In the first lesson we did a historical review. Now we will work through the basic theory necessary for being able to measure temperature at all – thermodynamics and heat transfer. an

also vibrate. This vibration or heat LESSON 2 THERMODYNAMICS spreads because the vibrational energy is transferred from atom to atom. This is called thermal AND HEAT TRANSFER ­conduction. See the figure and table below.

A TEMPERATURE MODEL the same temperature, no heat is Medium Conductivity

– THE KINETIC THEORY transferred. We understand this av sig själv från en an The smallest constituent parts of a intuitively but it is not stated in any Solid materials W / (m K) - Ag, Cu 420, 380 hot body have greater movement of the other laws so it was added - Al (the element) 220 than those of a cold body. The afterwards and put first. All temper- - Stainless steel 15 average value of the kinetic vibra- ature measurement and calibration - Glass 0.93 tional energy of atoms and mol- are based on this axiom. - Wood, pine 0.1 – 0.4 ecules in a body is a measurement - Glass wool 0.035 övergår of its temperature. The first law: Liquids

(rörelse - )energi i sina minsta - Water 20 – 100 °C 0.60 – 0.68 Energy can neither be created nor Gases

destroyed but only converted be- - Air 20 – 100 – 300 °C 0.025 –bara omvandlas mellan olika 0.032 – 0.045 tween different energy forms. aldrig

Heat transfer by conduction. av sig själv från en ­Vibrational energy is transferred from

The second law:

atom to atom. In general, metals are This can be formulated in various the best conductors. Gases are the ways but the most suitable formu- worst. lation for measurement techniques

is that heat never moves by itself Metals are generally excellent övergår

from a cold body to a hot one. thermal conductors.baseras på denna sats. In liquids and

(rörelse - )energi i sina minsta gases the molecules maintain a

HEAT TRANSFER greater distance from each other, so

bara omvandlas mellan olika strålning . Kunskap om de olika utbredningssätten

There are three different the vibrations cannot be spread so aldrig

­mechanisms of heat transfer and easily. A vacuum does not contain

they can occur simultaneously­ any molecules so it cannoteller förstöras – conduct or separately: heat conduc- any heat. och tion, c­onvection and radiation. Know­ledge about these various Convection

­distribution methods is important Convection is motion within a fluid (= a sätt men ger att värme

for understanding what is happen- liquid or gas)och kalibrering baseras på denna sats. Termodynamik och värmeöverföring. ing in a measurement ­situation. Natural convection involves

så därför lade man till denna efteråt och placerade den först. den placerade och efteråt denna till man lade därför så

- movements generated by den- This understanding makes it Detta förstår man intuitivt men det framgår inte av någon av de av någon av inte framgår det men intuitivt man förstår Detta

konvektion sity differences due to temperature

possible to prevent measurement error by arranging­ the installation ­differences. A hot fluid is “lighter” strålning . Kunskap om de olika utbredningssätten so that the sensor does not disrupt than a cold one and “rises”.

Forced convection is achievedeller förstöras – by

the ­measurement process by e.g. och using mixers, pumps and fans. The In­creating accordance new withtransport the temperature routes for model shown above, in which atoms (or the heat flow. temperature of the fluid can thereby molecules) are vibrating, we can understandbecome that an moreatom evenwith athroughout high level itsof vibration will soon influence its neighbour to also vibrate. This vibration or heat volume. a sätt men ger att värme spreadsConduction because the vibrational energy is transferred from atom to atom. This is

This figure indicates that hot materials Heat transferoch kalibrering from a fluid to a have greater kinetic energy (energy calledIn accordance thermal conduction with the. Se temperae the figure- and tablesolid below. body is facilitated by increas- Termodynamik och värmeöverföring.

