SCE 3105 Lecture 10 Termometri and Termometer
Membincangkan topik2 berikut: • Keseimbangan dan termometri. • Skala suhu: Celsius dan Kelvin • Pelbagai Jenis Termometer
Keseimbangan dan T er mometr i • Termometer adalah alat yang diletakkan bersentuhan dengan objek atau bahan dan membenarkan keadaan keseimbangan terma dengan objek atau bahan yang bersentuhan. • Fungsi termometer memerlukan rekabentuknya mengandungi sifat sifat yang berubah dengan suhu. • Contoh: Dalam termometer merkuri atau alkohol, sifat yang membenarkan anda mengukur suhu dan perubahan suhu adalah pengembangan terma cecair.
Termometri • Sains mengukur suhu sistem atau keupayaan sistem untuk memindahkan haba ke satu sistem lain. • Pengukuran suhu adalah penting dalam pelbagai aktiviti harian, termasuk perindustrian, kajian saintifik dan perubatan.
Termometer • Termometer mengukur suhu, dengan menggunakan bahan yang berubah bila dipanas atau disejukkan. • Dalam termometer merkuri atau alkohol, cecair mengembang bila dipanaskan dan mengecut bila disejukkan, jadi panjang turus cecair panjang atau pendek bergantung kepada suhu. • Termometer moden di senggat dalam unit suhu seperti Fahrenheit atau Celcius.
Types of Thermometers
JEN I S JEN I S T ERM OM ET ER
Penerangan • Termometer boleh menggunakan sebarang kaedah untuk mencatat suhu. • Ini termasuk These include – merkuri; – Cecair dalam kaca; – Elektronik dengan paparan digital; infrared or tympanic; and – Dot matrik pakai buang.
Jenis -1 • Termometer merkuri mengandungi sejalur kaca yang sempit, lebih kurang 5 in (12.7 cm) panjang dengan tanda2 disepanjang satu atau kedua-dua belah menunjukkan skala suhu dalam darjah Fahrenheit, Centigrade atau keduaduanya. • Merkuri cecair di simpan di dalam bebuli dihujung termometer dan naik melalui tiub k apilar i bila kaca diletakkan bersentuhan dengan satu jasad. Termometer merkuri tidak lagi digunakan di dalam klinikal moden.
Jenis-2 • Termometer elektronik boleh merekod julat suhu antara 94°F and 105°F, (35°C and 42°C) dan boleh merekod suhu dimulut, telinga atau punggung. • Sensor disambung kepada bekas/ rumah unit pemprosesan pusat. Maklumat yang dikumpul oleh sensor kemudian dipaparkan di skrin. • Sesetengah model elektronik mempunyai ciriciri yang lain seperti memori recall yang menunjukkan rekod bacaan terakhir atau skrin paparan yang besar untuk memudahkan membaca.
Jenis-3 • Termometer timpanik mempunyai pengesan berbentuk bulat mengandungi sensor yang disalut dengan kertas pakai buang untuk melindungi merebaknya jangkitan telinga. • Ia diletakkan di dalam saluran telinga untuk 1 saat sementara sensor infrared merekod haba badan yang dipancarkan oleh gegendang telinga. Bacaannya dipaparkan di skrin. • Termometer digital dan timpanik perlu digunakan merujuk kepada garis panduan syarikat pengeluar.
Type-4 • Termometer pakai buang adalah jalur-jalur plastik dengan titik-titik di atas permukaan yang di impregnated dengan bahan kimia sensitif suhu. Jalurjalu ini adalah melekit pada sebelah permukaan untuk adhere kepada kulit bawah ketiak dan mengelakkan daripada slippage. • Titik-titik akan berubah warna pada suhu yang berbeza bila bahan kimia didalamnya bertindakbalas kepada haba badan. Suhu ini boleh dibaca selepas 2 atau 3 minit, bergantung kepada garis panduan alat. • Produk-produk ini berbeza2 tempoh penggunaannya. Ada yang pakai buang, guna semula atau guna berterusan selama 48 jam. Termometer pakai buang berguna untuk kanak-kanak sebab ia merekod suhu sewaktu kanak-kanak sedang tidur.
