Keičiantis temperatūrai, keičiasi skysčių ir kietų kūnų matmenys. Jei medžiagos matmenų kitimas yra daugiau ar mažiau tiesinis, ją galima naudoti temperatūros matavimams – tokiu būdu gaunamas kontaktinis temperatūros matavimo metodas. Skysčių plėtimasis panaudojamas skystiniuose termometruose (gyvsidabrio, alkoholio, pentanolio), dujų plėtimasis – dujiniuose termometruose (fizikų naudojama idealioji dujinė skalė), o kietų kūnų plėtimasis - bimetaliniuose termometruose (bimetaliniai termometrai, bimetaliniai temperatūros saugikliai).

Skystiniai termometrai

Skystiniai termometrai gaminami specialios formos stiklinėse talpose su specialiu skysčiu (dažniausiai gyvsidabriu, nors taip pat naudojamas alkoholis, pentanolis), kuris proporcingai temperatūros kitimui plečiasi arba traukiasi. Neturint specialios įrangos jų neįmanoma pagaminti su gerom metrologinėm charakteristikom, be to gaunama analoginė skalė.

Skystiniai termometrai gaminami tokiu principu – į vamzdelį su viename gale esančia kolbele pripilama specialaus temperatūros matavimui skirto skysčio. Kitas vamzdelio galas yra užlituojamas. Pilamo skysčio kiekis yra iš anksto paskaičiuojamas – jis priklauso nuo vamzdelio ir kolbelės tūrio bei sugraduotos skalės žingsnio. Skalė graduojama išilgai stiklinio vamzdelio.

Dažniausiai praktikoje taikoma skysčių (gyvsidabrio arba alkoholio) tūrio kitimo priklausomybė nuo temperatūros. Gyvsidabris naudojamas temperatūros matavimui nuo -35˚C iki 300˚C. Aukštesnėje temperatūroje jis ima virti. Virimo temperatūrą galima padidinti panaudojus azoto dujas – panaudojant slėgį jomis užpildomas termometro vamzdelis. Azotas lėtina gyvsidabrio virimą, todėl atsiranda galimybė matuoti aukštesnes temperatūras.
Vietoj gyvsidabrio taip pat naudojama spiritinis termometras (nuo -80 ˚C iki +80˚C), pentaniniai (C5H12) nuo -200˚C iki +35˚C. Tuo tarpu naudoti vandenį vietoj termometro skysčio negalima – kylant temperatūrai vandens tūris iš pradžių mažėja (vanduo traukiasi), paskui auga (vanduo plečiasi), vadinasi neįmanoma tiesiškai sugraduoti termometro skalės.

Gyvsidabrio pavojus

Nors pagal gaunamą diapazoną pats tinkamiausia skystiniui termometrui medžiaga yra gyvsidabris, jis visdėlto yra labai pavojingas sveikatai. Galima apsinuodyti net nuo vieno sudužusio termometro. Gyvsidabrio garai į žmogaus organizmą patenka per kvėpavimo takus, virškinamąjį traktą, odą ir gleivines. Gyvsidabris sukelia ūmų arba lėtinį apsinuodijimą. Pirmieji apsinuodijimo požymiai: silpnumas, galvos skausmas, pykinimas, vėmimas, seilėtekis, metalo skonis burnoje, kartais pilvo skausmai ir kraujingas viduriavimas. Pastebėjus apsinuodijimo gyvsidabriu požymius, rekomenduojama gerti vandens su aktyvuota anglimi, vandens su kiaušinio baltymu ir stengtis viską išvemti. Apsinuodijusius būtina kuo greičiau nugabenti į gydymo įstaigą.

Jei netyčia sudužo termometras ir gyvsidabris pasklido ant stalo ar grindų, negalima valyti jo šluoste - gyvsidabris pasklis tik dar plačiau ir taip padidės jo garavimo paviršius. Gyvsidabriui rinkti reikalingas butelis su vandeniu ir sandariu kamščiu, lazdelė, guminė kriaušė, storesnio popieriaus lapas, lipni juosta arba klijais pateptas popieriaus lapas, kalio permanganato tirpalas. Pačius didžiausius rutuliukus lazdele reikia sustumti ant popieriaus ir supilti į butelį. Paskui gumine kriauše susiurbti mažesnius rutuliukus, o pačius mažiausius lašelius surinkti su lipnia juosta ar klijais suteptu popieriumi. Visą surinktą gyvsidabrį supilti į butelį su vandeniu ir sandariai uždaryti. Paviršių, ant kurio išsipylė gyvsidabris, reikia nuvalyti kalio permanganato tirpalu, patalpas išplauti ir gerai išvėdinti.

