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1 Scale di temperatura La temperatura è una grandezza intensiva, dunque non esiste il campione di temperatura. La temperatura sarebbe completamente definita.

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Presentazione sul tema: "1 Scale di temperatura La temperatura è una grandezza intensiva, dunque non esiste il campione di temperatura. La temperatura sarebbe completamente definita."— Transcript della presentazione:

1 1 Scale di temperatura La temperatura è una grandezza intensiva, dunque non esiste il campione di temperatura. La temperatura sarebbe completamente definita dalla termodinamica: questa scelta non è però conveniente né sufficientemente accurata. Esiste una scala empirica (scala internazionale delle temperature) riconosciuta a livello internazionale, con le seguenti caratteristiche: è facilmente riproducibile è facilmente riproducibile è vicina alla scala termodinamica è vicina alla scala termodinamica Tale scala viene periodicamente revisionata; lultima revisione è del 1990 (ITS-90).

2 2 La ITS-90 fissa alcuni punti fondamentali: 1) lunità di misura della temperatura termodinamica T, ossia il kelvin (K) fissata come 1/ la temperatura termodinamica del punto triplo dellacqua. La temperatura viene spesso indicata per differenza rispetto al punto di fusione del ghiaccio (t, temperatura Celsius) (°C) Per definizione 1°C=1K e le differenze di temperatura possono essere espresse indifferentemente in gradi Celsius o in Kelvin.

3 3 2) lintervallo di temperature considerato: va da 0.65 K alla più alta temperatura misurabile sfruttando le leggi dellirraggiamento 3)la definizione dei punti fissi: si tratta di stati fisici facilmente riproducibili ed universali, per la taratura di termometri. Solitamente si tratta di passaggi di stato: la temperatura a cui questi avvengono è f(sostanza). I passaggi di stato, coinvolgendo il calore latente, avvengono a temperatura pressoché costante. Altri punti fissi sono i punti tripli in cui coesistono i tre stati della materia (solido, liquido e gassoso).

4 4 Tabella pag.84

5 5 4)i tipi di termometri da utilizzare in ciascun campo di temperatura per interpolare tra i differenti punti fissi: sono da considerarsi come termometri campione Sono utilizzati i seguenti termometri: - Termometri a pressione di vapore INSERISCI I CAMPI - Termometri a gas - Termometri a resistenza di platino (SPRT) o) termometri a capsula (13.8 K 157°C) o) termometri a stelo (84 K 660°C) o) termometri per alta temperatura (0°C 962°C) - Termometri a radiazione (pirometri)

6 6 5)i valori forniti dai termometri campione in corrispondenza dei punti fissi 6)le funzioni interpolanti da adottare tra i vari punti fissi determinate sulla base dei dati ottenuti in 5) Linsieme di queste norme definisce una scala di temperature primaria cui tutte le misure di temperatura devono essere riferibili.

7 7 Fig pag.83

8 8 T 90 e t 90 riguardano la ITS-90; T 68 e t 68 riguardano la precedente revisione del 1968 N.B. punto di fusione del ghiaccio (solo presenza di acqua e ghiaccio a p ambiente)0°C o K punto triplo dellacqua (3 fasi in equilibrio a p=0.01???) 0.01°C o K

9 9 Punto triplo dellacqua E il cuore della scala internazionale delle temperature. Si ha in corrispondenza di un singolo valore di temperatura e pressione in cui acqua, vapore e ghiaccio coesistono in equilibrio. Ad altre temperature o pressioni una delle tre fasi scompare

10 10 Punto triplo dellacqua La purezza dellacqua è un punto fondamentale: le impurità alterano significativamente le caratteristiche fisiche del punto triplo. (labbassamento della temperatura del punto triplo è di 1.86 K per mole di impurità disciolta in 1 kg di acqua) La purezza dellacqua è un punto fondamentale: le impurità alterano significativamente le caratteristiche fisiche del punto triplo. (labbassamento della temperatura del punto triplo è di 1.86 K per mole di impurità disciolta in 1 kg di acqua) Altri punti importanti sono la pressione e laria disciolta nellacqua: la differenza tra la T del punto triplo e quella del punto di fusione del ghiaccio (0.01°C) è da attribuirsi per 7.5 mK alla differente pressione e per 2.5 mK alla differente quantità di aria disciolta. E dunque importante degasare lacqua. Altri punti importanti sono la pressione e laria disciolta nellacqua: la differenza tra la T del punto triplo e quella del punto di fusione del ghiaccio (0.01°C) è da attribuirsi per 7.5 mK alla differente pressione e per 2.5 mK alla differente quantità di aria disciolta. E dunque importante degasare lacqua.