så därför lade man till denna efteråt och placerade den först. den placerade och efteråt denna till man lade därför så from motion) in their smallest consti- ture model shown above, in which ing the flow of the fluid. Similarly, it - tuent parts whereas colder materials Metals are generally excellent thermal conductors. In liquids and gases the Detta förstår man intuitivt men det framgår inte av någon av de av någon av inte framgår det men intuitivt man förstår Detta

atoms (or molecules) are vibrating,

is easier to transfer heat with a liquid have a lower kinetic energy level. moleculeswe can understandmaintain a greater that an distance atom from each other, so the vibrations cannot be konvektion ­Higher energy levels also usually than with a gas. This is because the spreadwith a so high easily. level A vacuum of vibration does notwill contain anyliquid molecules contains so itatoms cannot or conduct molecules any förebygga mätfel genom att arrangera installationen så givaren inte stör mätningen genom att skapa nya transportvägar för värmeflödet. I första I 2. lektionen Lektion gjorde vi en historisk tillbakablick. Nu kunna taget överhuvud att för teori grundläggande igenom vi går mäta temperatur En temperaturmodell - Livlighetsteorin En varm kropp har större rörlighet i sina minsta element än en kall kropp. kropp en i molekyler och atomer hos vibrationsenergin kinetiska den av Medelvärdet är ett mått på dennas temperatur. kall kropp till en varm. Värmeöverföring eller samtidigt uppträda kan värmeöverföring,vilka för mekanismer olika tre finns Det var för sig. ledning , är väsentlig för att förstå vad som händer i en mätsituation. Med förståelsen kan m Ledning Figuren antyder att varm materia har stor kinetisk bestånds delar, medan kallare materia innehåller lägre kinetisk energinivå. Dessutom kräver normalt högre energinivåer mera utrymme. Termodynamik Första huvudsatsen: energiformer. Andra huvudsatsen: Kan formuleras på lite olik För att förstå temperaturmätning måste man ha grundläggande kunskaper i termod ynamik och värmeöverföring. termisk i även de är då kropp, tredje jämvikten termisk med i är kroppar två Om har kroppar om värme ingen överförs så ord andra Med varandra. med jämvikt temperatur. samma huvudsatserna andra All tempereraturmätning Energi kan varken skapas ­require more space. heat. Ter modynamikens nollte huvudsats: soon influence its neighbour to that transfer its vibrational energy

THERMODYNAMICS Insulation To understand temperature meas- T1 T2 urement you must have a basic knowledge of thermodynamics and heat transfer. )))))))))))) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )

The zeroth law of thermodynamics: kall kropp till en varm. Om två kroppar är i termisk jämvikt med en tredje kropp, då är de även i termisk i även de är då kropp, tredje jämvikten termisk med i är kroppar två Om har kroppar om värme ingen överförs så ord andra Med varandra. med jämvikt temperatur. samma huvudsatserna andra All tempereraturmätning bestånds delar, medan kallare materia innehåller lägre kinetisk energinivå. Dessutom kräver normalt högre energinivåer mera utrymme. Termodynamik För att förstå temperaturmätning måste man ha grundläggande kunskaper i termod ynamik och värmeöverföring. Ter modynamikens nollte huvudsats: förebygga mätfel genom att arrangera installationen så givaren inte stör mätningen genom att skapa nya transportvägar för värmeflödet. Ledning I första I 2. lektionen Lektion gjorde vi en historisk tillbakablick. Nu kunna taget överhuvud att för teori grundläggande igenom vi går mäta temperatur En temperaturmodell - Livlighetsteorin En varm kropp har större rörlighet i sina minsta element än en kall kropp. kropp en i molekyler och atomer hos vibrationsenergin kinetiska den av Medelvärdet är ett mått på dennas temperatur. Värmeöverföring eller samtidigt uppträda kan värmeöverföring,vilka för mekanismer olika tre finns Det var för sig. ledning , är väsentlig för att förstå vad som händer i en mätsituation. Med förståelsen kan m Figuren antyder att varm materia har stor kinetisk If two bodies are in thermal equilib- Hot Första huvudsatsen: Energi kan varken skapas energiformer. Cold Andra huvudsatsen: Kan formuleras på lite olik rium with a third body, then the first T1>T2 sink two bodies must also be in ther- Source mal equilibrium with each other. Heat transfer by conduction. Vibrational energy is transferred from atom to atom.T2°C In other words, if the bodies have HeatIn general, transfer metals by conduction. are the bestVibrational conductors. energy Gasesis transferred are the from worst. atom to atom. In general, metals are the best conductors. Gases are the worst.

