TERMOMETRIA

Dział metrologii zajmujący się metodami pomiaru temperatury, tj. standaryzacją pomiaru, budową termometrów, problemami wzorcowania, skalami temperatury itp.

1. Pomiar temperatury:

Pomiar temperatury może być realizowany na wiele sposobów. W zależności od interakcji pomiędzy badanym obiektem pomiarowym a czujnikiem pomiarowym wyróżnić można:

a) pomiar dotykowy (pomiar kontaktowy) - czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego temperaturę mierzymy

b) pomiar bezdotykowy (pomiar bezkontaktowy) - poprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało (promieniowanie cieplne) np. długości fali, ilości emitowanej energii przez obiekt.

W zależności od wykorzystanych do pomiaru własności fizycznych czujnika pomiarowego, wyróżnić można pomiar z wykorzystaniem zjawiska:

a) odkształcenia bimetalu,

b) wytwarzania napięcia elektrycznego na styku dwóch metali (termopara) w różnych temperaturach,

c) zmiany rezystancji elementu (termistor),

d) zmiany parametrów złącza półprzewodnikowego (termometr diodowy)

e) zmiany objętości cieczy, gazu lub długości ciała stałego (termometr, termometr cieczowy),

f) parametrów promieniowania cieplnego ciała np. Pirometr,

g) zmiana barwy - barwa żaru, barwa nalotowa stali, farba zmieniająca kolor pod wpływem temperatury,

h) stożki Segera.

2. Pirometr - przyrząd pomiarowy służący do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała.

Pirometr - przyrząd pomiarowy służący do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała.

Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne o podobnej charakterystyce zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego.

Proste pirometry mierzą ilość energii emitowanej poprzez pomiar temperatury elementu, na który pada promieniowanie. Do pomiaru temperatur powyżej 600°C używane są pirometry optyczne, w których jasność świecenia badanego obiektu jest porównywana z jasnością obiektu wzorcowego (np. żarnika).

W pirometrach najwyższej klasy mierzących w zakresie niskich temperatur stosuje się optykę zwierciadlaną, analogiczną do stosowanej w aparatach fotograficznych - tzw. lustrzankach. W pirometrach, w których zastosowano optykę zwierciadlaną nakierowanie pirometru na pole pomiarowe odbywa się w taki sam sposób w tradycyjnych aparatach fotograficznych - operator przez okienko widzi obiekt. W niektórych rozwiązaniach na czas pomiaru włącza się wskaźnik laserowy. Problem z właściwym ustawieniem pirometru nie występuje w pirometrach światłowodowych w których promieniowanie wnika do światłowodu przy powierzchni promieniującej.

W pirometrach stosuje się dwie grupy detektorów: termiczne i fotoelektryczne.

Pirometr używany jest między innymi przez straż pożarną do mierzenia temperatury w sytuacji braku możliwości podejścia do źródła ciepła.

3. Rodzaje pirometrów:

a) Pirometry radiacyjne - ten rodzaj pirometru działa na takiej zasadzie, że wykorzystuje on zależność jaka występuje pomiędzy emitowanym promieniowaniem cieplnym (dokładniej jego natężeniem), a temperaturą. Bada się tutaj całkowitą ilość energii wypromieniowanej w danej jednostce czasu. Tutaj wykorzystywane jest prawo Stefana-Boltzmanna.

Prawo Stefana-Boltzmanna opisuje całkowitą moc wypromieniowywaną przez ciało doskonale czarne w danej temperaturze. Zostało opracowane w 1879 przez Jožefa Stefana i Ludwiga Boltzmanna.

Ciało doskonale czarne – pojęcie stosowane w fizyce dla określenia ciała pochłaniającego całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne, niezależnie od temperatury tego ciała, kąta padania i widma padającego promieniowania. Współczynnik pochłaniania dla takiego ciała jest równy jedności dla dowolnej długości fali.