Apakah jenis2 termometer yang lain? • • • • • • • • • • • • • • •
Termometer alkohol Termometer pembezaan Beckmann Termometer mekanikal dwi-logam Termometer rintangan elektrik. Termometer Galileo Termometer Infrared Termometer Cecair Hablur Termometer Perubatan (e.g. termometer mulut, termometer punggung, basal termometer) Termometer merkuri dalam kaca Termometer berbalik Sensor suhu bandgap silikon Termometer Six – juga dikenali sebagai termometer maksimum minimum. Termistor Termogandingan Termometer Coulomb (Coulomb blockade thermometer) http:/ / en.wikipedia.org/ wiki/ Thermometer
Thermometer Scale
SKAL A T ERM OM ET ER
Latihan pertukaran suhu. a) Suhu -35°C adalah sama dengan b) Suhu 54°F adalah sama dengan c) Suhu 300°K adalah sama dengan d) Suhu 200° F adalah sama dengan e) Suhu 64°C adalah sama dengan f) Suhu 100°K adalah sama dengan
°F. °C. °C °K °K °F
History of Thermometers
SEJARAH T ERM OM ET ER
Sejarah Sejar ah Aw al Termometer pertama dipanggil termoskop. several inventors invented a version of the thermoscope at the same time, Italian inventor Santorio Santorio was the first inventor to put a numerical scale on the instrument.
the first published figure of thermoscope(published 1620), Inventor was Santorio
The illustration of thermometer in the Philosophia Moysaica(by Fludd,1638,p.2)
Drebbel Thermometers from Leurechon's Recreations Mathematiques(facing p.90) Enlarged from 1626 edition
D aniel Gabr iel F ahr enheit Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) was the German physicist who invented the alcohol thermometer in 1709, and the mercury thermometer in 1714. In 1724, he introduced the temperature scale that bears his name F ahr enheit Scale.
In 1714, Gabriel Fahrenheit invented the first mercury thermometer, the modern thermometer.
• Ander s Celsius The Celsius temperature scale is also referred to as the "centigrade" scale. • Centigrade means "consisting of or divided into 100 degrees". • The Celsius scale, invented by Swedish Astronomer Anders Celsius (1701-1744), has 100 degrees between the freezing point (0 C) and boiling point (100 C) of pure water at sea level air pressure. • The term "Celsius" was adopted in 1948 by an international conference on weights and measures.
• L or d William T homson Kelvin Lord Kelvin took the whole process one step further with his invention of the Kelvin Scale in 1848. The Kelvin Scale measures the ultimate extremes of hot and cold. • Kelvin developed the idea of absolute temperature, what is called the "Second Law of Thermodynamics", and developed the dynamical theory of heat.
Heat transfer and Equilibrium
PEM I N D AH AN H ABA D AN KESEI M BAN GAN
Pemindahan Haba • Pemidahan haba adalah daripada objek yg bersuhu tinggi ke objek yg bersuhu • Pemindahan haba mengubah tenaga dalaman kedua-dua sistem yang terlibat merujuk kepada Hukum Pertama Termodinamik.