Medium Conductivity Solid materials W / m K - Ag, Cu 420, 380 - Al (the element) 220 - Stainless steel 15 - Glass 0.93 - Wood, pine 0.1 – 0.4 - Glass wool 0.035 Liquids - Water 20 – 100 °C 0.60 – 0.68 Gases - Air 20 – 100 – 300 °C 0.025 – 0.032 – 0.045

This table shows the thermal conductivity of several different mediums. The values are approximate.

Convection Convection is motion within a fluid (= liquid or gas) Natural convection involves movements generated by density differences due to temperature differences. A hot fluid is “lighter” than a cold one and “rises”. Påtvingad konvektion erhålls genom omrörare, pumpar och fläktar. Fluidens temperatur kan då bli jämnare över volymen.

Värmeöverföring från fluid till fast kropp underlättas av ökad fluidomströmning. Likaså är det lättare att överföra värme med en vätska än med en gas. Det beror på att vätskan har atomer eller molekyler som överför sin vibrationsenergi tätare. I vakuum förekommer ingen konvektion i brist på molekyler.

Figuren visarblocks exempel some of på the radiant heat, as most of us know from experience. konvektion iHeat eluppvärmd is transferred via convection ackumulatortank.between the person’s body and the air (e.g. via the ocean breeze). Heat Värmeväxlarenis conducted eller elpatronen between the body and värmer upp thevattnet sand. Thevars direction is from the molekyler påhigher grund temperature av ökad to the lower one. Thermal radiation is an vibrationsenergioften- ­ignoredblir mer source of error in åtskilda. Därmed­temperature minskas measurement. densiteten ochExamples: den varma • Reflectors for pyrometers fluiden stiger.• TheDå effectfluiden on a sensor when the svalnar genom surrounding värmeläckage surfaces differ in temperature from the fluid. eller uttag till• värmeväxlare In the case of combustion, the InputTill packas molekylerna thermal radiationsamman is significant. Forced convection is achieved by using mixersmed, pumps den andminskand fans. Thee temperature of This figure shows an theexample fluid canof convection thereby become in an electrically more even heated throughout hot water its volumeA product. that measures the air storage tank. The heat exchanger or immersion heater heats the water,vibrationsenergin whose ­temperature och andsjunker takes into account molecules become more spread out due to their increased vibrational energy. the effect of radiation is the black Their density is therebyHeat decreased transfer and from the ahot fluid fluid to rises. a solid When body the isfluid facilitated cools by increasing the flow of the globe thermometer. A product that Vattendue to heat överför loss or heat värmefluid. extraction Similarly, bättre to a heatitän is Strålning luftexchanger,easier to thetransfer molecules heat becomewith a liquid than with a gas. This is packed more tightly due to their reduced vibrational energy and they sink. mostly measures thermal radiation I figuren nedan strömmarbecause the en liquid fluid Strålningcontains i ett rör. äratoms enVinkelrätt elektromagnetiskor molecules mot thatströmningsriktningen vågrörelse transferis the its(IR Plate -vibrationalområdet) Thermometer som ärenergy en inte Heat behöver Flux ett givar-spets med moreØ 3 denselymm instucken. No convectionmedium till förrörets isvärmetransporten. possible centrum. in a vacuum FlödetVakuum becauseutgörströmmarMeter alltså (PTHFM).it doesin getmed nothinder 8 contain m/s för strålningsvärme more densely. No convectionany molecules is pos.- och det är solstrålning ett bevis för. ochsible inhar a vacuum temperaturen because it does är 50 °C. I värmeöverföringsteorin talar man om not contain any molecules. värmeövergångstal, Nettostrålningen a (alfa), mellan somtvå kroppar går från Temperaturgivare Thisvarm 2figure till showskall kropp. an example Alla kroppar som har Water transfers heat anges i W/mtemperaturK, d vöver s överfördabsoluta nollpunkten, 0 better than air of convection in an electrically effekt per kvadratmeterheatedkelvin hot (= -water273,15°C), ochstorage gradutstrålar tank C .värmeenergi. In the figure below, a fluid is flowing The heattemperatur exchanger- orskillnad. in a pipe. At a right angle to the flow Solbadsbilden härintill illustrerar solens direction, a sensor probe with a Ø 3 immersion heater heats the Värmeövergångstaletstrålningsvärme. varierar Ett medmoln