Temperatura powietrza

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->Temperatura powietrza. Definicje, skale, przyrządy, pomiary.1/5/10 7:21 PMKatedra Meteorologii i Oceanografii Nautycznej WN AM w GdyniMateriały dla studentów Wydziału Nawigacyjnego, kier. Nawigacja MorskaTemperatura powietrzaDefinicjeSkale termometrycznePrzyrządyWarunki pomiaru temperatury powietrzaPrzebieg dobowyiroczny,średnie,wartości charakteryzujące przebieg temperaturyDefinicje1.Temperatura- podstawowa wielkość określająca stan układu termodynamicznego,przyjmująca tą samą wartość dla układów będących w stanie równowagi termodynamicznej zesobą. Pomiar można przeprowadzić tylko w sposób pośredni, opierając się na zależności odtemperatury takich właściwości ciał, które można mierzyć bezpośrednio. Temperaturę ciałapodaje się w stopniach, a jej wartość zależy od przyjęterj skali termometrycznej... [za:Encyklopedia Powszechna PWN, 1976][Uwaga: oznaczenie stopni - przy skali Celsjusza - ° powinno odnosić się do konkretnychwartości temperatury, przy różnicach temperatury winno stosować się oznaczenie "deg"].2.Temperatura- funkcja wprost proporcjonalna dośredniejenergii kinetycznej cząstek(molekuł). W gazie idealnym T = (2 / (3*k))*K; gdzieK -średniaenergia kinetycznaprzypadająca na jedną cząsteczkę.Wartość 3*k (małe k, nie mylić z dużym K, stojącym poza nawiasami) stanowi stałą, przy czymkonkretna wartośćkzależy od przyjętej skali termometrycznej. W skali Celsjusza interwałtemperatury od punktu krzepnięcia wody do punktu wrzenia wody (przy ciśnieniu 1 atm) dzielisię na 100 równych części - stopni. W ten sposób, wielkośćk,którą nazywa się stałąBoltzmana, określa się drogą pomiarów właściwości wody. Eksperymentalnie określono,żek=1.38 * 10^-28 J/deg. [z: J.Orear, PHYSICS][Panowie -ponieważ część z Was reprezentuje poziom "alfizyków" - proszę bezwględnie zapamiętać,żetemperatura i ciepło to nie to samo.Zasób ciepła w substancji jest określony przez iloczyn temperatury, ilości (masy)substancji i jej ciepła właściwego. Podobnie proszę nie dokonywać porównań typu: "było2°C, jest 18°C, czyli jest 9razy cieplej".Takiego rodzaju porównania są bez sensu.]Ciepło właściwe- wielkość fizyczna równa stosunkowi ilości ciepła pobranego przezjednostkę masy substancji do zmiany temperatury powstałej w wyniku pobrania tegociepła. Stosuje się jednostki: J/kg*K, J/g * °C, cal/g * °C [ta ostatnia jest jednostkąpozaukładową, to znaczy nie jest jednostką w układzie SI, choć często jest jeszczestosowana]. Ciepło właściwe zależy od rodzaju substancji, jej fazy i sposobu ogrzewania.Na ogół ciepło właściwe cieczy jest większe od ciepła właściwego ciał stałych (szczególniePage 1 of 14Temperatura powietrza. Definicje, skale, przyrządy, pomiary.1/5/10 7:21 PMNa ogół ciepło właściwe cieczy jest większe od ciepła właściwego ciał stałych (szczególnieduże c.w. ma woda).Ciepło właściwe powietrza wynosi 0.25 cal/g (1.045 J/g * 1°C)[przyciśnieniu 1 atm, w przedziale temperatury od -120° do +400°C.Niektóre stałe fizyczne suchego powietrza:gęstość(g/l, g/dcm^3), przy ciśnieniu 1013.33 hPa: 1.424 (w temp. -25°C), 1.2929 (wtemp. 