Temperatur

Temperatur er noe vi måler med et termometer. Målingen baserer seg på at en blanding med is og vann alltid vil gi samme temperatur. Fysiologisk temperatur for oss er koblet til hva vi føler er kaldt eller varmt. Når to objekter er kontakt med hverandre tilstrekkelig lenge vil de få samme temperatur. Lav temperatur er karakterisert av lav kinetisk energi av molekylene sammenlignet med høy temperatur. Ved avkjøling skjer det en forskyvning i likevektsreaksjoner i retning av energifrigivelse (Le Chateliers prinsipp). Prinsippet sier at når et system i likevekt utsettes for stress forskyves likevekten i den retning som motvirker stresset. Når vann avkjøles og danner is avgis varme. Boltzmanns energifordelingsformel angir energifordelingen hos molekyler som funksjon av temperaturen. For at en kjemisk prosess skal kunne skje må reaktantene tilføres aktiveringsenergi før de kan omdannes til produkter. Enzymer senker aktiveringsenergien i forhold til ikkekatalyserte reaksjoner. Økning i reaksjonshastighet ved økning av temperaturen med 10^oC er angitt som Q₁₀. Q₁₀ viser forholdet mellom hastigheten til en prosess ved T + 10^oC og T^oC. Q₁₀>2 indikerer at metabolisme er involvert i reaksjonen. Må ikke forveksles med ubikinon i respirasjonskjeden har blitt solgt under navnet Q₁₀. Arrheniusligningen viser en lineær sammenhengen mellom hastighetskonstanten (k) for en reaksjon og temperaturen (T), og kan brukes til å bestemme aktiveringsenergien (A) i en reaksjon med enheten kJ mol^-1.

Temperatur og temperaturmåling

Historie

Oppfinnelsen av termometeret i 1592 er kreditert Galileo Galilei. Han laget en liten beholder med et trangt glassrør som ble satt ned i en åpen beholder med farget alkohol. Når luften i beholderen ble avkjølt trakk luften seg sammen og alkoholen steg i røret. Ved oppvarming ble luften utvidet og alkoholnivået sank. Tidlig på 1700-tallet laget den nederlandske instrumentmakeren Gabriel Fahrenheit et kvikksølvtermometer. Som det faste punktet på den laveste delen av skalaen brukte han en blanding av is og salt (NH₄Cl eller NH₄NO₃). Den øverste enden av temperaturskalaen var blodtemperaturen hos mennesker som han kalte 96 ^o. Tidligere skalaer var delt i 12 deler. Derav brukte Fahrenheit 96 som øverste faste punkt, som kunne gi en finere oppdeling av temperaturskalaen.

I 1742 foreslo Anders Celsius at smeltepunktet for is og kokepunktet for vann skulle være de to faste punktene på temperaturskalaen.. Celsius valgte 0 ^o som kokepunktet for vann og 100 ^o for smeltepunktet. Senere ble skalaen snudd og Celsiusskalen ble offisielt akseptert i 1948. Tidlig på 1800-tallet laget Kelvin (William Thomson), en temperaturskala basert på termodynamiske prinsipper bak koeffisientene for ekspansjon av ideelle gasser. Sammenhengen mellom trykk og temperatur i en gassmengde med konstant volum viser at ved økende avkjøling blir trykket stadig lavere, og ved en temperatur må trykket være lik 0. Kelvin skapte begrepet det absolutte nullpunkt (-273.15 ^oC). Man kan regne om fra ^oC til Kelvin (K) ved følgende formel K= (^oC +273.15). Ved det absolutte nullpunkt er ikke molekylene lenger er i bevegelse. Ved økende temperatur øker bevegelsesenergien til stoffets molekyler. Alt stoff over det absolutte nullpunkt sender ut varmestråling (temperaturstråling). Ved høy nok temperatur blir denne så kortbølget at vi kan se den med vårt øye (rødglødende).

De mest vanlige temperaturmålerene er:

1) Væsketermometeret som baserer seg på sammentrekning eller utvidelse av en væske (kvikksølv eller alkohol) når temperaturen endrer seg.

2) Termokobling (“termocouple”) hvor man måler spenningen som oppstår i loddstedet mellom to metaller.

3) Resistansetermometeret som baserer seg på at motstanden (resistansen) varierer med temperaturen. Termistoren som har fått navnet fra engelsk (“thermal resistor”).