hindrar mm has been inserted to reach the 50 °C typ av fluid.water,strålvärmen, whoseFör molecules vilketvatten de flesta ger vet av erfarenhet. centre of the pipe. The flow has a become more spread out due velocity of 8 m/s and a temperature beräkningar Viai konvektiondet här förs speciella värme mellan kropp och to theirluft (havsbrisen) increased2 .vibrational Värme led s mellan kroppen of 50 °C. In heat transfer theory we energy. Their density is thereby speak about the heat transfer coef- exemplet 47 och000 sandenW/m K . medanRiktningen luft är från hög decreased and the hot fluid ficient, h (alpha), which is given in Radiationtemperatur till lägre. inte förmår överföra mer än 160 2 2 rises. When the fluid cools due W/(m K), that is, the amount of heat Radiation is an electromagneticW/m K. Vattnet överför alltså här transferred per square metre and waveVärmestrålning movement är (in en the ofta infrared förbisedd felkällato heat vid loss temperaturmätning: or heat extraction närmaredegree C of 300 temperature gånger difference. meraInput effekt range)Exempelän luften. that does not require a medito- a heat exchanger, the The heat transfer coefficient varies um• Reflexerfor transporting till pyrometrar heat. A vacuummolecules become packed with the type of fluid and its velocity. • Påverkan på givare när ytor skiljer i temperatur från fluiden I vardagslivet har vi lärt oss att viis kan therefore vistas no långobstacle tid toi enradiant bastu more som tightly är 70due-80 to their°C varm. In this particular example the calcu- heat,• Vid as förbränning solar radiation är värmestrålning proves. reduced betydande. vibrational energy and Däremotlations give skullea coefficient vi aldrig for waterfrivilligt of komma The net på radiation idén att between doppa two pekfingret i en kastrull med 2 they sink. vatten47,000 W/(mav sammaK) whereas temperatur! air cannot bodiesEn produkt travels som from mäterthe hot medelvärde to the mellan lufttemperatur och strålningen är transfer more than 160 W/(m2K). cold body. All bodies with a temper- Globtermometern. En produkt som huvudsakligen mäter värmestrålningen är Plate Thus in this example Waterwater transfers transfers heatatureThermometer better above than absolute Heat air Flux zero Meter (0 Kelvin (PTHFM) almost 300 times moreIn heatthe figure than air.below, =a -273.15°C)fluid is flowing radiate in athermal pipe. At energy. a right angle to the flow direction, a In life we have learnedsensor that probe we with a ØThe 3 mm sunbathing has been image inserted here illusto reach- the centre of the pipe. The can spend a long timeflow in ahas sauna a velocity tratesof 8 m/s the andsun’s a radiant temperature heat. A of cloud 50 ° C. In heat transfer theory we that is 70-80 °C hot. But we would speak about the heat transfer never voluntarily Temperature sensor coefficient, a (alpha), which is think of putting 2 given in W/mIf youK, would that is,like the to discoveramount even our finger into a more about temperature measure- saucepan con- of heat ment,transferred Pentronic per offers square courses in taining water of metre and“Traceable degree C temper of temperatureature­ measure - the same tem- 50 °C BILD PÅdifference. PTHFM frånment” Sara.The in Västervik heat ortransfer at your own perature! coefficient­premises varies ifwith required. the type For moreof fluid. In this­information particular visit example www.pentronic.se the calculations give a coefficient for 2 water of 47,000 W/m K whereas air 2 cannot transfer more than 160 W/m K. Thus in this example water transfers almost PENTRONIC’S PRODUCTS AND SERVICES PENTRONIC NEWS 2017-2 • VOL. 9 300 times more heat than air. Temperature sensors Connectors and cables Temperature transmitters In life we haveIR learned pyrometers that we can spend a long time in a sauna that is 70-80 °C hot. Temperature indicators But we would Temperaturenever voluntarily controllers think of putting our finger into a saucepan containing Dataloggers water of the sameTemperature temperature! calibration equipment Bergsliden 1, SE-593 96 Västervik Tel. 0490-25 85 00, Fax. 0490-237 66 Temperature calibration services Training courses in temperature www.pentronic.se Moisture and thickness monitors Flow meters GFM Glass flow meters Electro-optical test systems Subscribe to Pentronic News at our website www.pentronic.se