0°C), 1.2047 (w temp. +20°),współczynnik przewodnictwa cieplnegow tempeaturze 0°C: 2424.4 J/cm * s * deg (580cal/cm * s * deg),lepkość dynamiczna(0.1N * s/m^2; centypauzy; układ CGS) 0,000171 (w temp. 0°C);0,000181 (w temp. +20°C),rozpuszczalność w wodzie(ml/l przy ciśnieniu 1013.3 hPa): 29.18 (w temp. wody 0°C),18.68 (w temp. 20°C).Skale termometryczneUmowne systemy, za pomocą których opisuje się temperaturę substancji (ciała). W praktyce,spotkać się można z trzema skalami termometrycznymi:bezwzględna skala temperatury(inaczej międzynarodowa praktyczna temperaturaKelvina, potocznie nazywanaskalą bezwzględną).Punktem zerowym w skali Kelvina jest0 bezwzględne, odpowiadające temperaturze w skali Celsjusza -273.15°. Przejście zeskali Celsiusza na bezwględną skalę temperatury jest proste:K = t°C + 273,16.Jednostkątemperatury jest tu Kelvin (nie stopień Kelvina; temperaturę notujemy jako np. 293.5 K,(odpowiada 20,34°C) bez symbolu stopnia). W tej skali nie mogą wystąpić ujemnetemperatury ! Skala stosowana w praktyce meteorologicznej rzadko.skala Celsjusza.Oznaczenie: °C. Punktem zerowym jest punkt potrójny wody, uzyskanowymiar 1° dzieląc na 100 równych części interwał temperatury między puntem zerowym apunktem wrzenia wody przy normalnym ciśnieniu. Skala ta jest powszechnie stosowananaświecie,za wyjątkiem niektórych byłych kolonii brytyjskich i USA. W Wielkiej Brytaniiskala Celsjusza jest już przeważnie stosowana, choć można spotkać jeszcze w użyciu iskalę Fahrenheita. Przejście ze skali Celsjusza na skalę Fahrenheita przeprowadza sięnastępująco:t°F = (1.8 * t°C) + 32.skala Fahrenheita.Oznaczenie: °F. Punktem zerowym tej skali jest temperaturazamarzania mieszaniny salmiaku i lodu a temperaturę wrzenia wody określono na 212°F.W tej skali temperatura zamarzania wody destylowanej wynosi 32°F. Interwał temperaturymiędzy punktem krzepnięcia wody destylowanej a punktem wrzenia wody destylowanejpod normalnym ciśnieniem podzielono na 180 równych częsci, będących stopniamiFahrenheita [patrzcież Państwo, jakie to proste].1°F = 5/9 °C.Przejście ze skaliFahrenheita na skalę Celsiusza przeprowadza się za pomocą formuły:t°C = (5/9)*(t°F -32).Skala Fahrenheita jest powszechnie stosowana w USAIstnieją i inne skale termometryczne (np. Reaumura), mają one obecnie znaczeniehistoryczne i nie znajdują zastosowania w praktyce.Uwaga:Ponieważ wartości w skali Fahrenheita znajdują się w licznych pomocach nawigacyjnych (patrzchoćby Brown NA), na mapach faksymilowych, w biuletynach pogodowych, komunikatach,ostrzeżeniach, etc. każdy z Panów MUSI w sposób biegły przechodzić ze skali Celsjusza na skalęFahrenheita i odwrotnie. Znajomość formuł "na pamięć" jest BEZWZGLĘDNIE WYMAGANA.Page 2 of 14Temperatura powietrza. Definicje, skale, przyrządy, pomiary.1/5/10 7:21 PMPrzykłady przeliczeń temperatury:-20°F;ile to °C?; 5/9 = 0.5555... (-20 - 32) = -52, -52 * 0.5555 =-28.9°C80°F;ile to w °C? (80-32) = 48, 48 * 0.5555 =26.7°C,Jesteśmy zimą na wodach na E od Nowej Fundlandii. W komunikacie czytamy,żejestspodziewany gwałtowny spadek temperatury powietrza do0 - 5°Fi może wystąpić bardzointensywne oblodzenie statków. Czy rzeczywiście? Liczymy: (0-32) = -32; -32 * 0.5555 =-17.8°C;(5 - 32) = -27; -27 * 0.5555 =-15.0.Rzeczywiście może, lepiej,żebyprognozabyła błędna i było cieplej.Chory na statku ma temperaturę39.8°C.Amerykanin z MEDICAL-RADIO gdy to słyszy,twierdzi,żepomoc medyczna jest już zbędna. Z jakiego powodu? Jaka jest temperaturachorego w jednostkach, które byłyby zrozumiałe dla amerykańskiego strażaka poprzeszkoleniu