Ciało doskonale czarne nie istnieje w rzeczywistości, ale dobrym jego modelem jest duża wnęka z niewielkim otworem, pokryta od wewnątrz czarną substancją (np. sadzą). Powierzchnia otworu zachowuje się niemal jak ciało doskonale czarne – promieniowanie wpadające do wnęki odbija się wielokrotnie od jej ścian i jest niemal całkowicie pochłaniane, natomiast parametry promieniowania wychodzącego z jej wnętrza zależą tylko od temperatury wewnątrz wnęki.

b) Pirometry monochromatyczne - są zwane także pirometrami ze znikającym włóknem. Pirometry monochromatyczne nie nadają się do mierzenia temperatury w miejscach gdzie się ona zmienia dosyć szybko.

c) Pirometry pasmowe (inaczej fotoelektryczne) - w tych pirometrach wykorzystuje się fakt istnienia zależności pomiędzy temperaturą a ilością wyemitowanego promieniowania o określonej długości fali.

d) Pirometry dwubarwne - mierzą temperaturę w dwóch rodzajach fal.

4. Stożki segera:

Stożki wykonane z odpowiednich materiałów ceramicznych o znanej temperaturze mięknięcia, służą do przybliżonego określania temperatury w zakresie 900-2300 K. Z chwilą, gdy mierzona temperatura osiągnie wartość mięknięcia materiału z którego wykonany jest stożek, jego wierzchołek zgina się dotykając podstawy.

5. Oznaczanie temperatury topnienia:

Temperatura topnienia jest jedną z charakterystycznych właściwości fizycznych stałych związków organicznych oraz dobrym kryterium oceny ich czystości. Krystaliczne, czyste związki organiczne topią się na ogół w wąskim, zakresie temperatur 1 - 2 °C.

Substancja do oznaczania temperatury topnienia musi być sucha i drobno sproszkowana. Uzyskuje się to przez utarcie jej w małym moździerzu (najlepiej agatowym) lub bagietką na szkiełku zegarkowym. Tak przygotowaną substancję wprowadza się do kapilary zatopionej z jednego końca w ten sposób, że jej otwartym końcem nabiera się niewielką ilość sproszkowanej substancji, a następnie po odwróceniu kapilary, postukuje się nią o twarde podłoże, tak aby ubić substancję na jej dnie. Dobrym sposobem ubicia substancji w kapilarce jest kilkakrotne wrzucenie jej do ustawionej pionowo i opartej na twardym podłożu szklanej rurki. Wysokość słupa substancji w kapilarze powinna wynosić ok. 2-4 milimetrów. Tak przygotowaną kapilarę umieszcza się w aparacie. Do pomiaru temperatury topnienia używa się różnego typu aparatów, gdzie termometr i kapilarę umieszcza się w otworach metalowego bloczka ogrzewanego elektrycznie. Pomiar prowadzi się, obserwując zmiany temperatury (wskazywane przez termometr lub wyświetlane na ekranie) a przez wizjer wyposażony w soczewkę topnienie badanej substancji. Wyższej klasy aparaty pozwalają z reguły programować temperaturę i szybkość ogrzewania co bardzo ułatwia przeprowadzenie pomiaru.

Można też oznaczyć temperaturę topnienia pojedynczych kryształów pod specjalnym mikroskopem wyposażonym w ogrzewany stolik i układ optyczny pozwalający obserwować jednocześnie termometr i badaną substancję.

Dokładność pomiaru temperatury topnienia zależy w dużym stopniu od szybkości ogrzewania kapilary (lub pojedynczych kryształów), dlatego pierwszy pomiar przeprowadza się zazwyczaj szybko dla uzyskania przybliżonego wyniku, a w kolejnym oznaczeniu, w pobliżu temperatury topnienia, ogrzewanie prowadzi się, tak aby temperatura przyrastała nie szybciej niż 2-3°C na minutę.

Niektóre związki organiczne topią się z rozkładem, co można poznać po wydzielaniu się banieczek gazów w kapilarze i rozszerzeniu zakresu temperatury topnienia.

Porównując oznaczoną temperaturę topnienia związku organicznego (np. otrzymanego preparatywnie) z temperaturą topnienia podaną w literaturze (praca oryginalna, kalendarz chemiczny, przepis preparatywny), można ocenić czystość i tożsamość produktu. Należy jednak pamiętać, że wiele różnych związków organicznych posiada zbliżone lub wręcz identyczne temperatury topnienia, tak więc sama wartość temperatury topnienia nie może być dowodem tożsamości substancji.

