Dispozitive mecanice de msurare a temperaturiiTermometrul cu lichidModificarea temperaturii produce dilatarea (sau contractarea) materialului. Pe acest fenomen se bazeaz multe termometre. Tipic este termometrul cu lichid unde un volum "V" de lichid nchis n bulbul termometrului se dilat i volumul suplimentar urc ntr-un tub subire capilar. nlimea la care urc va fi:h= t 4Vo(alichid asticla) /(pd2) (5)rezultnd din egalarea volumului suplimentar de lichid V care iese din bulb i ocup un volum cilindric n capilar:V = Vo[1+(alichid asticla)t] Vo = hpd2/4 (6)unde: Vo este volumul bulbului (i de lichid din bulb) la t=0alichid coeficientul de dilatare volumic al lichiduluiasticla coeficientul de dilatare volumic al sticlei termometruluid diametrul tubului capilart temperatura n grade Celsius.Lichidele cele mai folosite sunt alcoolul (colorat cu un colorant pentru a fi vizibil n tubul capilar) i mercurul.

Termometrul cu bimetalDilatarea termic este util n termometrele cu bimetal. Termobimetalele se realizeaz din lamele subiri din metale sau aliaje cu coeficieni de dilatare termic liniar diferii, sudate pe ntreaga lor lungime prin laminare la cald. Sub aciunea cldurii apar deformaii dinspre materialul activ (A) cu coeficient de dilatare termic mare, spre materialul inert (I) sau pasiv cu coeficient de dilatare mic. Dac la temperatura de 0C lamela bimetalic este dreapt, reprezentat cu linie roie, la creterea temperaturii cu tC, prin alungirea termic diferit a celor dou materiale, lamela se va curba aproximativ ca un arc de cerc cu raza "R" care nchide unghiul la centru " =2u" (reprezentat cu linie neagr). Exprimnd alungirile termice al celor dou lamele cu condiia aderenei lor pe ntreaga lungime de contact, rezult:L1=R1=L(1+it) L2= (R1+g)=L(1+At)g= L(A- i )t

unde:A; i - coeficienii de dilatare termic liniar ai celor dou materiale;g - grosimea total a celor dou lamele;L - lungimea lamelei n stare nedeformat.

Figura . Deformarea bimetalului sub aciunea clduriiAproximnd curbarea lamelei cu o rotire a ei de unghi u=/2, obinem deplasarea "f=NP" a captului liber al lamelei:

Un calcul mai exact ofer rezultatul:

iar din:

cu ajutorul integralei lui Mohr, se poate obine sgeata termic deplasarea captului mobil al lamelei caracteristica static a traductorului:f = 3L2(aAaI)Dt /(4g) = SDt (11)

Sensibilitatea traductorului "S" este cu att mai mare cu ct diferena ntre coeficienii de dilatare termic i lungimea lamelei sunt mai mari i grosimea lamelei mai mic:

Din condiii de rezisten a materialelor rezult un maxim al sensibilitii dac:

unde "E" este modulul de elasticitate (Young) al fiecrui material.

Termometrul cu gaz la volum constantTermometrul cu gaz la volum constant funcioneaz pe baza ecuaiei termice a gazelor:pV = mRT (14)unde: ppresiunea gazului;Vvolumul gazului;mnumrul de kilomoli de gaz;Rconstanta universal a gazelor (8310 [J/(kmolK]))Ttemperatura n grade absolute, Kelvin, K (=273+t oC).Ecuaia [14] arat c se poate msura temperatura din dilatarea unui gaz la presiune constant. n practic este mai avantajos s meninem volumul de gaz constant i s msurm presiunea pentru a determina temperatura. Avantajele acestui tip de termometru sunt deosebita liniaritate i repetabilitatea.