medycznym lub amerykańskiego lekarza? Liczymy: (1.8 * 39.8) = 71.64;71.64 + 32 =103.6°F.Cóż, polski lekarz słysząc o takiej temperaturze chorego (103.6°)też by zwątpił, przypuszczalnie w taktowny sposób zwróciłby nam uwagę,żejesteśmyPPD (przygłupim pijanym dowcipnisiem).Przyrządy służące do pomiaru temperaturyPrzyrządy służące do pomiaru temperatury powietrza noszą ogólną nazwę termometrów lubtermografów. W meteorologii stosuje się kilka podstawowych grup przyrządów, wśród którychwyróżnia się:- termometry stacyjne, służące do pomiaru temperatury aktualnej,- termometry ekstremalne, służące do pomiaru temperatury maksymalnej i minimalnej w danymokresie (odcinku czasu),- termometry psychrometryczne (instalowane w psychrometrach aspiracyjnych),- termografy; przyrządy do pomiaru temperatury i jednoczesnego zapisu jej przebiegu w funkcjiczasu.Termometry stacyjnemogą być termometramicieczowymilub termometramielektrycznymi.Zwyczajowo określenie "termometr stacyjny" zarezerwowny jest na określenie termometrucieczowego. Jeśli jest to termometr rtęciowy, zazwyczaj jego zakres pomiarowy wynosi od -30°C do +50°C (bywają wykorzystywane i inne zakresy pomiaru temperatury). W przypadku, gdyzachodzi potrzeba pomiarów temperatury powietrza niższych od -30°C stosuje się termometryalkoholowe (nie cieszcie się Panowie, zazwyczaj jest to któryś z alkoholi wielocząsteczkowych),umożliwiających pomiar do -75 lub -90°C. Termometry stacyjne skalowane są co 0.2°C, odczytudokonuje się z dokładnością do 0.1°, interpolując położenie krańca słupka rtęci między kreskamiskali. Poszczególne służby meteorologiczne stosują ujednolicone typy termometrów stacyjnych(chodzi o to, aby termometry te miały jednakową dokładność, bezwładność cieplną, etc., czyliżebywykonywane pomiary temperatury były ze sobą całkowicie porównywalne). Termometrystacyjne, przed dopuszczeniem do użytku są sprawdzane w komorach termicznych, gdzie ichwskazania są porównywane ze wskazaniamitermometrów wzorcowych.Na podstawie tychporównań dany termometr otrzymujeświadectwocechowania(dopuszczające do użytku) oraztabelępoprawek instrumentalnych(patrz: poprawka instrumentalna). Termometr stacyjny wkażdym momencie wskazuje temperaturę aktualną, czyli taką, jaką w danej chwili ma powietrze,jeśli spełnione są standardowe warunki pomiaru (patrz:warunki pomiaru temperaturypowietrza).Odczytu temperatury dokonuje obserwator w wyznaczonym momencie obserwacji,stąd wartość temperatury powietrza poza momentami obserwacji pozostaje nieznana. Zewzględu na kruchość przyrządu (szkło), termometry stacyjne nie znajdują zastosowania nastatkach (niekiedy można spotkać się na niektórych statkach (najczęściej pływających podnarodową banderą Niemiec) z termometrami stacyjnymi, które znajdują się w "minibudkach"meteorologicznych, tworząc zazwyczaj parę: teremometru suchego i wilgotnego (razemPage 3 of 14Temperatura powietrza. Definicje, skale, przyrządy, pomiary.1/5/10 7:21 PMmeteorologicznych, tworząc zazwyczaj parę: teremometru suchego i wilgotnego (razemtworzącą psychrometr Augusta)).Obecnie na statkach spotyka się najczęściej z różnego rodzajutermometrami elektrycznymi(elektronicznymi),które w dogodnych miejscach (np. na konsoli sterowania na mostku) podająaktualną temperaturę powietrza. Czujnikami reagującymi na zmiany temperatury powietrza są wtych termometrach