Ю. Посудін. Моніторинг довкілля з основами метрології Лекція 4 ТЕМПЕРАТУРА

1. Ю. Посудін. Моніторинг довкілля з основами метрологіїЛекція 4ТЕМПЕРАТУРА • Температура фізична величина, що характеризує стан термодинамічної рівноваги макроскопічної системи. Yuriy Posudin Environmental Monitoring with Fundamentals of Metrology Lecture 4 TEMPERATURE

2. Один із перших термометрів “флорентійский термоскоп” (1610 р.) містив у трубці воду або вино. Великий герцог Тоскани, Фердинанд ІІ, запропонував спирт як робочу речовину термометра, який мав 50 поділок, але не мав нуля. Далі  датський астроном Реомюр (Ole Roemer) у 1743 р. запропонував шкалу між температурою танення льоду (0 0R) та температурою кипіння води (80 0R). Історія розробки температурних шкал

3. Шкала Фаренгейта • Німецький виробник інструментів Фаренгейт (Daniel Gabriel Fahrenheit) у 1724 р. розробив температурну шкалу на основі розміщення термометра у: • 1) суміші морської солі, льоду та води (0 0F); • 2) цієї ж суміші, але без солі (30 0F); • 3) у ротовій порожнині здорової людини (96 0F) Температура кипіння води на цій шкалі відповідала 212 0F, а замерзання 32 0F. Останній інтервал було поділено на 180 поділок  градусів Фаренгейта.

4. Шкала Фаренгейта 180 поділок

5. У 1745 р. Цельсій (Anders Celsius) зі Швеції застосував шкалу між температурою танення льоду (0 0С) та температурою кипіння води (100 0С). Ця шкала отримала назву Міжнародної стоградусної шкали (Цельсія). Шкала Цельсія

6. У 1848 р. Кельвін (Lord Kelvin, William Thompson) розробив Термодинамічну температурну шкалу (Кельвіна), в основу якої було покладено використання потрійної точки речовин  точки на діаграмі стану, що відповідає рівноважному існуванню трьох фаз речовин. Так, потрійна точка води дорівнює 273,16 К, а температура кипіння води 373,16 К. Шкала Кельвіна

7. Одиниці температури 0C = К  273,15; К = 0C + 273,15; 0C = 5/9(0F  32); 0F = 9/50C + 32.

8. Температура атмосфери

9. Тропосфера • Термін тропосфера походить від грецького слова tropos, що означає “змішувати”. • У цьому шарі, що знаходиться на висоті близько 10 км, відбувається вертикальне перемішування повітря завдяки нагріванню земної поверхні короткохвильовим сонячним випромінюванням. • Молекули двоокису вуглецю СО2, метану СH4, закису азоту N2O та інших поглинають довгохвильове випромінювання земної поверхні та нагріваються. • В тропосфері температура зменшується з висотою через переміщення повітря в горизонтальному напрямку.

10. Стратосфера • Стратосфера займає область 1050 км. Ультрафіолетова компонента сонячного випромінювання здатна розщепити молекулу кисню О2на синглетний кисень О, що взаємодіє з О2 та утворює О3.Температура стратосфери збільшується з висотою. • У температурному режимі стратосфери відіграє роль озон О3, якийпоглинає короткохвильове сонячне випромінювання, що викликає нагрівання стратосфери. Озоновий шар займає область висот 1050 км з максимумом на висоті 2025 км.

11. Мезосфера • У мезосфері (від грецького mesos  середній), що займає область висот 5085 км, температура зменшується з висотою, оскільки тут відбувається значне перемішування повітря завдяки вітру, швидкість якого досягає 150 м/с.

12. Термосфера • У термосфері (від грецького thermos  теплота), в області 85640 км та екзосфері (від грецького exo  зовні), в області5001000 км температура зростає з висотою за рахунок високої кінетичної енергії молекул газів, що обумовлена поглинанням високоенергетичного сонячного випромінювання залишками кисню. • Температура частинок термосфери може досягати 2000 0С, хоча там існує велика розрідженість повітря. Ультрафіолетове сонячне випромінювання викликає іонізацію молекул (іоносфера). Висока енергія частинок дає можливість покидати атмосферу.