11 11 Il punto triplo dellacqua è uno stato fisico la cui temperatura è proprio oggetto di definizione, non ha dunque senso misurarla: due test consentono di verificare se la cella funziona bene. Confronto tra due celle: quella con la temperatura più bassa contiene il maggior numero di impurità Confronto tra due celle: quella con la temperatura più bassa contiene il maggior numero di impurità

12 12 Prova sulla cella singola: si inclina la cella come in figura; se, continuando a ruotare, il volume di gas intrappolato si riduce di più di tre volte, il comportamento della cella è soddisfacente. Questo metodo non contempla la presenza di impurità non volatili. Prova sulla cella singola: si inclina la cella come in figura; se, continuando a ruotare, il volume di gas intrappolato si riduce di più di tre volte, il comportamento della cella è soddisfacente. Questo metodo non contempla la presenza di impurità non volatili.

13 13 Un ulteriore problema riguarda limmersione del termometro, affinché la sua temperatura sia il più possibile uguale a quella della cella. La situazione migliore prevede la presenza di un mantello di ghiaccio sul bulbo di immersione, con un velo di acqua presente tra mantello e bulbo (interfaccia acqua-ghiaccio vicina al termometro e limitate azioni meccaniche sul bulbo di immersione). E importante che il processo di solidificazione parta dal bulbo di immersione verso lesterno perché la crescita dei cristalli è un processo di purificazione (il ghiaccio è più puro dellacqua circostante: quando il bulbo di immersione sarà riscaldato per produrre il velo dacqua, questa sarà più pura che nel resto della cella. Una volta avviata una cella può lavorare per diversi mesi.

14 14 Punto di fusione del ghiaccio E più semplice da realizzare ed è un punto obbligato per chi vuole fare seriamente delle misure termometriche. E ovvio che ove unincertezza dellordine di 0.01°C o più sia necessaria, bisogna ricorrere al punto triplo. Fig.3.6

15 15 Vaso Dewar: isolante Sifone: permette leliminazione delleccesso di acqua Ghiaccio: da acqua pura (si controlla valutandone la resistenza), tritato e compresso; prima di metterlo nel vaso Dewar, questo va riempito per 1/3 con acqua distillata. Il ghiaccio va molto compattato in modo che negli interstizi tra le diverse scaglie vi sia solo acqua distillata e poca aria, che deve essere in condizioni di saturazione. Periodicamente va aggiunto ghiaccio e va rimossa acqua. Barra di metallo: serve per lasciare lo spazio necessario allinserzione del termometro

16 16 Tipo di termometro: quanto indicato è utile per termocoppie: se il sensore è di dimensioni maggiori, per avere un buon contatto tra sensore ed ambiente, può essere indicato un bagno di acqua e ghiaccio continuamente rimescolato per evitare la stratificazione (acqua a 4°C più densa sul fondo). In questo caso la riferibilità può solo essere garantita dalla presenza di una altro termometro calibrato (a patto che vi sia continuo rimescolamento).

17 17 ALTRI PUNTI FISSI Punti di solidificazione e fusione di metalli. Danno ripetibilità dellordine di 1 mK se i materiali sono puri e se lambiente di misura non presenta gradienti termici. La solidificazione è migliore della fusione in quanto costituisce un processo di purificazione. Fig. 3.9

18 18 ALTRI PUNTI FISSI Punti tripli di gas: solitamente si trovano presso i centri che detengono i campioni nazionali. Nella cella, in presenza di una quantità di gas controllata, si utilizza il passaggio di stato solido-liquido: si riscalda la sostanza di cui interessa il punto triplo fino ad ottenerne la fusione: anche in questo caso si sfrutta il fatto che nel passaggio di stato la temperatura si mantiene allincirca costante.