najczęściejtermistory(układy bardzo silnie zmieniające opór elektryczny wfunkcji temperatury) lub specjalnie konstruowane do tego celu układy półprzewodnikowe,których charakterystyki prądowe lub napięciowe silnie uzależnione są od temperatury złącza.Czujniki termometrów elektronicznych mają bardzo małą masę i rozmiary, stąd ich bezwładnośćcieplna jest minimalna (bardzo szybko ich temperatura wyrównuje się z temperaturąprzepływającego obok nich powietrza). Zmiany oporu (napięcia / prądu) czujnika odpowiedniukład zamienia z wielkości elektrycznej na wskazanie temperatury, wyświetlane przez czytnik,lub / i na postać cyfrową, możliwą do zapisania np. w komputerze (datalogerze). Takiegorodzaju czujniki temperatury powietrza (pod względem rozwiązań konstrukcyjnych jest ichwielka mnogość) stanowią również elementy pomiarowe w różnego rodzaju automatycznychstacyjkach / stacjach meteorologicznych, które z zadaną częstotliwością próbkowania (np. co 10minut, co godzinę) rejestrują wartości temperatury powietrza i innych elementówmeteorologicznych.Dla uchwycenia (pomiaru) najwyższej w danym okresie (zazwyczaj w ciągu doby) najwyższej(maksymalnej) i najniższej (minimalnej) temperatury, która zazwyczaj wystąpi w momentachmiędzy pomiarami temperatury na termometrze stacyjnym stosuje siętermometry ekstremalne.Na statkach termometry takie nie znajdują zastosowania. Termometr maksymalny i termometrminimalny umieszcza się w klatce meteorologicznej poziomo (faktycznie są one nachylone podniewielkim kątem do poziomu).Termometr maksymalnydziała na tej samej zasadzie, co znanyniemal wszystkim termometr lekarski. Zbiorniczek z cieczą rozszerzalną (zazwyczaj rtęcią)oddzielony jest od rurki pomiarowej kapilarą. W momencie zwiększania objętości rtęci podwpływem wzrostu temperatury, znaczne ciśnienie w zbiorniczku przepycha rtęć przez kapilarę iwysokość słupka rtęci w rurce pomiarowej rośnie. W przypadku spadku temperatury, rtęć wzbiorniczku kurczy się, słupek rtęci w kapilarze ulega przerwaniu i wysokość słupka rtęci wrurce pomiarowej pozostaje stała (nie opada). W ten sposób koniec słupka rtęci rejestrujenajwyższą temperaturę, jaka wystąpiła w czasie od ostatniego przygotowania termometru dopomiaru. Przygotowanie termometru maksymalnego do pomiaru polega na wyjęciu go zestatywu i strząśnięcia, podobnie jak to się robi z termometrem lekarskim. Po strząśnięciu należysprawdzić, czy wskazanie termometru maksymalnego jest zgodne ze wskazaniem termometrustacyjnego (powinno być zgodne, jeśli temperatura na termometrze maksymalnym jest wyższaniż na termometrze stacyjnym należy ponownie strząsnąć termometr maksymalny.Termometrminimalnyjest wypełniony którymś z alkoholi wielocząsteczkowych o bardzo niskiejtemperaturze krzepnięcia i dużym napięciu powierzchniowym. Rurka pomiarowa tegotermometru ma dość dużąśrednicę,wewnątrz rurki, w cieczy rozszerzalnej znajduje się barwnypręcik szklany, któregośrednicajest oczywiście mniejsza odśrednicyrurki. Ciecz rozszerzalna,zwiększając swoją objętość swobodnie przeciska się między pręcikiem aściankąwewnętrznąrurki i pręcik pozostaje w miejscu. W przypadku, gdy temperatura spada na tyle,żemeniskcieczy rozszerzalnej dojdzie do pręcika, duże napięcie powierzchniowe menisku przesuwa("ściąga") pręcik w stronę, w którą wędruje menisk. Ponowny wzrost temperatury i ruch