તાપમાપન

તાપમાપન (temperature measurement) : તાપમાનનું માપન. તાપમાન એટલે અણુની સરેરાશ ગતિજ ઊર્જા અને ગરમી (ઉષ્મા) એટલે પદાર્થના બધા અણુઓની કુલ ગતિજ ઊર્જા. તાપમાન અંશ(degree)માં અને ગરમી કૅલરીમાં મપાય છે. તાપમાન એ મૂળભૂત એકમ નથી. પરંતુ સાધિત (derived) એકમ છે. માટે તેની વ્યાખ્યા કરવી મુશ્કેલ છે. ગરમીને લીધે પદાર્થના અમુક ગુણધર્મોમાં થતા ફેરફાર દ્વારા પદાર્થનું તાપમાન માપવામાં આવે છે. તાપમાન માપવામાં નીચેના ફેરફારો ઉપયોગમાં લેવાય છે :

(1) ભૌતિક સ્થિતિ, (2) રાસાયણિક સ્થિતિ, (3) પરિમાણો,  (4) વીજ ગુણધર્મો અને (5) વિકિરણ ગુણધર્મો.

આમાંના કોઈ ફેરફારો તાપમાનનું નિરપેક્ષ માપ આપતા નથી, પરંતુ કોઈ નક્કી કરેલા પ્રમાણ સાથે સરખાવી સાપેક્ષ માપ આપે છે.

તાપમાન ડિગ્રી સેન્ટિગ્રેડ (°C), ફેરનહાઇટ (°F) કે રેન્કિન(R)માં દર્શાવાય છે. આ બધાં માપ વસ્તુના ગુણધર્મો પર આધારિત છે, જેમ કે ડિગ્રી સેન્ટિગ્રેડ માપ સામાન્ય દબાણે અને તાપમાને રાખેલ પાણીના ગલનબિંદુ અને ઉત્કલનબિંદુ વચ્ચેના માપના સરખા 100 ભાગ કરવાથી મળે છે. ડિગ્રી સેન્ટિગ્રેડ, ફેરનહાઇટ અને રેન્કિન માપ વચ્ચે ચોક્કસ સંબંધ છે અને તેને લીધે એક માપને બીજા માપમાં ફેરવી શકાય છે.

તાપમાન માપનાર સંવેદકમાં કયા પ્રકારનો ફેરફાર થાય છે તેને ધ્યાનમાં લઈને તાપમાન માપતાં સાધનોનું વર્ગીકરણ કરવામાં આવે છે. અહીં બતાવ્યા મુજબ ચાર મુખ્ય વર્ગોમાં આ સાધનો મૂકી શકાય : (1) પ્રસરણ થરમૉમીટરો, (2) સ્વરૂપમાં ફેરફાર થરમૉમીટરો, (3) વીજઅસરથી તાપમાન માપતાં ઉપકરણો, (4) વિકિરણ અને પ્રકાશીય ઉચ્ચતાપમાપન ઉપકરણો.

પ્રસરણ થરમૉમીટરો : પ્રસરણ થરમૉમીટર તાપમાન માપવા માટે બહોળા પ્રમાણમાં વપરાય છે. આ પ્રકારને ત્રણ વર્ગમાં વહેંચી શકાય :

(1) ઘન સ્વરૂપ પ્રસરણ : (અ) ઘન સળિયા તાપમાપકો, (બ) દ્વિ-ધાતુ તાપમાપકો.

(2) પ્રવાહી સ્વરૂપ પ્રસરણ : (અ) કાચનળીમાં પ્રવાહી તાપમાપકો, (બ) ધાતુનળીમાં પ્રવાહી તાપમાપકો.

(3) વાયુસ્વરૂપ પ્રસરણ : (અ) વાયુ થરમૉમીટરો.

