Jenis – jenis Termometer

Jenis – jenis Termometer

Seperti telah dijelaskan di atas, jenis-jenis termometer bergantung pada sifat fisis zat (thermometric property) yang digunakan. Jenis-jenis termometer yang lazim digunakan antara lain dapat dijelaskan sebagai berikut.

·                     Termometer Gas Volume Tetap

Sesuai dengan namanya, termometer ini dibuat berdasarkan pada perubahan tekanan gas karena adanya perubahan temperatur. Volume gas dapat membesar karena kenaikan temperatur yang diikuti oleh penurunan tekanan gas dan dapat mengecil karena penurunan temperatur yang diikuti oleh kenaikan tekanan gas. Jadi, pada termometer gas volume tetap, thermometric property-nya adalah tekanan gas (p) yang diwakili oleh perubahan panjang kolom air raksa (raksa). Ini berarti p = p ( T ). Adapun bentuk skematis termometer gas volume tetap seperti dilukiskan pada gambar 2.4 berikut.

Gambar 2.4 Termometer Gas Volume Tetap

Bagaimanakah cara kerja termometer gas volume tetap seperti gambar 2.7 ?

Apabila benda yang akan diukur temperaturnya (A) disentuhkan pada bola B, maka gas

dalam bola B akan memuai dan mendesak air raksa dalam pipa C ke bawah dan dalam pipa E ke atas. Pipa C dan pipa E dihubungkan dengan pipa karet D yang lentur dan dapat ditarik ke bawah atau ke atas.

Apabila gas bola B memuai dan mendesak air raksa dalam pipa C, maka volume gas bertambah. Agar volume gas tetap seperti semula, yaitu pada pengatur permukaan raksa, maka pipa karet D dapat dinaikkan atau diturunkan, sehingga volume gas pada bola B dapat dijaga tetap.

Pada keadaan 1, misalnya pada titik tetap es yang sedang melebur atau air yang sedang membeku di bawah tekanan udara luar 1 atmosfer, tinggi raksa adalah h1 dan tekanannya p1 . Pada keadaan 2, misalnya pada titik didih air atau titik embun air di bawah tekanan udara luar 1 atmosfer, tinggi raksa adalah h2 dan tekanannya adalah P2 . Dalam hal ini kita dapat melakukan interpolasi linier (membuat titik-titik atau harga tertentu diantara kedua titik tetap) dan ekstrapolasi linier (membuat titik-titik tertentu di luar kedua titik tetap).

Jika kaki-kaki manometer mempunyai luas penampang yang sama, misalnya seluas A, tinggi cairan raksa yang berada di atas tanda volume tetap (pengatur permukaan raksa) adalah h, sedangkan massa jenis raksa adalah ρ, maka untuk percepatan gravitasi bumi g dan tekanan udara luar sebesar po , berlaku persamaan-persamaan berikut.

p1   = po + ρ g h1 p2   = po + ρ g h2 p   = po + ρ g h

Dengan menggunakan persamaan (p V / T) = C dengan volume V tetap dan subsitusi sederhana dapat diperoleh persamaan:

T  = T1 + {(h – h1 ) / (h2 – h1 )}{T2 – T1 }  . . . . .            (2.7)

Dengan mengambil T1 = temperatur titik lebur es atau titik beku air pada tekanan udara luar 1 atmosfer = 00C = 273 K dan h1 = tinggi raksa pada saat disentuhkan pada es yang sedang melebur, serta T2 = temperatur titik didih air atau titik embun air pada tekanan 1 atmosfer = 1000 C = 373 K dan h2 = tinggi raksa pada saat disentuhkan pada air sedang mendidih, sedangkan h adalah sembarang posisi permukaan raksa di kaki E, maka temperatur T dapat diketahui, karena temperatur T merupakan fungsi linier tinggi raksa h.

·                     Termometer Gas Tekanan Tetap

Termometer gas tekanan tetap dibuat berdasarkan pada perubahan volume gas yang berubah karena adanya perubahan temperatur. Pada proses volume tetap, kenaikan temperatur mengakibatkan tekanan gas naik dan sebaliknya penurunan temperatur akan mengakibatkan tekanan gas menurun. Pada proses tekanan tetap, volume gas akan bertambah jika temperatur gas naik dan sebaliknya volume gas akan mengecil jika temperatur gas turun. Jadi, pada termometer gas tekanan tetap, thermometric property-nya adalah volume gas (V) yang diwakili oleh panjang kolom air raksa. Ini berarti  V = V ( T ).