Skystinių termometrų gradavimas

Graduojant termometrą pradiniu tašku (0) paprastai laikoma ledo tirpimo temperatūra, kai slėgis normalus, o antruoju pastoviuoju tašku (100) - vandens virimo temperatūra, taip pat kai slėgis normalus (Celcijaus skalė). Intervalas tarp 0 ir 100 dalijamas į 100 lygių dalių. Šimtoji intervalo dalis vadinama laipsniu. Skysčio stulpelio poslinkis viena padala atitinka temperatūros pokytį 1°C.
Kadangi skirtingi skysčiai kaitinami plečiasi nevienodai, tai aprašytu būdu nustatyta skalė priklausys nuo skysčio savybių. Visų termometrų parodymai sutaps tik tada, kai temperatūra bus lygi 0°C arba 100°C, o, pavyzdžui, 50°C parodymai bus skirtingi.
Kokią medžiagą parinkti termometrui, kad būtų galima išvengti tokios priklausomybės? Buvo pastebėta, kad visos praretintos dujos - vandenilis, helis, deguonis - kitaip negu skysčiai, kaitinamos plečiasi vienodai ir vienodai keičia savo slėgį temperatūrai kintant. Todėl fizikoje racionaliai temperatūros skalei nustatyti pritaikomas tam tikro praretintų dujų kiekio, kurio tūris lieka pastovus, slėgio pakitimas, arba tūrio pasikeitimas, išlaikant pastovų slėgį. Ši skalė vadinama idealiąja dujine temperatūrų skale. Ja naudojantis išvengiama dar vieno esminio Celsijaus skalės trūkumo - atskaitos pradžios, t.y. nulinės temperatūros, pasirinkimo. Juk atskaitos pradžia galima laikyti tiek ledo tirpimo, tiek vandens virimo temperatūrą ir pan.

Bimetaliniai termometrai

Bimetaliniai termometrai susideda iš dviejų standžiai sujungtų metalinių plokštelių, kurių temperatūriniai plėtimosi koeficientai skiriasi.

Daugumos metalų linijinio plėtimosi koeficientas yra apie 10-5 K-1. Dėl temperatūros pokyčio plokštelių matmenys keičiasi nevienodai, todėl jos išlinksta į vieną arba į kitą pusę . Išlinkusios plokštelės profilis yra cilindrinis, o kreivumo spindulys r atvirkščiai proporcingas temperatūros pokyčiui (1):

                                   (1)

čia b yra plokštelės storis, o αA ir αB - plokštelių A ir B temperatūriniai linijiniai plėtimosi koeficientai.

Paprastai viena plokštelė gausinama iš medžiagos, pavyzdžiui, invaro - 64% plieno ir 36% nikelio lydinio, kurios plėtimosi koeficientas artimas nuliui, o kita - iš žalvario arba kito metalo, turinčio pakankamą plėtimosi koeficientą. Pavyzdžiui, invaro temperatūrinis plėtimosi koeficientas 25°C temperatūroje yra tik 0,07•10-6 K-1, o lydinio, kuriame Ni yra 26 %, šis koeficientas padidėja iki 10•10-6 K-1. Plokštelės išlinkis mechaniškai perduodamas rodyklei, kurios nukrypimas proporcingas plokštelės temperatūrai. Patogiausia išlinkį perduoti spiralės pagalba:

Tokie termometrai naudojami temperatūrų diapazone nuo -150 iki +1000°C, o matavimo paklaida siekia 0,5... 1,5%. Bimetalinei termometrai paprastai turi rodiklines skales:

Bimetaliniai termometrai taip pat plačiai naudojami temperatūros valdymo sistemose, kuriose jie veikia kaip raktai, tam tikroje temperatūroje įjungiantys arba išjungiantys elektrinę valdymo grandinę. Žemiau pateikta bimetalinio raktinio termometro veikimo schema - temperatūrai viršijus tam tikrai ribai, bimetalinės plokštelės išsilenkia ir atjungia elektrinius kontaktus 

Naudota literatūra:

• 1. R. Kažys, Neelektrinių dydžių matavimo metodai., Kaunas, Technologija, 1997.
• 1.3. Методы измерения температуры 
  http://fn.bmstu.ru/phys/bib/physbook/tom2/ch1/texthtml/ch1_3_text.htm
  

Komentarai (2)