meniskuw drugą stronę nie przesuwa pręcika. W ten sposób krawędź pręcika, skierowana w stronęmenisku wyznacza wartość minimalnej temperatury, jaka wystąpiła w okresie od ostatniegoprzygotowania termometru do pomiaru. Przygotowanie to polega na wyjęciu termometruminimalnego ze statywu i pochylenia go tak, aby pręcik przesunął się i oparł o menisk. Nienależy tego termometru strząsać !Odczytu temperatury maksymalnej i minimalnej dokonuje się na stacjach meteorologicznychzazwyczaj raz na dobę, w terminie porannej obserwacji (przeważnie o godzinie 0700 czasuPage 4 of 14Temperatura powietrza. Definicje, skale, przyrządy, pomiary.1/5/10 7:21 PMzazwyczaj raz na dobę, w terminie porannej obserwacji (przeważnie o godzinie 0700 czasuurzędowego lub miejscowego czasu słonecznego albo też w dwie godziny po wschodzieSłońca, zależy to w jakim reżimie pracuje dana stacja). Po odczycie termometry wyjmuje się zestatywu i przygotowuje do następnych pomiarów.Termometry psychrometrycznesą mniejsze od termometrów stacyjnych przez cocharakteryzują się nieco mniejszą bezwładnością cieplną. Ich skalowanie (co 0.2°C) jest takiesamo, jak termometrów stacyjnych. Montowane są w psychrometrach aspiracyjnych, lub też, wspecjalnych uchwytach, po dwa razem, na lince (sznurze) lub rzemyku - w psychrometrachprocowych (tak, tak, spotkacie się Panowie u niektórych armatorów z takim zabytkiem - iuważajcie - walnięcie psychrometrem procowym wścianęnadbudówki może być sprawąkosztowną (przeciętnie około 70 US$)). Pomiar temperatury powietrza za pomocą tychtermometrów nie odbiega w niczym od pomiaru wykonywanego termometrem stacyjnym. Odczyttemperatury, ze względu na mniejsze rozmiary termometrów jest utrudniony, z tego względuniektóre psychrometry fabrycznie wyposażone są w przesuwane lupki (Uwaga - termometrypsychrometryczne są postrachem dalekowidzów. Z tego względu dalekowidz winien byćzaopatrzony w lupkę z rączką).Termografysą przyrządami mierzącymi temperaturę i rejestrującymi jej przebieg w funkcjiczasu. Elementem reagującym na zmiany temperatury jest tu najczęściej czujnik deformacyjny,zmieniający swój kształt w funkcji zmian temperatury (np. rożek manometryczny wypełnionycieczą rozszerzalną lub element bimetaliczny). Zastosowanie tak mało czułych i mających dużąbezwładność cieplną elementów pomiarowych wynika z potrzeby uzyskania dość dużych sił,które zdolne będą pokonać opory tarcia w przekładni, przenoszącej ruch czujnikadeformacyjnego na wskazówkę zakończoną pisakiem i tarcia pisaka o papier (termogram).Ważnym elementem termografu jest bęben, wewnątrz którego znajduje się mechanizmzegarowy, obracający bęben ruchem jednostajnym. Mechanizmy zegarowe mają napędsprężynowy lub elektryczny. Na bęben naciąnięty jest termogram, będący paskiem papieru zwydrukowaną skalą czasową i skalą temperatury. Wskazówka, przenosząca ruchy czujnikatemperatury zakończona jest pisakiem, który kreśli na termogramie linię, odpowiadającąciągłemu zapisowi temperatury powietrza.Najczęściej stosowany jest termograf tygodniowy, w którym pełen obrót bębna trwa 168godzin. Dokładność wskazań termografu jest o rząd wielkości niższa niż termometru stacyjnego,w dobrym termografie realna dokładność odczytu temperatury wynosi około 1°C, dokładnośćodczytu czasu z reguły jest mniejsza od 15 minut.Page 5 of 14 [ Pobierz całość w formacie PDF ]