Dengan cara yang sama seperti di atas, dapat dituliskan persamaan berikut.

T  = T1 + {(V – V1 ) / (V2 – V1 )} (T2 – T1 ) . . . . .      (2.7)

Dengan menggunakan persamaan 2.9 dapat ditentukan harga temperatur sembarang T karena volume gas dalam bola B dapat diukur, yaitu V.

·                     Termometer Cairan

Termometer cairan dibuat berdasarkan pada perubahan volume cairan karena adanya perubahan temperatur. Namun karena luas penampang kolom cairan A dipandang tetap, maka perubahan volume cairan dapat diwakili oleh perubahan tinggi kolom cairannya. Ini berarti Thermometric Property-nya adalah panjang atau tinggi kolom cairan, sehingga dapat diperoleh  L  = L ( T ). Adapun skematis termometer cairan seperti gambar 2.4 berikut.

 Gambar 2.5 Termometer Cairan

Pada dasarnya, temperatur untuk termometer cairan seperti gambar 2.9, harga temperaturnya diukur dengan perubahan volume cairan dengan persamaan:

T  = f (V)       . . . . .          (2.8)

Jika untuk titik-titik tetap dengan temperatur T1 dan T2 volume cairan masing-masing V1 dan

V2 , maka interpolasi dan eksptrapolasi linier ditentukan dengan persamaan

T  = T1   + {(V – V1 ) / (V2 – V1 )} (T2 – T1 )               . . . . .     (2.9)

Selanjutnya, jika tandon cairan mempunyai volume V₀  dan luas penampang tabung

halus adalah A, maka volume dapat dinyatakan dengan panjang tabung L di atas tandon cairan dengan persamaan-persamaan berikut:

V₁ = V₀ + AL₁

V₂ = V₀ + AL₂

V = V₀ + AL

Dengan melakukan substitusi sederhana dapat diperoleh persamaan berikut.

T  = T1 + {(L – L1 ) / (L2 – L1 )} (T2 – T1 )     . . . . .   (2.10)

Dengan menggunakan persamaan 2.10 dapat ditentukan harga sembarang temperatur T karena harga L dapat diukur. Tegasnya, ukuran temperatur dapat dilaksanakan dengan mengukur panjang kolom cairan di atas tandon cairan.

·                     Termometer Hambatan Listrik

Termometer hambatan jenis dibuat berdasarkan pada perubahan hambatan jenis suatu penghantar karena adanya perubahan temperatur. Ini berarti Thermometric Property-nya adalah hambatan suatu konduktor, sehingga R  =  R ( T ). Adapun skematis termometer hambatan listrik seperti gambar 2. Berikut

Gambar 2.5 Termometer Hambatan Listrik

Keterangan gambar. A = ampermeter

B = benda yang akan diukur temperaturnya

E = elemen atau batu batere standar

R = hambatan atau konduktor

RG = hambatan geser

S = saklar

Hambatan listrik (R) dari berbagai konduktor atau zat berubah menurut temperaturnya. Perubahan ini akan sangat jelas jika temperaturnya sudah mendekati harga – 273 0C. Ini berarti, mulai suatu temperatur tertentu, hambatan listrik tiba-tiba menjadi sangat kecil atau dapat dikatakan konduksi listriknya menjadi sangat besar. Hal ini, dalam istilah kelistrikan disebut sebagai konduktor supra.

Batas-batas temperatur untuk menjadi konduktor supra untuk berbagai konduktor berbeda- beda. Bahkan ada zat yang tidak dapat diketahui batas-batas temperaturnya karena kesulitan untuk membuat temperatur rendah.

Hambatan listrik yang berubah karena perubahan temperatur ini dapat digunakan untuk mengukur temperatur dan dalam hal ini digunakan daerah hambatan listrik di atas konduktor supra.