13. Температура грунту • Температура ґрунту залежить від таких факторів як • теплообмін з повітрям (теплопровідність і конвекція); • тепловипромінювання; • рослинні покриви; • такі процеси, як випаровування, зволоження, конденсація. • Важливим фактором, який впливає на тепловий потік, що надходить у ґрунт, є колір останнього.

14. T(z,t) = T +A(0)exp(– z/D)sin[(t – 8) – z/D] Розподіл температури ґрунту з часом

15. T(z,t) = T A(0)exp(-z/D) де T - середня температура ґрунтової поверхні, А(0) – амплітуда зміни температури на поверхні, D – глибина загасання (D = 0,1 м для вологого ґрунту і D = 0,03-0,06 м длясухого ґрунту ). Розподіл температури ґрунту з глибиною

16. Температура водойм • Теплоємність води в 27 разів перевищує теплоємність ґрунту. • Крім того, температурний режим водойми визначається сонячним випромінюванням, яке проникає в глибину і нагріває воду. • В цілому, в водному середовищі через високу теплоємність не відбуваються різкі зміни температури; температурні умови тут більш стабільні, ніж на суші.

17. Здатність води проводити тепло характеризується коефіцієнтом теплопровідності, який дорівнює 0,599 Втм-1К-1 при 20 0С і перевищує коефіцієнт теплопровідності повітря (0,0257 Втм-1К-1 при 20 0С). Завдяки цьому між сухим ґрунтом (коефіцієнт теплопровідності якого дорівнює 0,125–0,209 Втм-1К-1 при 20 0С) та вологим повітрям атмосфери утворюється теплоізоляційний шар сухого повітря, який сприяє виникненню парникового ефекту. Вплив теплопровідності Вологе повітря 0,599 Втм-1К-1 Сухе повітря 0,0257 Втм-1К-1 Сухий ґрунт 0,125–0,209 Втм-1К-1

18. Річки з повільною течією та озера • У річках з повільною течією та озерах влітку поверхневі води нагріваються скоріше, ніж глибинні шари. Теплові випромінювання поглинаються шаром води завтовшки 12 м. • Цей верхній теплий шар називається епілімніоном, тоді як холодний нижній гіполімніоном. • Між ними розташований проміжний шар металімніон, в якому температура змінюється дуже швидко при невеликих змінах глибини. • Наявність таких шарів призводить до утворення температурного градієнта. Від грецького слова Λίμνη limnee - «озеро"

19. Теплова стратифікація по глибині озера

20. Повітря - 0,0257 Вода - 0,627 Теплопровідність,Вт∙м-1∙К-1

21. Сонце можна порівняти з абсолютно чорним тілом, температура якого дорівнює 6000 К. Спектральна область сонячного випромінювання становить 2005000 нм; максимум випромінювання припадає на 500 нм. Земна поверхня діє як абсолютно чорне тіло з температурою 288 К. Спектральна область випромінювання становить 450 мкм з максимумом 10 мкм. Випромінювальна здатність Сонця та Землі

22. Криві випромінювання Сонця та Землі

23. Географічний розподіл сонячного випромінювання визначає відповідний розподіл температури повітря. На розподіл температури впливає неоднаковість нагрівання суходолу та водної поверхні, віддаленість даної території від океану, переміщення повітряних мас, морські течії, рельєф місцевості, хмарність та альбедо. Географічний розподіл температури

24. Максимальну температуру 58 0С було зареєстровано в Ель Азизія (Лівія) на краю пустелі Сахара 13 вересня 1922 року. Мінімальна температура −89,6 0С була відзначена на станції Восток в Антарктиді 21 липня 1983 року. Цікавовідзначитисуттєву різницю між абсолютним максимумом Тмакс та абсолютним мінімумом Тмін температур в деяких регіонах: пустеля Каракуми (Тмакс = +50 0С; Тмін = −35 0С), Мангишлак (Тмакс = +42 0С; Тмін = −40 0С), пустеля Гобі (Тмакс = +45 0С; Тмін = −40 0С). Екстремальні значення температури

25. Термометр  це прилад для кількісної оцінки температури будь-якої системи. ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ

26. Вимірювання температури Рідинний термометр прилад для вимірювання температури, оснований на тепловому розширенні рідини. Явище теплового розширення рідини описується рівнянням: V = VT, де  коефіцієнт об’ємного розширення рідини; V  зміна об’єму; T зміна температури.