• Pemindahan haba adalah berkenaan dengan suhu, jumlah tenaga termal yang didapati, aliran haba, pergerakan tenaga termal dari satu tempat ke tempat yang lain. Mekanisma pemindahan haba boleh di kumpulkan kepada 3 kategori: – Konduksi – Perolakan – Sinaran
• Conduction: Kawasan yang mempunyai tenaga kinetik molekul yang lebih besar akan menghantar tenaga termal ke kawasan yang mempunyai tenaga kinetik molekul yang lebih kecil melalui pelanggaran langsung molekul2. Di dalam atmosfera yang dipanaskan melalui konduksi adalah penting di permukaan dasar, dimana udara dipanaskan dengan menyentuk permukaan secara langsung. • Per olak an: – Perolakan bebas. Heat-induced fluid motion in initially static fluids (liquid or gas). If the static fluid is heated, it loses density and rises. If cooled, it will become dense and sinks. It is a gravity gradient that induces motion through buoyancy. – Perolakan dipaksa. Bila bendalir didalam gerakan, haba yang dikonduksikan ke dalam bendalir akan dipindahkan melalui perolakan cecair. Pressure gradient forces drive the fluid motion. • Sinar an: Pemindahan haba oleh sinaran elektromagnet. Tenaga termal dipancarkan pada jarakgelombang yang ditentukan oleh suhu permukaan –jarak gelombang pendek daripada matahari dan jarakgelombang panjang untuk bahan yang dipanaskan oleh matahari seperti bata. Bahan yang cerah dan berkilat memantulkan sinaran manakala bahan yang gelap dan kusam menyerapnya.
Pemindahan haba, atau pertukaran haba adalah proses yang dipanggil "heat migration" dari satu titik ke titik yang lain. Daripada satu titik suhu tinggi ke titik suhu rendah.
Specific Heat M ater ial
Specific H eat (Btu/ Lb./ �F)
Water
1.00
Air
.24
Aluminum
.22
Iron
.12
Copper
.093
Concrete
.23
Glass
.20
White Pine
.67
Ice
.50
Rock
.20
http:/ / www.air-conditioner-selection.com/ heat-transfer-and-air-conditioners.html
Oleh itu, tenaga boleh di tr ansfor mk an dar ipada satu k eadaan k e k eadaan yang lain: Pertimbangkan contoh gas, dengan tenaga dalaman tertentu. Pertimbangkan contoh gas yang lain dengan tenaga dalaman yang lebih rendah. Sekarang, merujuk kepada tenaga dalaman daripada elektron, atom atau molekul yang akan bergerak dalam gerakan rawak tertentu. L aju dimana zarah-zarah ini (atom atau molekul) bergerak, akan bergantung ke atas tenaga dalaman. Semakin tinggi tenaga dalaman, semakin laju gerakan zarah-zarah ini. Berbalik kepada contoh gas kita. Bila gas-gas ini dibawa bersentuhan, zarah-zarah gas akan ber langgar diantara satu sama lain. Zarah-zarah gas dengan tenaga dalaman yang lebih tinggi akan melanggar zarah-zarah gas dengantenaga dalaman yang lebih rendah. Laju zarah-zarah ini akan bertukar. Zarah-zarah dengan laju yang lebih rendah akan menggandakan lajunya, dan zarah-zarah dengan laju yang lebih
Termodinamik adalah kajian hubungan antara haba, kerja dan sistem tenaga dalaman.
Termodinamik Termodinamik adalah kajian tenaga. •Hukum Termodinamik Pertama: (adalahkenyataan tentang prinsip keabadian tenaga). •
Tenaga boleh berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, tetapi tidak boleh dicipta atau dimusnahkan.
•Hukum Termodinamik Kedua
( adalah kenyataan tentang
arah keabadian itu) •
“ dalam semua perubahan tenaga, jika tiada tenaga masuk atau keluar sistem, tenaga keupayaan keadaan akan sentiasa kurang daripada keadaan asal.”
•Hukum Termodinamik Ketiga (adalah kenyataan tentang mencapai suhu mutlak (0° K)). •
•
Hukum Termodinamik Ketiga menyatakan jika semua gerakan termal molekul (tenaga kinetik) boleh disingkirkan, satu keadaan yang dinamakan suhu mutlak akan wujud. Suhu mutlak menghasilkan suhu 0 Kelvins or -273.15° Celsius.
Hukum Termodinamik : • Tenaga boleh bertukar dari satu bentuk ke bentuk yang lain, tetapi tidak boleh dicipta atau dimusnahkan. • Jumlah tenaga dan jirim di dalam semesta adalah tetap, cuma bertukar dari satu bentuk tenaga ke satu bentuk yang lain. • Hukum Termodinamik Pertama (Keabadian) menyatakan bahawa tenaga diabadikan, tidak boleh dicipta atau dimusnahkan. • Tetapi, tenaga boleh ditukarkan daripada satu bentuk kepada bentuk yang lain.