19 19 Tabella 3.2

20 20 Termometri primari: SPRT Non si descrive il termometro, ma il suo impiego nella ITS- 90. La quantità di interesse non è la resistenza assoluta R(T 90 ), ma un rapporto di resistenze W (T 90 ) così definito: W(T 90 )=R (T 90 )/R( K) ove è il punto triplo dellacqua (nella scala del 68 il riferimento era il punto di fusione del ghiaccio). Il platino che costituisce il termometro deve essere così puro che W( °C) oppure W(961.78°C) Punto fisso dellargento

21 21 Invece di definire una formula empirica per descrivere la relazione tra resistenza e temperatura, come nelle scale precedenti, la ITS-90 usa una funzione definita a priori, W r (T 90 ), a partire dalla quale si danno le deviazioni dei singoli termometri. La funzione di riferimento W r (T 90 ) rappresenta il comportamento di un SPRT idealizzato. Sono considerati due differenti campi: K K 0°C(= K) °C

22 K K Funzione di riferimento: Funzione inversa: 0°C(= K) °C Funzione di riferimento: Funzione inversa:

23 23 I coefficienti sono indicati nella tabella seguente: Tab. 3.3

24 24 Le due funzioni descrivono in maniera approssimativa il comportamento di un generico SPRT. Sono usate due funzioni perché non esiste nessun SPRT in grado da solo di coprire lintero campo di funzionamento richiesto (13.8 K 962°C). Le due funzioni rappresentano il comportamento dei due termometri effettivamente utilizzati per costruire la scala. Il termometro SPRT è stato scelto per la sua stabilità. Le deviazioni dal caso ideale, misurate in corrispondenza dei punti fissi, sono usate per calcolare i coefficienti della funzione che fornisce gli scostamenti dalla funzione standard. Ci sono tre funzioni di correzione che coprono lintero campo, dotato di 11 sottocampi che si ricoprono.

25 25 La funzione di correzione dà W(T 90 )-W r (T 90 ) Tab.3.4

26 26 Anche se questa situazione sembra complessa da gestire, le diverse funzioni di correzione rendono più facile lutilizzo pratico, in quanto, avendo pochi coefficienti da determinare, richiedono la verifica in un numero limitato di punti fissi; per esempio un termometro che opera tra 0°C e 100°C necessita di soli due punti fissi per ricoprire il campo 0°C-156°C. (Con la IPTS-68) sarebbero stati necessari tre punti fissi fino a 420°C. I campi in realtà si ricoprono e questo può essere una difficoltà in quanto la stima della temperatura dipende dalla funzione interpolante scelta (differenze massime stimate dellordine di 1 mK, più stesso 0.5 mK).

27 27 Da ultimo, poiché lo SPRT è a sua volta un termometro pratico, la sua accuratezza dipende in maniera critica dalla circuiteria elettrica collegata. Tale circuito è costituito da un ponte alimentato in a.c. con circuito a quattro fili e dispositivo di lettura della diagonale di misura a 7 cifre. E necessario disporre di un punto triplo dellacqua per la verifica di buon funzionamento del termometro. Il termometro deve essere un PRT dalle particolari caratteristiche e anche le condizioni operative devono essere curate.

28 28 I cambiamenti chimici sono uno degli aspetti più pericolosi per lo SPRT. E necessario impedire sia lossidazione del platino, sia la formazioni di sostanze che possono inquinare il platino.I cambiamenti chimici sono uno degli aspetti più pericolosi per lo SPRT. E necessario impedire sia lossidazione del platino, sia la formazioni di sostanze che possono inquinare il platino. Sempre per le alte temperature, è un problema la dilatazione termica sia del filamento, sia del supporto (lo stato di tensione ha influenza sulla misura di temperatura).Sempre per le alte temperature, è un problema la dilatazione termica sia del filamento, sia del supporto (lo stato di tensione ha influenza sulla misura di temperatura). Un altro problema è la differenza tra la temperatura iniziale del termometro e dellambiente di misura, che risulta alterato Un altro problema è la differenza tra la temperatura iniziale del termometro e dellambiente di misura, che risulta alterato