4) Infrarødt termometer basert på Stefan-Boltzmanns lov.

Væsketermometer

Et væskereservoir med kvikksølv eller alkohol virker som temperaturføler og væsken beveger seg opp eller ned i et kapillarrør avhengig av temperaturen, med en kalibrert temperaturskala som bakgrunn. Væsketermometeret må beskyttes mot direkte solstråling.

Termokobling (termoelement)

Når to tråder av forskjellige metaller kobles i begge ender og den ene enden varmes opp går det en kontinuerlig strøm, og vi har en termoelektrisk krets. De to metallene kan tvinnes, loddes eller sveises i sammen. Dette ble oppdaget av Thomas Seebeck i 1821. Ved små forandringer i temperaturen er Seebeck-spenningen lineært proporsjonalt med temperaturen: V=aT, hvor a er Seebeck koeffisienten.Vi kan ikke måle Seebeck-spenningen direkte. Vi må koble termoelementet til et voltmeter og da har vi laget en ny termoelektrisk krets. Metallene som brukes i termokoblinger kan settes opp i en termoelektrisk spenningsrekke

.Kontaktspenningen for Cu/CuNi blir ca. -42 . Type T er en mye brukt termokobling til biologiske formål og har en rød og en blå ledning. Fe/CuNi har en kontaktspenning på ca. 53 mV K^-1 og er eksempel på en type T termokobling. mV K^-1 og er et termokobling type J.

Fra termokobling-tabeller (National Bureau of Standards) kan vi konvertere fra spenning til temperatur. Et termokobling behøver altså en kompensering for referansekoblingen. Dette kan skje ved en egen referansekrets (elektronisk ispunkt referanse) eller via programvare som kompenserer for effektene av referansekoblingen. Spenningen vi måler er ikke lineær med temperaturen i termokoblingen. I en datamaskin kan det brukes n-te-grads polynomer som tilnæring av temperatur ut fra spenning for de forskjellige typer av termolelementer.

hvor x er spenningen fra termokoblingen, a er polynomkoeffisienter som er unike for hver type termokobling. Det samme gjelder n-te graden av polynomet (n).

Ulempene ved termokobling er at de har ikke-lineær respons, de gir lav spenning, man trenger en referanse, de er lite stabile og lite følsomme. Fordelene er at det ikke trengs noen ekstern strømkilde. De er enkle, billige, robuste, kan lages små og har et bredt temperaturområde. Strømmen fra de fleste termokoblinger ved vanlig temperatur er mindre enn 20 mV. Resistansen for termokoblingen er satt til 100 ohm, men den vil variere med lengden på termokoblingsledningene, spesielt med tynne termokoblinger

Resistansetermometer (motstandstermometer)

Sir Humphrey Davy oppdaget i 1821 at resistansen (motstanden) i metaller viser en temperaturavehengighet. I 1871 laget Sir William Siemens platina resistansetermometere. Resistansetermometere i platina kan brukes i et bredt temperaturintervall. For disse stiger motstanden når temperaturen stiger. Ulempene ved resistansetermometere er selvoppvarming idet man trenger en ekstern strømkilde. De er dyre, og det er små endringer i motstanden som skal måles. Fordelen er at de er stabile, nøyaktige (platina) og har mer lineær respons enn termokoblingene. Pt-100 er en mye brukt termistor med positiv temperaturkoeffisient. Pt-100 har en motstand på 100 Ohm ved 0^oC og innen det biologiske temperaturområdet er det en lineær respons. Lik resistansetermometeret er er termistoren en temperaturfølsom motstand. Hos disse synker motstanden med økende temperatur. Termistoren er laget av halvledermateriale. I de fleste termistorene minker resistansen med økende temperatur.

Infrarødt termometer

Ethvert objekt med temperatur over det absolutte nullpunkt vil sende ut langbølget varmestråling. Bølgelengden avhenger av temperaturen.

Peltier-elementet brukt til nedkjøling

Peltier-elementet er den fysiske motsatsen til termoelementet og består av sammenkoblete alternerende halvledere som det sendes en elektronstrøm igjennom. Energien som elektronene har varierer fra metall til metall og ved overgangen mellom de to halvlederene må elektronene tilpasse seg det nye metallet. Hvis energien elektronene har med seg er større i den ene halvlederen enn den neste blir det varmeavgivelse, men ved overgangen til neste halvleder må elektronene ta opp energi fra omgivelse og gir avkjøling.