6. Oznaczanie temperatury wrzenia:

Miarą czystości cieczy jest jej temperatura wrzenia, którą można oznaczyć w procesie destylacji. Dla niewielkich ilości cieczy jej temperaturę wrzenia można oznaczyć następująco: W aparacie Thielego wypełnionym olejem silikonowym umieszcza się termometr z przymocowaną małą probówką, której dno znajduje się na poziomie zbiornika rtęci termometru. Do probówki wlewa się około 0,5 cm3 badanej cieczy i zanurza w niej, otwartym końcem, zatopioną z jednej strony kapilarkę. Zestaw ogrzewa się powoli małym, nie świecącym (ale bez stożka) płomieniem palnika, poruszając nim tak aby płomień przesuwał się po powierzchni szkła bocznej rurki aparatu Thilego, aby nie dopuścić do miejscowego przegrzania.

W probówce z kapilarą można wyróżnić dwie powierzchnie cieczy – otwartą do atmosfery oraz zamkniętą, znajdującą się wewnątrz kapilary. Nad cieczą znajduje się para o prężności charakterystycznej dla danej cieczy i temperatury. Znad powierzchni pary wydostają się poza obręb probówki, natomiast nad powierzchnią wytwarza się po pewnym czasie w kapilarce para nasycona.

Ogrzewanie cieczy powoduje zwiększone jej parowanie, co prowadzi do wzrostu objętości gazu w kapilarce (ciśnienie jest stałe) i wydostawania się banieczek par z kapilarki. Po osiągnięciu temperatury wrzenia prężność par cieczy jest równa ciśnieniu zewnętrznemu, a w kapilarce, nad powierzchnią znajdują się już tylko pary cieczy. Lekkie przekroczenie temperatury wrzenia badanej cieczy przez otaczający probówkę pomiarową olej silikonowy (temperatura badanej cieczy po osiągnięciu przez nią temperatury wrzenia już się nie zmienia, a całość dostarczanej energii jest zużywana na jej odparowywanie) powoduje gwałtowne jej wrzenie, przejawiające się intensywnym wydzielaniem par z kapilarki wskutek intensywnego parowania nad powierzchnią. Wtedy przerywa się ogrzewanie i olej zaczyna się ochładzać, a szybkość wydzielania baniek par maleje (zmniejsza się różnica temperatury pomiędzy otaczającym probówkę olejem a badaną cieczą, co skutkuje obniżeniem ilości energii dostarczanej do badanej cieczy i zmniejszeniem jej parowania). Gdy ustanie wydzielanie banieczek (następuje zrównanie temperatury oleju i badanej cieczy w probówce pomiarowej), ciśnienie par w kapilarce jest równe ciśnieniu zewnętrznemu i temperatura zaobserwowana w tym momencie na termometrze odpowiada definicyjnej temperaturze wrzenia cieczy. Dalsze niewielkie oziębienie cieczy i par w kapilarce powoduje ich skroplenie i gwałtowny spadek ciśnienia w kapilarce. Wtedy ciśnienie zewnętrzne wciska ciecz do kapilary, aż do wyrównania ciśnień. Zjawisko to zachodzi gwałtownie w temperaturze nieco niższej od rzeczywistej temperatury wrzenia, ale ponieważ jest bardzo łatwe do zaobserwowania, a różnica temperatur jest niewielka, przyjęto tę temperaturę jako praktyczną temperaturę wrzenia oznaczaną tą metodą.

7. Temperatura krzepnięcia:

Temperatura, w której następuje zjawisko fizyczne krzepnięcia, definiowana także jako temperatura, w jakiej fazy ciekła i stała są ze sobą w równowadze. Temperatura krzepnięcia substancji może być niższa od temperatury topnienia.

Przy odpowiedniej czystości substancji schładzanej i pod pewnymi warunkami jest możliwe schłodzenie substancji w postaci ciekłej poniżej jej temperatury krzepnięcia. Ciecz taka nosi nazwę cieczy przechłodzonej. Zapoczątkowanie krzepnięcia (przez dostarczenie centrów krystalizacji) powoduje nagłe skrzepnięcie całej objętości cieczy i jej nagłe ogrzanie do temperatury, w jakiej ciecz normalnie by zakrzepła.