6.3 Lämpötilan mittaus

Lämpötila

Lämpötilan mittaus on yksi tärkeimmistä mittaussuureista, sillä luonnon ilmiöt ovat tavalla tai toisella lämpötilasta riippuvaisia. Esimerkiksi kemian- ja prosessiteollisuudessa lämpötilan luotettava tunteminen on välttämätöntä, koska miltei kaikkien kemiallisten ja fysikaalisten prosessien kulku riippuu lämpötilasta.

Lämpö on lämpötilaerosta johtuvaa energian siirtymistä lämpimästä kappaleesta viileämpään kappaleeseen. Lähde 

Lämmön eli lämpömäärän tunnus on Q ja sen SI-yksikkö on energian yksikkö joule (J).

Kappaleen vastaanottama tai luovuttama lämpö nostaa tai laskee yleensä sen lämpötilaa. Lähde

Lämmön siirtyminen tapahtuu spontaanisti aina korkeammasta lämpötilasta matalampaan eli lämpimästä kylmään. Tämän ilmaisee termodynamiikan toinen pääsääntö, jonka mukaan lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan.

Lämpö voi siirtyä kolmella eri mekanismilla, jotka ovat johtuminen, säteily ja kuljetus eli konvektio.

Johtuminen eli konduktio on lämmön siirtymistä aineen sisällä. Lämpö voi siirtyä johtumalla myös aineesta toiseen, mikäli aineet ovat kosketuksissa toisiinsa.

Säteilyllä tarkoitetaan fysiikassa hiukkasten tai energian siirtymistä säteilylähteestä ympäristöön tai kohteeseen. Lämpösäteily on kappaleen pinnalta lähtevää sähkö­magneettista säteilyä, jonka teho on suoraan verrannollinen pinnan absoluuttisen lämpö­tilan neljänteen potenssiin ja riippuu myös pinnan säteilyominaisuuksista. Huoneenlämpöisen kappaleen säteily on infrapunasäteilyä, mutta hehkuvan kuuma kappale lähettää myös näkyvää valoa. Osuessaan toiseen kappaleeseen säteily absorboituu kokonaan tai osittain ja lämmittää vuorostaan sitä.

Konvektio eli kuljetus on lämmön siirtymistä virtaavan aineen eli fluidin mukana. Niin sanottu vapaa konvektio aiheutuu lämpötilaerosta, joka aiheuttaa tiheyseroja Konvektiosta on kysymys myös, kun lämmitettyyn rakennukseen tulee oven tai ikkunan raosta kylmää ilmaa eli vetoa ja sieltä virtaa lämmintä ilmaa pois. Niin kutsutussa pakotetussa konvektiossa kaasu tai neste saatetaan liikkeeseen esimerkiksi puhaltimen tai pumpun avulla, jolloin konvektiokerroin (lämmönsiirron tehokkuus pinnan ja kaasun/nesteen välillä) on huomattavasti korkeampi kuin vapaassa konvektiossa. Keino­tekoisesti aikaan­saatua lämmön kuljetusta käytetään hyväksi kauko­lämmityksessä.

Lämpötila-asteikot

"Lämpötilan tapauksessa kaksi yleistä mittaria ovat Kelvin- ja Celsius-asteikko.

Kelvin-asteikkoa käytetään usein fysiikassa hyvin pienen lämpötilan mittaamiseen. Kelvin-asteikon tapauksessa asteikolla on absoluuttinen nollapiste 0 °K (–273 °C), jota pienemmäksi lämpötila ei voi pudota. Kelvin-asteikko on siis suhdelukuasteikko. 

Myös Celsius-asteikko sisältää nollan, mutta se ei ole sama kuin absoluuttinen Kelvin-asteikon nollapiste. Celsius-asteikon nollassa vesi jäätyy, mutta nollaa pienemmät celsiusasteet ovat mahdollisia. Celsius-asteikon määrittelyyn tarvitaan lisäksi veden kiehumispiste, joka määritellään 100 celsiusasteeksi.

Celsius-asteikko on välimatka-asteikko, sillä absoluuttista nollaa ei ole ja celsiusasteiden suhteita ei ole järkevää käyttää. Esimerkiksi 100 °C ei ole kaksi kertaa suurempi lämpötila kuin 50 ºC. Celsiusasteet voidaan aina muuntaa kelvinasteiksi ja päinvastoin, joten mitta-asteikko saadaan tarvittaessa vaihdettua." Lähde

Fahrenheit (F)

Asteikko on käytössä englanninkielisissä maissa, mm. USA

Asteikon kiintopisteet: 

• jää-vesi-ammoniakkisuolaliuoksen lämpötila :  0 °F

• terveen ihmisen ruumiinlämmön lämpötila : 96 °F

• jää-vesiliuoksen lämpötilalla:  32 °F

Celsius (°C)

Asteikon kiintopisteet: 

• jään sulamispiste

• veden kiehumispiste normaalipaineessa

Kelvin (K)

Kelvin on SI-järjestelmän mukainen lämpötilan perussuure.

Asteikon kiintopisteet:  

• absoluuttinen nollapiste 

• veden kolmoispiste, jonka lämpötilaksi määriteltiin 273,16 K.  (= 0,01 °C )

Termodynamiikkaa

Taustatehtävä: Katso alla olevat luentovideot ja kerätkää tietoa alla olevien kysymysten avulla  termodynamiikkaan liittyen. Yhden videon kesto on n.10 min.

1. Nimeä 3 faasia, mistä faasien olomuoto johtuu?

2. Kerro lämpöenergian suunta (pos/neg) nesteen sulaessa ja jähmettyessä.

3. Kerro lämpöenergian suunta (pos/neg) kaasun höyrystyessä ja tiivistyessä.

4. Selitä nollas termodynamiikan sääntö omin sanoin?

5. Miten nollas termodynamiikan sääntö vaikuttaa lämpötilan mittauksessa?

Taustatehtävä 2:

 Raution Janin ja Haapalehdon Samin töissä kerrotaan lämpötilanmittauksiin liittyvästä insinöörityöstä. Kerätkää tietoa alla olevine kysymysten avulla lämpötilan mittauksiin liittyen.

1. Mitä ovat lämpötilan mittaukset ja mittauskohteet?

2. Mitä luonnonlakeja em. mittauksissa sovelletaan ja mitä laitteen parametreja tulee virittää laitteiden käyttöönotossa ja virityksessä?

3. Mitä opinnäytetöiden perusteella insinööri tekee teollisuudessa lämpötilamittauksiin liittyen?

Lähteet: 

https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/102948/Rautio_Jani.pdf?sequence=1&isAllowed=y

https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/149693/Haapalehto_Sami.pdf?sequence=1&isAllowed=y