4. Ph−ơng pháp nghiên cứu
2.2.5.Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ là một dụng cụ chuyên biệt, đ−ợc dùng để đo và khống chế nhiệt độ. Đây một ph−ơng thức đo l−ờng không điện, đo và khống chế nhiệt độ đ−ợc chia thành nhiều giải nhiệt độ khác nhau có thể là đo và khống chế nhiệt độ ở giải nhiệt độ thấp, đo và khống chế nhiệt độ ở giải nhiệt độ trung bình, cũng có thể là đo và khống chế nhiệt độ ở giải nhiệt độ cao.
Trong tất cả các đại l−ợng vật lý thì nhiệt độ là một trong những đại l−ợng đ−ợc quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại l−ợng chịu ảnh h−ởng của nó. Bởi vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết.
Tuy nhiên, để đo đ−ợc trị số chính xác của nhiệt độ là một vấn đề rất phức tạp. Phần lớn các đại l−ợng vật lý đều có thể xác định một cách định l−ợng nhờ so sánh chúng với một đại l−ợng cùng bản chất đ−ợc gọi là đại l−ợng so sánh. Những đại l−ợng nh− thế gọi là đại l−ợng mở rộng bởi vì chúng có thể xác định bằng bội số hoặc −ớc số của đại l−ợng chuẩn. Ng−ợc lại, nhiệt độ là một đại l−ợng gia tăng nên việc nhân và chia nhiệt độ không có một ý nghĩa vật lý rõ ràng. Bởi vậy, nghiên cứu cơ sở vật lý để thiết lập thang đo nhiệt độ là một vấn đề rất cần thiết.
* Thang đo nhiệt độ: các tính chất vật lý của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng. Từ sự thay đổi nhiệt của một đặc tr−ng vật lý của vật liệu cho tr−ớc ng−ời ta luôn luôn có thể xác định một thang nhiệt độ cho phép đo nhiệt độ và đặc biệt là nhận biết sự cân bằng của hai nhiệt độ. Tuy vậy, thang nhiệt độ nh− thế là hoàn toàn tuỳ tiện bởi vì nó liên quan đến một tính chất đặc biệt của một vật thể đặc biệt, nó không cho phép gán cho giá trị nhiệt độ một ý nghĩa vật lý riêng. Chỉ có xuất phát từ các định luật nhiệt động học mới có thể xác định thang nhiệt độ có đặc tr−ng tổng quát.
Các thang nhiệt độ tuyệt đối đ−ợc xác định t−ơng tự nh− nhau và dựa trên các tính chất của chất khí lý t−ởng. Định luật Carnot nêu rõ: hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn (với nhiệt độ θ1 và nhiệt độ
2
θ t−ơng ứng), trong một thang đo bất kỳ, chỉ phụ thuộc vào θ1 và θ2:
( ) ( )12 F F θ η θ = (2-1)
Nh− vậy, hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ng−ợc lại, việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F( )θ =T khi đó sẽ xác định đ−ợc T nh− là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch đ−ợc viết nh− sau:
2 1 1 T T − = η (2-2)
Trong đó: T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn. Mặt khác ta cũng biết, chất khí lý t−ởng đ−ợc xác định bởi: nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí, ph−ơng trình đặc tr−ng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ θ nh− sau:
p.v = G(θ ) (2-3)
Ngoài ra cũng có thể chứng minh đ−ợc là:
G(θ ) = RT (2-4)
Trong đó: R là hằng số của chất khí lý t−ởng. Giá trị R của một phân tử gam chất khí chỉ phụ thuộc vào đơn vị đo nhiệt độ. để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ. Muốn vậy chỉ cần gán một giá trị số cho nhiệt độ t−ơng ứng với một hiện t−ợng nào đó với điều kiện là hiện t−ợng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại.
+ Thang đo nhiệt độ động học tuyệt đối: thang Kelvin ( đơn vị là 0K) trong thang đo này ng−ời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái n−ớc- n−ớc đá- hơi một giá trị số bằng 273,150K. Từ thang nhiệt độ động học tuyệt đối ng−ời ta đã xác định đ−ợc các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ.
+ Thang Celsius: trong thang này đơn vị nhiệt độ là (0C). Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin đ−ợc xác định bởi biểu thức sau:
T(0C) = T(0K) - 273,15 (2-5)
+ Thang Fahrenheit: đơn vị đo nhiệt độ là Fahrenheit (0F). Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius với nhiệt độ Fahrenheit xác định bởi biểu thức sau:
( ) ( ){ } 9 5 32 0 0C = T F − T (2-6) ( ) ( ) 32 5 9 0 0F = T C + T (2-7)
Bảng 3.1 d−ới đây ghi các giá trị t−ơng ứng của một số nhiệt độ quan trong ở các thang đo khác nhau.
Bảng 2.1 Nhiệt độ Kelvin (0K) Celsius (0C) Fahrenheit (0F)
Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67
Hỗn hợp n−ớc-n−ớc đá 273,15 0 32
Cân bằng n−ớc-n−ớc đá-hơi n−ớc 273,16 0,01 32,018
N−ớc sôi 373,15 100 212
Thực tế có rất nhiều ph−ơng pháp đo nhiệt độ khác nhau, trong đó để có thể đo trực tiếp giá trị nhiệt độ thì ng−ời ta th−ờng sử dụng một số ph−ơng pháp d−ới đây.