Sıcaklık ölçümü

Sıcaklık ölçümü (termometri), anında veya daha sonra değerlendirme için mevcut yerel sıcaklığın ölçülmesi süreci olarak tanımlanır. Sıcaklık eğilimlerini değerlendirmek için tekrarlanan standart ölçümlerden oluşan veri kümeleri kullanılabilmektedir.

Termometrinin bazı ilkeleri, iki bin yıl önceki Yunan filozofları tarafından bilinmektedir. Henry Carrington Bolton'un (1900),^[1] termometreyi "Kaba bir oyuncaktan, bir yüzyıldan fazla bir süredir meşgul olan bir kesinlik aletine gelişim ve erken tarihi, sahte bir otorite damgası alacak kadar dogmatizmle yinelenen hatalı ifadelerle doludur." şeklinde tanımlamıştır. Hollanda Cumhuriyeti'nde 18. yüzyılın ilk onlu yıllarında, Daniel Gabriel Fahrenheit^[2] termometri tarihinde iki devrimci atılımı yapmıştır. Cam içinde cıva termometresini (ilk yaygın olarak kullanılan, doğru, pratik termometre) ve Fahrenheit ölçeğini (yaygın olarak kullanılan ilk standartlaştırılmış sıcaklık ölçeği) icat etmiştir.

Tarihçesi

17. yüzyıldan önce standartlaştırılmış sıcaklık ölçümü girişimleri çok daha ilkel şekillerdeydi. Örneğin MS 170'te doktor Claudius Galenus,^[3] "nötr" bir sıcaklık standardı oluşturmak için eşit miktarda buz ve kaynar suyu karıştırmıştır. Modern bilimsel alanın kökenleri, Galileo'nun sıcaklıktaki bağıl değişimi ölçebilen, ancak aynı zamanda atmosferik basınç değişiklikleriyle karıştırılmaya tabi olan cihazları inşa eden 1600'lü yıllarda Floransalı bilim adamlarının çalışmalarında bulunmaktadır. Bu ilk cihazlara termoskop adı verilmiştir. İlk mühürlü termometre 1654 yılında Toscani Büyük Dükü II. Ferdinand^[3] tarafından yapılmıştır. Günümüz termometrelerinin ve sıcaklık skalalarının gelişimi, Gabriel Fahrenheit'in her ikisi de Ole Christensen Rømer tarafından geliştirilen bir cıva termometresi ve ölçeği ürettiği 18. yüzyılın başlarında başlamıştır. Fahrenheit ölçeği, Celsius ve Kelvin ölçeklerinin yanı sıra hala kullanılmaktadır.

Teknolojiler

Sıcaklık ölçümü için birçok yöntem geliştirilmiştir. Bunların çoğu, çalışma malzemesinin sıcaklığa göre değişen bazı fiziksel özelliklerinin ölçülmesine dayanmaktadır. Sıcaklığı ölçmek için kullanılan en yaygın cihazlardan biri cam termometredir. Bu, çalışma sıvısı olarak işlev gören cıva veya başka bir sıvı ile dolu bir cam tüpten oluşmaktadır. Sıcaklık artışı sıvının genleşmesine neden olur, bu nedenle sıvının hacmi ölçülerek sıcaklık belirlenmektedir. Bu tür termometreler, genellikle, termometredeki sıvının seviyesini gözlemleyerek sıcaklığı okuyabilecek şekilde kalibre edilmektedir. Pratikte pek kullanılmayan ancak teorik açıdan önemli olan bir başka termometre türü de gaz termometresidir.

Sıcaklığı ölçmek için diğer önemli aletler:

termokupllar
termistörler
Direnç sıcaklık dedektörü (DSD)
Pirometre
Langmuir probları (plazmanın elektron sıcaklığı için)
Kızılötesi termometre
Diğer termometre çeşitleri

Ölçüm cihazının (termometre, termokupl, vb.) gerçekten ölçülen malzeme ile aynı sıcaklıkta olduğundan emin olmak için sıcaklık ölçerken dikkatli olunmalıdır. Bazı koşullar altında, ölçüm cihazından gelen ısı, bir sıcaklık gradyanına neden olabilmektedir. Bu nedenle ölçülen sıcaklık, sistemin gerçek sıcaklığından farklıdır. Böyle bir durumda ölçülen sıcaklık sadece sistemin sıcaklığı ile değil, aynı zamanda sistemin ısı transfer özellikleri ile de değişmektedir.