27. Рідинний термометр Частина простору в капілярі, що не зайнята рідиною, заповнена сухим інертним газом щоб запобігти розриву рідини. В капілярі може бути також внутрішнє розширення (скорочувальна камера), яке дає можливість скоротити довжину капіляра; ще одне розширення капіляра (розширювальна камера) наприкінці захищає термометр від перегріву.

28. Ртуть  діапазон температур, у межах яких ртуть ще рідка: від температури замерзання 38,83 0С до +356,7 0С. саме через це ртутні термометри використовують для вимірювання високих температур. Спирт  етиловий має температуру замерзання 117,3 0С, а метиловий 138,5 0С; отже термометри зі спиртом доцільно застосовувати для вимірювання низьких температур. Робоча рідина термометра

29. R = R0 ( 1 + T ), де R  опір провідника при температурі Т; R0  опір при температурі Т0;  температурний коефіцієнт опору провідника; T = Т  Т0(де Т0 = 273,16 К = 0 0С). Термометри опору(терморезистори татермісторами)

30. Для терморезисторів використовують такі метали як платина, нікель, мідь. Платина характеризується стабільністю параметрів в умовах корозії, дії хімічних сполук. Платина не окислюється, піддається механічній обробці, має високу температуру плавлення і відзначається високим рівнем чистоти. Платинові терморезистори характеризуються малими габаритами та компактністю Терморезистори

31. Платиновий сенсор температури

32. Термоелектричні термометри • Термоелектричні термометри використовують термоелектричні явища, які проявляються у виникненні електрорушійної сили (е.р.с.) в електричному ланцюзі, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних провідників, контакти яких мають різну температуру.

33. хромель-алюмель – від – 200 0C до +1200 0C; залізо-мідь – від –40 0C до +750 0C; мідь-константан – від –200 0C до +350 0C. Недоліком таких термометрів є невисока точність (яка перевищує 1 0С), а також невеликі значення електрорушійної сили, що виникає в електричному ланцюзі. Термоелектричні термометри

34. Oснований на тепловому розширенні твердих тіл, зокрема на деформації біметалевої пластини (наприклад, інвар і сталь) під впливом температури Біметалевий термометр

35. Оптична пірометрія • Оптична пірометрія базується на використанні залежності випромінювальної здатності розжареного тіла від температури. Отже, визначити температуру будь-якого тіла можна шляхом порівняння інтенсивності його випромінювання на певній довжині хвилі з інтенсивністю стандартного випромінювання. • Оптичний пірометр складається з джерела випромінювання та оптичної системи, до якої входить мікроскоп, калібрована лампа та фільтр з вузькою смугою пропускання. • Процедура вимірювання температури передбачає порівняння яскравості тіла, що досліджується, та каліброваної лампи. Шляхом регулювання струму, що проходить через нитку розжарювання лампи, зрівноважують яскравості тіла і лампи. Внаслідок цього зображення нитки зникає на фоні яскравості тіла. Ручка потенціометра, що регулює величину струму, прокалібрована в одиницях температури.