ધાતુ ગરમ થાય ત્યારે તેનું પ્રસરણ થાય. આ પ્રસરણ તાપમાનના પ્રમાણમાં થાય છે. જ્યારે બે જુદી ધાતુઓ કે જેનો પ્રસરણાંક જુદો હોય તેને પાકું રેણ કરી ભેગી કરી ગરમ કરવામાં આવે તો તે દ્વિ-ધાતુના છૂટા છેડાનું વિચલન થાય છે. આ વિચલન તાપમાનના પ્રમાણમાં થાય છે. માટે વિચલનથી તાપમાન માપી શકાય છે. દ્વિ-ધાતુ પ્રસરણસિદ્ધાંત ઉષ્મા સ્થાપી(thermostat)થી પણ વપરાય છે. નિશ્ચિત કરેલ તાપમાન મળી ગયા પછી જે સ્રોતમાંથી ગરમી મળતી હોય તેને ઉષ્માસ્થાપી બંધ કરી દે છે અને તે રીતે તાપમાન નિશ્ચિત આંકથી વધતું નથી. પાણી ગરમ કરવાનાં વીજ-સાધનો, વીજ-ભઠ્ઠીઓ વગેરેમાં ઉષ્માસ્થાપી વપરાય છે. આકૃતિ 1માં જુદા જુદા પ્રકાર/આકારના દ્વિ-ધાતુ સંવેદકો કે જે તાપમાપક કે ઉષ્માસ્થાપીમાં વપરાય છે તે દર્શાવ્યા છે :

તાપમાપકોના પ્રકાર, તાપમાનનો વ્યાપ અને ચોકસાઈ

ક્રમાંક	તાપમાનમાપકનો પ્રકાર	તાપમાન વ્યાપ(°Cમાં)	ચોકસાઈ (°Cમાં)
1.	ગ્લાસ થરમૉમીટરો (i) પારો ભરેલા (ii) પારો અને નાઇટ્રોજન ભરેલા (iii) આલ્કોહૉલ ભરેલા	–39થી 400 –39થી 540   –70થી 65	0.1થી 1 0.1થી 5.5   0.5થી 1
2.	દબાણ-પ્રેરિત થરમૉમીટરો (i) બાષ્પ દબાણ પ્રકારના (ii) પ્રવાહી અથવા વાયુ ભરેલા	11થી 200 –130થી 540	1થી 5.5 1થી 5.5
3.	દ્વિ-ધાતુ તાપમાપકો	–74થી 540	0.3થી 14
4.	ઉષ્મા-યુગ્મો (i) બેઇઝ ધાતુ (ii) મોંઘી ધાતુ- (precious metal)	–185થી 1150 –185થી 1150	0.3થી 11 0.3થી 11
5.	પ્રતિરોધ થરમૉમીટરો	–240થી 980	0.003થી3
6.	ચલપ્રતિરોધકો (thermistors)	–100થી 260	સમય પર આધારિત
7.	પાયરોમીટર (ઉચ્ચતાપમાપક) (i) પ્રકાશીય   (ii) વિકિરણ	760 અને તેથી વધુ 540 અને તેથી વધુ	11 કાળી વસ્તુ માટે 11થી 16 વસ્તુ માટે
8.	સંગલન (fusion)	590થી 3600	20થી 30

કાચની નળીમાં પ્રવાહીપ્રસરણ પ્રકારના તાપમાપકો એ તાપમાનમાં સૌથી વધુ પરિચિત વર્ગ છે. આ સાધનમાં નીચે કાચનો ગોળો હોય છે. તેમાં પ્રવાહી સ્વરૂપે પારો અથવા આલ્કોહૉલ ભરવામાં આવે છે. ગોળાના ઉપરના ભાગે કેશનળી (capillary tube) હોય છે જેના પર આંકા પાડવામાં આવે છે. તાપમાનની અસરથી ગોળાના પ્રવાહીનું પ્રસરણ થાય છે. પ્રસરણને લીધે કેશનળીમાં પ્રવાહી ઉપર ચડે છે. પ્રસરણ તાપમાનના પ્રમાણમાં હોઈ પ્રવાહીની ઉપલી સપાટી તાપમાન દર્શાવે છે. જુઓ આકૃતિ 2.