İnsanların, hayvanların ve bitkilerin yaşadığı termal konfor, bir cam termometrede gösterilen sıcaklıktan daha fazlası ile ilgilidir. Ortam havasındaki bağıl nem seviyeleri, daha fazla veya daha az buharlaşmalı soğutmaya neden olabilmektedir. Yaş termometre sıcaklığının ölçülmesi bu nem etkisini normalleştirir. Ortalama radyan sıcaklık da termal konforu etkileyebilir. Rüzgar soğutma faktörü, bir cam termometre aynı sıcaklığı gösterse bile, rüzgarlı koşullarda havanın sakin koşullardan daha soğuk hissetmesini sağlamaktadır. Hava akışı, vücuttan veya vücuda ısı transfer oranını artırmaktadır. Bu durum, aynı ortam sıcaklığı için vücut sıcaklığında daha büyük bir değişiklikle sonuçlanmaktadır.

Termometrelerin teorik temeli, A, B ve C olmak üzere üç bedeniniz varsa, A ve B aynı sıcaklıkta ve B ve C aynı sıcaklıktaysa, A ve C'nin aynı sıcaklıkta olduğunu varsayan termodinamiğin sıfırıncı yasasıdır. aynı sıcaklıkta. B, elbette, termometredir.

Termometrinin pratik temeli, üçlü nokta hücrelerinin varlığıdır. Üçlü noktalar, örneğin katı, buhar ve sıvı gibi üç fazın aynı anda mevcut olduğu basınç, hacim ve sıcaklık koşullarıdır. Tek bir bileşen için üçlü bir noktada serbestlik derecesi yoktur. Ayrıca, üç değişkendeki herhangi bir değişiklik, hücreden bir veya daha fazla fazın kaybolmasıyla sonuçalanmaktadır. Bu nedenle, üçlü nokta hücreleri, sıcaklık ve basınç için evrensel referanslar olarak kullanılmaktadır.

Bazı koşullar altında, Planck'ın kara cisim ışıması yasasının doğrudan kullanımıyla sıcaklığı ölçmek mümkün hale gelmektedir. Örneğin, kozmik mikrodalga arka plan sıcaklığı, WMAP gibi uydu gözlemleriyle gözlemlenen fotonların spektrumundan ölçülmüştür. Ağır iyon çarpışmaları yoluyla kuark-gluon plazmasının incelenmesinde, tek parçacık spektrumları bazen bir termometre görevi görmektedir.

Non-invaziv termometri

Son yıllarda, birçok termometrik teknik geliştirilmiştir. Biyoteknoloji bağlamında en umut verici ve yaygın non-invaziv termometrik teknikler, manyetik rezonans görüntülerinin, bilgisayarlı tomografi görüntülerinin ve ekotomografinin analizine dayanmaktadır. Bu teknikler, bir algılama elemanı eklemeden dokular içindeki sıcaklığın izlenmesine izin vermektedir. Reaktif akışlar (örneğin, yanma, plazmalar), lazer kaynaklı floresan (LIF), CARS ve lazer absorpsiyon spektroskopisi alanında, motorlar, gaz türbinleri, şok tüpleri, sentez reaktörleri vb. içindeki sıcaklığı ölçmek için kullanılmıştır. Bu tür optik tabanlı tekniklerin kabiliyeti, ölçüm konusunu etkilememe kabiliyetine rağmen, hızlı ölçüm içermektedir.^[4]^[5]

Yüzey hava sıcaklığı

Dünya yüzeyine yakın havanın sıcaklığı, meteorolojik gözlemevlerinde ve hava istasyonlarında, genellikle standartlaştırılmış, iyi havalandırılmış beyaz boyalı bir alet barınağı olan Stevenson ekranı gibi bir sığınağa yerleştirilmiş termometreler kullanılarak ölçülmektedir. Termometreler yerden 1,25–2 m yükseğe yerleştirilmelidir. Bu kurulumun detayları Dünya Meteoroloji Örgütü (WMO) tarafından tanımlanmıştır.

Sürekli kayıt yapan bir termograftan gerçek bir günlük ortalama elde edilebilir. Genellikle, ayrık okumaların ortalaması veya günlük minimum ve maksimum okumaların ortalaması ile yaklaşık olarak hesaplanmaktadır.^[6]

Dünyanın ortalama yüzey hava sıcaklığı yaklaşık 14 °C'dir.

Sıcaklık ölçeklerinin karşılaştırılması

Sıcaklık ölçeklerinin karşılaştırılması
Comment	Kelvin K	Celsius °C	Fahrenheit °F	Rankine °Ra (°R)	Delisle °D ¹	Newton °N	Réaumur °R (°Ré, °Re) ¹	Rømer °Rø (°R) ¹
Mutlâk sıfır noktası	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Dünya üzerinde kaydedilen en düşük doğal sıcaklık (Vostok, Antarctica - 21 Temmuz 1983)	184	−89	−128	331	284	−29	−71	−39
Celsius / Fahrenheit'in "çapraz geçiş" sıcaklığı	233.15	−40	–40	419.67	210	–13.2	–32	–13.5
Fahrenheit buz/tuz karışımı	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Suyunu donma noktası (standart basınçta)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Dünyadaki ortalama yüzey sıcaklığı	287	14	57	517	129	4.6	12	15.4
Ortalama insan vücut sıcaklığı	310.0 ±0.7	36.8 ±0.7	98.2 ±1.3	557.9 ±1.3	94.8 ±1.1	12.1 ±0.2	29.4 ±0.6	26.8 ±0.4
Yeryüzünde kaydedilen en yüksek yüzey sıcaklığı (Furnace Creek, USA - 10 Temmuz 1913)	329.8	56.7	134	593.7	65.0	18.7	45.3	37.3
Suyun kaynama noktası(standart basınçta)	373.15	100	212	672	0	33	80	60
Gaz alevi	~1773	~1500	~2732
Titanyumun erime noktası	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Güneş'in yüzeyi	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