29 29 un ulteriore problema riguarda il fatto che linvolucro protettivo del termometro può costituire una via di fuga del calore verso lambiente esterno. Ad esempio è dimostrato che lirraggiamento di una comune lampada ad incandescenza può avere effetti sulla temperatura della cella di punto triplo dellordine di 0.2 mK un ulteriore problema riguarda il fatto che linvolucro protettivo del termometro può costituire una via di fuga del calore verso lambiente esterno. Ad esempio è dimostrato che lirraggiamento di una comune lampada ad incandescenza può avere effetti sulla temperatura della cella di punto triplo dellordine di 0.2 mK Costituisce motivo di preoccupazione il fatto che, a temperature elevate, la guaina protettiva in quarzo diventa porosa ad alcuni vapori metallici che possono contaminre il quarzo. Costituisce motivo di preoccupazione il fatto che, a temperature elevate, la guaina protettiva in quarzo diventa porosa ad alcuni vapori metallici che possono contaminre il quarzo.

30 30 Anche le vibrazioni sono dannose in quanto provocano stati di tensione ed alterano le caratteristiche del platino. Urti possono dare errori dellordine della decina di mK. Per ripristinare le condizioni iniziali è necessario un riscaldamento ad alta temperatura se successivo lento raffreddamento (ovviamente ciò non è possibile per i termometri a capsula che hanno vita più limitata). Anche le vibrazioni sono dannose in quanto provocano stati di tensione ed alterano le caratteristiche del platino. Urti possono dare errori dellordine della decina di mK. Per ripristinare le condizioni iniziali è necessario un riscaldamento ad alta temperatura se successivo lento raffreddamento (ovviamente ciò non è possibile per i termometri a capsula che hanno vita più limitata). Shock di deformazione possono venire anche da un brusco inserimento del termometro nellambiente di misura (preriscaldamento seguendo una rampa di temperature predefinita). Shock di deformazione possono venire anche da un brusco inserimento del termometro nellambiente di misura (preriscaldamento seguendo una rampa di temperature predefinita).

31 31 Va prevista unadeguata immersione, in parte per laccuratezza della misura, in parte per le dimensioni del sensore. Per verificare la sensibilità a questo aspetto è opportuno ripetere le misure con differenti profondità di immersione. Va prevista unadeguata immersione, in parte per laccuratezza della misura, in parte per le dimensioni del sensore. Per verificare la sensibilità a questo aspetto è opportuno ripetere le misure con differenti profondità di immersione.

32 32 Termometri primari: pirometri ad irraggiamento Si sfrutta la legge di Planck dellirraggiamento di un corpo nero. Posto L lirraggiamento monocromatico alla lunghezza donda e alla temperatura T 90, T 90 (X) la temperatura del punto di solidificazione dellargento, del ferro o del rame (3 punti fissi della scala), si ha: C2= mK VERIFICA DIMENSIONALE Non sono specificate regole di per una buona misura.

33 33 Il sistema oggetto di misure (corpo nero) è una cella contenete metallo allo stato di fusione: linterfaccia solido- liquido deve comprendere la maggior parte del sensore possibile. La conducibilità deve essere molto buona, nessuna finestra tra il pirometro e il corpo nero Fig.3.14 poi aggiungi dimensioni

34 34 Il limite attuale dei termometri a radiazione è dellordine di 0.1 K al punto dellargento, dove incontra il termometro al Pt (che però fornisce misure con incertezza di 0.01 K). A questo livello di incertezza il sensore adottato deve avere un comportamento da corpo nero con uno scostamento massimo di una parte su Questo significa fare unapertura molto piccola, il che però contrasta con la necessità di evitare errori ottici. La lunghezza donda utillizzata deve essere nota con unincertezza di 0.02 nm, la risposta in frequenza del misuratore di radiazione deve essere nota.

35 35 Sono impiegati due tipi di sistemi: comparatore: il corpo nero è confrontato con unaltra sergente radiante quindi è necessaria una stabilità limitata nel tempo comparatore: il corpo nero è confrontato con unaltra sergente radiante quindi è necessaria una stabilità limitata nel tempo uno standard che deve essere stabile nel tempo uno standard che deve essere stabile nel tempo Nessuno di questi sistemi è disponibile per lutente comune


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