પારાનું થરમૉમીટર –39° સે.થી 400° સે. વ્યાપના તાપમાન જ્યારે આલ્કોહૉલ થરમૉમીટર –70° સે.થી 65° સે. વ્યાપના તાપમાન માપવા માટે વપરાય છે. આ થરમૉમીટરની ચોકસાઈ 0.1° સે.થી વધુ હોતી નથી. શરીરનાં તાપમાન માપવા ડૉક્ટર જે થરમૉમીટર વાપરે છે તે કાચની નળીમાં પારાવાળું થરમૉમીટર છે.

કાચ નળીના થરમૉમીટરની મોટી મર્યાદા એ છે કે ઠોકર લાગતાં તે તૂટી જાય. વળી તેને વાપરવા માટે ચોક્કસ સ્થિતિમાં રાખવું પડે છે. આ કારણસર અમુક ઉપયોગો માટે ધાતુનળીમાં પ્રવાહીવાળાં થરમૉમીટર વપરાય છે.

ધાતુનળીમાં પારાવાળું થરમૉમીટર જેમાં ગોળો, કેશનળી અને ‘બોર્ડોન’ નળી આવેલાં છે તે દર્શાવ્યું છે.

ધાતુનળીમાં પ્રવાહીને બદલે વાયુભરેલાં થરમૉમીટરો પણ પ્રચલિત છે. બંનેનો સિદ્ધાંત તેમજ સામાન્ય રચના: ગોળો, કેશનળી, બોરડોન નળી વગેરે સરખી છે. વાયુ થરમૉમીટરો પ્રમાણમાં સસ્તાં, વાતાવરણના તાપમાનની અસરથી અચળ તેમજ નાના કદના ગોળાની જરૂરિયાતવાળાં હોય છે. પરંતુ તેનો તાપમાનવ્યાપ ઓછો હોય છે.

વીજ-ઉપકરણો : તાપમાનમાપક ઉપકરણોમાં વીજ-ઉપકરણો પણ બહોળા પ્રમાણમાં વપરાય છે. આ પ્રકારનાં ઉપકરણોમાં તાપમાનની અસર વીજસંકેત ઉત્પન્ન કરે છે. આ વીજસંકેતો તાપમાનને લીધે વીજપ્રતિરોધમાં કે વીજચાલકબળમાં ફેરફારને લીધે ઉત્પન્ન થાય છે. તાપમાનને વીજચલ (electrical variable) રાશિમાં ફેરવવા માટે નીચેના ઘટકો વપરાય છે :

(1) વીજ પ્રતિરોધ ગોળો, (2) થર્મિસ્ટર, (3) થરમૉકપલ (ઉષ્મા-યુગ્મ) અને થરમૉપાઇલ.

શુદ્ધ ધાતુનો વીજપ્રતિરોધ તાપમાન વધતાં વધે છે. ઓહમના નિયમ પ્રમાણે વીજ-પરિપથમાં  જો પ્રતિરોધ વધે તો વીજપ્રવાહ ઘટે. આ રીતે  તાપમાનનો સંબંધ વીજપ્રવાહ સાથે છે. વીજપ્રવાહમાં થતા ફેરફાર માપવાથી તાપમાનનો ફેરફાર માપી શકાય.

વ્યવહારમાં પ્લૅટિનમ, તાંબું અને નિકલ ધાતુના ઘટકો વીજ-પ્રતિરોધ બલ્બ પ્રકારનાં ઉપકરણોમાં વપરાય છે, કારણ કે આ ધાતુઓ પ્રમાણમાં ઘણી શુદ્ધ અને પ્રતિરોધ પુન: પ્રાપ્ત કરવાનો ગુણ ધરાવે છે. આ ધાતુઓ (પ્લૅટિનમ તાંબું, નિકલ) અનુક્રમે –190° સે. થી 630° સે. –50° સે. થી 150° સે. અને  –200° સે. થી 350° સે.ના તાપમાનવ્યાપમાં વપરાય છે. વીજપ્રતિરોધ બલ્બ થરમૉમીટરો રચનાની ર્દષ્ટિએ બે પ્રકારનાં હોય છે – સંવેદનશીલ છેડાવાળાં અને લાંબી નળી (stem) સંવેદનશીલ હોય તેવાં. કોઈ વસ્તુની સપાટીનું તાપમાન માપવું હોય ત્યાં પ્રથમ પ્રકાર વપરાય છે; જ્યારે બીજો પ્રકાર અન્ય સ્થિતિ માટે વપરાય છે.