Sesuai dengan perubahan temperatur T, hambatan listrik R dapat berubah, sehingga untuk tegangan batere yang standar kuat arus listriknya juga ikut berubah. Jadi kuat arus listrik menjadi thermometric property dari termometer hambatan listrik. Untuk keperluan praktis, kalibrasi alat ini diperlukan; karena yang berubah adalah hambatan listriknya (R), tetapi yang terukur adalah kuat arus listriknya (I).

Menurut Callendar (1886), untuk pengukuran yang presisi (pengukuran yang tepat dan akurat) digunakan hambatan listrik platina dengan menggunakan rumus empiris berikut.

T  = {(Rt – R0 ) / (R100 – R0 )} 100 + δ {(T / 100) – 1} (T / 100)   . . . . .  (2.11)

dengan T sebagai temperatur dalam 0C, sedangkan Rt , R0 , dan R100 masing-masing adalah hambatan listrik dalam ohm (Ω) untuk temperatur T, temperatur titik es, dan temperatur titik uap air, serta δ adalah konstanta yang harganya bergantung pada karakteristik hambatan platina dan diperoleh melalui kalibrasi pada titik belerang.

Dengan jalan yang sama, secara teoritis, kalibrasi antara hambatan R dengan kuat arus listrik I yang menggunakan batere standar dapat digunakan persamaan berikut.

T  = {(It – I0 ) / (I100 – I0 )} 100 + δ {(T / 100) – 1} (T / 100)         . . . . .  (2.12)

Termometer hambatan listrik mempunyai beberapa keuntungan, antara lain:

1.   hambatan R dapat ditanam dalam benda pejal (masif) yang akan diukur temperaturnya

2.   batas ukurnya sangat lebar, yakni dari –253 0C sampai 1200 0C (ada yang menyatakan sampai titik lebur platina, yakni 1760 0C)

3.   ketelitian termometer hambatan listrik platina dapat mencapai 10 – 3 derajat celcius atau 0,001 0C.

Termometer hambatan listrik dapat dibuat mini dan portable (dapat dibawa kemana-mana dengan bobot yang ringan). Volume termometer mini ini adalah 1 mm3 dan dapat digunakan untuk mengukur temperatur dari –20 0C sampai 120 0C. Termometer hambatan listrik dengan ukuran mini ini disebut termizet.

·                     Termometer Termokopel

Termometer termokopel dibuat berdasarkan pada: (1) adanya gaya gerak listrik (ggl) Seebeck, (2) adanya ggl Peltier, dan (3) adanya ggl Thomson pada sambungan dua logam yang berbeda jenisnya, serta (4) adanya perubahan temperatur pada sambungan dua logam. Ini berarti termometer termokopel dibuat berdasarkan pada hasil percobaan Seebeck, Peltier, dan Thomson.

Pada tahun 1826 Thomas Johann Seebeck menemukan bahwa ggl dapat ditimbulkan dengan cara-cara termal. Jika logam A disambungkan dengan logam B dan kedua sambungan berbeda temperaturnya, maka akan timbul ggl termal atau ggl Seebeck yang disebabkan karena adanya kerapatan elektron bebas dalam logam yang berbeda temperaturnya.

Apabila dua logam A dan B yang berlainan jenisnya disambungkan dan kedua sambungan itu berbeda temperaturnya, maka elektron-elektronnya berdifusi dari logam A ke logam B atau sebaliknya. Kedua sambungan berfungsi sebagai sumber ggl dan jika ada arus listrik dari logam yang satu ke logam lainnya, maka ada tenaga yang dibebaskan atau diabsorbsikan. Perpindahan tenaga ini berbentuk aliran kalor di antara sambungan dan sekelilingnya. Kalor ini disebut kalor Peltier (Jean C.A. Peltier adalah penemu kalor yang mengalir di antara dua sambungan logam yang berbeda jenisnya dan berlainan temperaturnya dan beliau adalah seorang ahli Ilmu Alam bangsa Perancis).

Eksperimen menunjukkan, bahwa kalor Peltier yang dipindahkan pada setiap sambungan berbanding dengan jumlah muatan listrik yang melewati sambungan dan membalik arahnya apabila arus listrik juga membalik arahnya. Jumlah tenaga panas (dalam joule) yang diabsorbsikan atau dibebaskan pada sambungan logam-logam A dan B per jumlah muatan listrik (dalam coulomb) yang dipindahkan disebut ggl Peltier (πAB ).

Gambar 2.7