36. Оптичний пірометр складається з джерела випромінювання та оптичної системи, до якої входить мікроскоп, калібрована лампа та фільтр з вузькою смугою пропускання. Оптичний пірометр

37. Оптична пірометрія базується на використанні залежності випромінювальної здатності розжареного тіла від температури. Отже, визначити температуру будь-якого тіла можна шляхом порівняння інтенсивності його випромінювання на певній довжині хвилі з інтенсивністю стандартного випромінювання. Оптична пірометрія

38. Процедура вимірювання температури передбачає порівняння яскравості тіла, що досліджується, та каліброваної лампи. Шляхом регулювання струму, що проходить через нитку розжарювання лампи, зрівноважують яскравості тіла і лампи. Внаслідок цього зображення нитки зникає на фоні яскравості тіла. Ручка потенціометра, що регулює величину струму, прокалібрована в одиницях температури. Оптична пірометрія Tнр<Tт Tнр= Tт Tнр>Tт

39. Оптична пірометрія Принцип дії оптичного пірометра: 1 — джерело світла, 2 — лінза, 3 — діафрагма, 4 — фільтр, 5 — калібрована лампа, 6 — фільтр, 7 — об'єктив мікроскопа, 8 — діафрагма мікроскопа, 9 — окуляр мікроскопа, 10 — око, 11 — вимірювальний прилад.

40. Радіотермометри Радіотермометривикористовуються для вимірювання температури природних поверхонь. На практиці вимірюють енергетичну яскравість у смузі довжин хвиль, звичайно в області 813 мкм, де спостерігається вікно прозорості атмосфери і випромінювальна здатність тіл максимальна. Через це температура атмосфери не впливає на результати вимірювань температури поверхні, а випромінювання Сонця цілком поглинається атмосферою і також не заважає вимірюванням. Звичайно радіометри складаються з оптичної системи (лінз, дзеркал, фільтрів), яка фокусує потік випромінювання певної довжини хвилі на детектор – термістор або термобатарею.

41. Радіотермометри Le = Т4 девипромінювальна здатність поверхні ( 01 ); стала Стефана-Больцмана ( 5,6710-8 Втм-2К-4 ); Т – температура поверхні.

42. Глобальна карта температурних аномалій

43. Temperature in Ukraine

44. Розподіл температури в Україні

45. ТЕПЛОВІ ПОТОКИ • Тепловий потік.Величина,що визначаєтьсявідношенням кількості теплоти, яка переноситься за одиницю часу, називається потоком теплоти. Одиниця вимірювання теплового потоку Дж/с. • Густина теплового потоку – це є кількість теплоти,яка переноситься за одиницю часу через одиницю площі поверхні. Одиниця вимірювання густини теплового потоку Дж/м2·с або Вт/м2.

46. Теплота, що викликає зміну температури об’єкта, називається відчутною теплотою.Відчутна теплота є теплова енергія, що переноситься між земною поверхнею та повітрям завдяки різниці температур між ними, тобто вертикальному температурному градієнту. Ми відчуваємо перенесення відчутної теплоти як зміну температури повітря. Величина відчутної теплоти визначається за виразом: Q = mc(T − T0), де m – маса тіла; c – питома теплоємність; (T − T0) – різниця температури тіла та опорної температури. Відчутна теплота

47. Потік відчутної теплоти • Потік відчутної теплоти − це процес перенесення теплової енергії з земної поверхні до атмосфери завдяки теплопровідності або конвекції (після чого цей потік може рухатися горизонтально завдяки циркуляції атмосфери). Але, оскільки теплопровідність повітря невисока, основним процесом перенесення відчутної теплоти є конвекція.

48. Кількість енергії у формі тепла, що звільняється або поглинається речовиною під час переходу з одного фазового стану до іншого, називається прихованою (латентною) теплотою. Походить від латинського latere – ховати. Людина не здатна відчувати приховану теплоту, оскільки ця теплота не супроводжується зміною температури. У загальному випадку прихована теплота визначається за виразом: Q = mL, де Q – кількість енергії, потрібної для зміни фази речовини (Дж); m – маса речовини (кг); L – питома латентна теплота конкретної речовини (Дж/кг), тобто кількість теплоти, що необхідна для перетворення одиниці маси речовини з рідкого стану у газоподібний без зміни температури. Прихована теплота

49. Потік прихованої теплоти • Потік прихованої теплоти – це потік теплоти від земної поверхні до атмосфери, який супроводжується випаровуванням води з поверхні або транспірацією з подальшою конденсацією водяної пари в тропосфері.

50. Енергетичний баланс на рівні земної поверхні