Hukum Termodinamik Kedua • •
Menyatakan “ dalam semua pertukaran tenaga, jika tiada tenaga yang masuk atau keluar sistem, tenaga keupayaan keadaan wkan sentiasa kurang daripada keadaan asal.” Ia juga biasanya dirujuk sebagai entropi. – – –
• • •
•
A watchspring-driven watch will run until the potential energy in the spring is converted, and not again until energy is reapplied to the spring to rewind it. A car that has run out of gas will not run again until you walk 10 miles to a gas station and refuel the car. Once the potential energy locked in carbohydrates is converted into kinetic energy (energy in use or motion), the organism will get no more until energy is input again.
Dalam proses pemindahan tenaga, tenaga akan hilang sebagai haba. Entropi adalah ukuran ketidaktertiban: sel tidak disorder dan mempunyai is a measure of disorder: cells are NOT disordered and so have low entropy. The flow of energy maintains order and life. Entropy wins when organisms cease to take in energy and die. or ENTROPY is the disorder created during a thermodynamic process.
In other words, each time a system goes through a thermodynamic process, the system can never completely return to precisely the same state it was in before. This is one definition used for the arrow of time, since entropy of the universe will always increase over time according to the second law of thermodynamics.
T hir d L aw of T her modynamics • The third law of thermodynamics states that if all the thermal motion of molecules (k inetic ener gy) could be removed, a state called absolute zer o would occur. Absolute zero results in a temper atur e of 0 Kelvins or -273.15° Celsius. • Absolute Zer o = 0 Kelvins = -273.15° Celsius • The Universe will attain absolute zero when all energy and matter is randomly distributed across space. • The current temperature of empty space in the Universe is about 2.7 Kelvins.
Diagram of heat flows into and out of a roof. The heat flowing through a roof is a function of the difference in temperatures on either side of the roof.
Refrigeration cycles take in work from the surroundings and transfer heat from a low temperature reservior to a high temperature reservior. Schematically, they look like the diagram given above, but with the direction of the arrows reversed. They can also be recognized on thermodynamic diagrams as closed loops with a counter-clockwise direction of travel. A more detailed physical description is given below.
Tutorial • Compare and contrast the Celsius and Kelvin temperature scales and try converting from one scale to the other. • Compare and contrast the different types of thermometers. Discuss how they are used to measure temperature.
Specific heat capacity, c: The amount of heat per gram which must be gained or lost to raise or lower the temperature 1 C. Penny, marble, aluminum are at the same temperature. Which one stays hot longer after removal from the bath?
ΔT = Q/ mc --------------------------------- Same heat is absorbed. Iron's ability to store heat is less than water's. Iron's temperature rises more than does the water's.
Others related t
H EAT T RAN SF ER AN D EQU I L I BRI U M
Latent Heat • Energy is involved in changes of phase, even though there is no change of temperature. • In melting a solid or boiling a liquid, a substantial amount more energy needs to be added which does not raise the temperature. This is the latent (“ hidden” ) heat. • The energy required to melt a mass m of a substance is given by ΔE= ml
• Or the specific latent heat is the energy required to change the unit mass from one phase to another.
Latent Heat • L atent and specific heat • Scalds from water and steam • We assume that our hand is at 37 oC, and that we put 10 g of water at 100 oCaccidentally on our hand. The water will cool to 37 oC. Assuming that all the heat energy "lost" by the water will be gained by our hand: • Heat "lost" by water = m c Dθ = 0.01 x 4200 x 63 =2,646 J. • But if the 10 g had been steam then the steam would first have to condense. • Heat "lost" in condensing = ml = 0.01 x 2260000 = 22,600 J • So the heat lost in 10 g of steam turning to water at 37 oCis 22,600 + 2,646 = 25,246 J. • This is nearly ten times as much as the water alone!