100 m) grazie al capillare Sensibile a T nel capillare compensazione con 2° capillare e meccanismo

48 TERMOMETRI A VAPORE SATURO

49 vapore saturo ha P= f(T)
bulbo + trasduttore di P riempiti di liquido in equilibrio col suo vapore saturo vapore saturo ha P= f(T) il liquido non volatile serve solo a trasmettere P è insensibile a T nel capillare Vapore in eq. Fluido volatile Fluido non volatile