Figura 1. n termometrul cu gaz la volum constant, temperatura este msurat de presiunea generat de un volum fix de gazDispozitive electrice pentru msurarea temperaturiiTermocuplulntr-un fir metalic ale crui capete se afl la temperaturi diferite TA > TB apare o diferen de potential electric UAB cauzat de faptul c electronii de conductive din captul cu temperatur mai mare au o energie cinetic mai mare i vor difuza ctre captul mai rece. n acest fel captul cald se va ncrca pozitiv iar captul rece al firului se va ncrca negativ. De remarcat c n cazul n care purttorii mobili de sarcin sunt golurile, sarcini pozitive, atunci captul cald se ncarc negativ iar cel rece pozitiv. Acest fenomen a fost pus n eviden de Seebeck n anul 1821 i poart numele de efect Seebeck. Din aceast cauz efectul termoelectric sau efectul Seebeck este folosit pentru determinarea tipului de purttori de sarcin liberi dintr-un semiconductor.

Figura 2. Generarea unei tensiuni termoelectrice prin aplicarea unei diferene de temperatur unui dispozitiv format din 2 metale diferite.Efectul Seebeck are trei cauze care se reflect n coeficientul Seebeck :S = Sv+Sc+Sf (15)Sv -componenta volumic a coeficientului Seebeck, datorat difuziei preponderente a purttorilor mobili de sarcin electric de la extremitatea cald spre cea rece;Sc -componenta de contact a coeficientului Seebeck, datorat variaiei potenialului de contact cu temperatura, legat de dependena de temperature a potenialului chimic, nivelul Fermi F (important doar la semiconductori);Sf -componenta fononic a coeficientului Seebeck, datorat antrenrii electronilor de conducie de ctre fononii (vibraiile reelei cristaline) care se deplaseaz de la extremitatea cald spre cea rece (important doar la temperaturi foarte joase, criogenice).Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.) UAB este direct proporional cu diferena de temperatur dintre capetele firului:UAB = VA VB = S( TA TB ) (16)Unde:S este coeficientul Seebeck, o proprietate a materialului din care este fcut firul.

n cazul concret n care firul este din cupru i plecm din A i B tot cu fire din cupru ctre un instrument de msur sensibil, vom constata c tensiunea indicat va fi zero. Cauza este aceea c din tensiunea iniial UAB se scade tensiunea termoelectric a firelor de legtur, n cazul de fa identic cu tensiunea iniial. Este ca i cum am lega dou baterii identice cu bornele "+" mpreun i bornele "" mpreun, oriunde ntrerupem circuitul i msurm tensiunea, aceasta va fi zero. Situaia se schimb dac ntre punctele A i B avem un fir de nichel, iar de la punctele A i B plecm ctre instrumentul de msur cu un fir din cupru, atunci voltmetrul va indica o diferen de potenial. n acest caz fiind vorba de metale diferite, cu coeficieni Seebeck diferii, diferena de potenial msurat va fi:U = UAB(Ni) UAB(Cu) = SNi(TA TB) SCu(TA TB) = (SNi SCu)(TA TB) (17)De regul se dau n tabele coeficienii Seebeck relativi, msurai pentru materialul respectiv fa de un material de referin (de cele mai multe ori platina). Alturat este tabelul cu valoarea tensiunii termoelectromotoare (t.t.e.m.) U, n milivoli, pentru diverse materiale fa de platin (Pt) atunci cnd o jonciune este meninut la 0C i cealalt la 100C.

MetalAgBiCuCoFeGeMoNiPbSbS

U(mV)0,74-7,340,76-1,331,9833,91,45-1,480,444,89-41,5

Coeficientul Seebeck al unui material nu rmne constant n funcie de temperatur. Materialele care puse mpreun manifest efect Seebeck formeaz un termocuplu. Dou materiale poat fi folosite mpreun ntr-un termocuplu industrial doar dac coeficientul Seebeck al cuplului este relativ constant pedomeniul de temperaturi n care se lucreaz. Avantajele termocuplelor sunt preul mic (o pereche de fire de 1m 0 la t