Standartlar

Amerikan Makine Mühendisleri Derneği (ASME), sıcaklık Ölçümü konusunda B40.200 ve PTC 19.3 olmak üzere iki ayrı ve farklı standart geliştirmiştir. B40.200, bimetalik tahrikli, dolu sistem ve cam içinde sıvı termometreler için kılavuz bilgiler sağlamaktadır. Ayrıca termoveller için yönergeler sağlamaktadır. PTC 19.3, temel ölçüm hataları kaynaklarına ve bunlarla başa çıkma tekniklerine özellikle vurgu yaparak, Performans Testi Kodlarıyla ilgili sıcaklık ölçümü için kılavuzlar sağlamaktadır.

US (ASME) Standartları

B40.200-2008: Termometreler, Doğrudan Okuma ve Uzaktan Okuma.^[7]
PTC 19.3-1974(R2004): Sıcaklık ölçümü için performans testi kodu.^[7]

Kaynakça

^ Bolton, Henry Carrington (1904). The follies of science at the court of Rudolph II, 1576-1612. By Henry Carrington Bolton ... Milwaukee,: Pharmaceutical review publishing co.,.
^ Zuidervaart, Huib J. (2003). "Fahrenheit, Daniël Gabriël (1686–1736)". The Dictionary of Seventeenth and Eighteenth-Century Dutch Philosophers. doi:10.5040/9781350053267-0124.
^ ^a ^b author., Quinn, T. J. (Terry J.),. Temperature. ISBN 978-1-4832-5934-5. OCLC 915344045.
^ "ISRCTN". www.isrctn.com. 24 Şubat 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 7 Haziran 2021.
^ Chrystie, Robin S. M.; Feroughi, Omid M.; Dreier, Thomas; Schulz, Christof (21 Mart 2017). "SiO multi-line laser-induced fluorescence for quantitative temperature imaging in flame-synthesis of nanoparticles". Applied Physics B (İngilizce). 123 (4): 104. doi:10.1007/s00340-017-6692-0. ISSN 1432-0649.
^ Baker, Donald G. (1 Haziran 1975). "Effect of Observation Time on Mean Temperature Estimation". Journal of Applied Meteorology and Climatology (İngilizce). 14 (4): 471-476. doi:10.1175/1520-0450(1975)0142.0.CO;2. ISSN 1520-0450. 7 Haziran 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 7 Haziran 2021.
^ ^a ^b "Thermometers, Direct Reading and Remote Reading - ASME". www.asme.org (İngilizce). 20 Eylül 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 7 Haziran 2021.

[1] Bolton, Henry Carrington (1904). The follies of science at the court of Rudolph II, 1576-1612. By Henry Carrington Bolton ... Milwaukee,: Pharmaceutical review publishing co.,.

[2] Zuidervaart, Huib J. (2003). "Fahrenheit, Daniël Gabriël (1686–1736)". The Dictionary of Seventeenth and Eighteenth-Century Dutch Philosophers. doi:10.5040/9781350053267-0124.

[:0-3] uthor., Quinn, T. J. (Terry J.),. Temperature. ISBN 978-1-4832-5934-5. OCLC 915344045.

[4] "ISRCTN". www.isrctn.com. 24 Şubat 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 7 Haziran 2021.

[5] Chrystie, Robin S. M.; Feroughi, Omid M.; Dreier, Thomas; Schulz, Christof (21 Mart 2017). "SiO multi-line laser-induced fluorescence for quantitative temperature imaging in flame-synthesis of nanoparticles". Applied Physics B (İngilizce). 123 (4): 104. doi:10.1007/s00340-017-6692-0. ISSN 1432-0649.

[6] Baker, Donald G. (1 Haziran 1975). "Effect of Observation Time on Mean Temperature Estimation". Journal of Applied Meteorology and Climatology (İngilizce). 14 (4): 471-476. doi:10.1175/1520-0450(1975)0142.0.CO;2. ISSN 1520-0450. 7 Haziran 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 7 Haziran 2021.

[asme.org-7] "Thermometers, Direct Reading and Remote Reading - ASME". www.asme.org (İngilizce). 20 Eylül 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 7 Haziran 2021.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]