આકૃતિ 4માં બે લાંબી નળીવાળાં વીજપ્રતિરોધ ગોળા થરમૉમીટરો દર્શાવ્યાં છે. બંનેમાં પ્લૅટિનમનો તાર લગાવવામાં આવેલો છે. પ્લૅટિનમ તાર સંવેદક ઘટક છે, કારણ કે તાપમાનના ફેરફારને લીધે તેના પ્રતિરોધમાં ફેરફાર થાય છે. આ ફેરફાર વધુ ચોકસાઈથી અને સરળતાથી માપી શકાય તે માટે પ્રતિરોધ-બ્રિજનો ઉપયોગ કરાય છે. વ્હિસ્ટન બ્રિજ એ પ્રતિરોધ-બ્રીજનું સારું ઉદાહરણ છે. સંવેદક પ્રતિરોધ-બ્રિજના ચાર પ્રતિરોધમાંના એક પ્રતિરોધ સાથે જોડાય છે. તાપમાનને લીધે સંવેદક તારના પ્રતિરોધમાં થતા ફેરફારને લીધે બ્રિજ અસમતુલિત થાય છે, આ અસમતુલન માપતાં તાપમાન મપાય છે.

આકૃતિ 5માં એક પ્રકારનો પ્રતિરોધ-બ્રિજ દર્શાવેલ છે.

થર્મિસ્ટરો : થર્મિસ્ટરો ચિનાઈ (ceramic) પદાર્થને મળતા અર્ધવાહક, ઉષ્મીય સંવેદનતા અને ચલવીજપ્રતિરોધકતા ધરાવતા પદાર્થો છે. સામાન્યત: શુદ્ધ ધાતુમાં તાપમાન વધતાં પ્રતિરોધ વધે છે, જ્યારે થર્મિસ્ટર પદાર્થોમાં આથી ઊલટું થાય છે. મૅંગેનીઝ, નિકલ, ટિટેનિયમ, યુરેનિયમ, જસત અને કોબાલ્ટ ધાતુઓના ઑક્સાઇડમાંથી થર્મિસ્ટરો બનાવાય છે. ઑક્સાઇડના મિશ્રણના પ્રમાણમાં ફેરફાર કરીને 100થી 450,000 ઓહમ્ સેમી. પ્રતિરોધકતાના વ્યાપમાં થર્મિસ્ટર પદાર્થો મળી રહે છે. થર્મિસ્ટર પદાર્થોનો ઉષ્મા-પ્રતિરોધ આંક પ્લૅટિનમ કે તાંબાના આંક કરતાં દસ ગણો કે તેથી પણ વધુ હોય છે. વળી તે કડી, મણકા, સળિયા, પ્લેટ, ચકતી એમ અનેક પ્રકારના આકારમાં તેમજ કદમાં મળી રહે છે. (આકૃતિ 6)

તાપમાનમાં ફેરફાર થતાં થર્મિસ્ટરના વીજપ્રતિરોધમાં પણ ફેરફાર થાય છે. વીજપ્રતિરોધનો ફેરફાર યોગ્ય પ્રતિરોધ-બ્રિજનો ઉપયોગ કરી માપી શકાય છે અને તે દ્વારા તાપમાન મપાય છે.

થરમૉકપલ (ઉષ્મા-યુગ્મો) : 1821માં ટી.જે. સીબેકે શોધ્યું કે જો બે ભિન્ન ધાતુઓને જોડવામાં આવે તો તેથી રચાતા બે સાંધા (junction) વચ્ચે તાપમાનમાં તફાવત હોય તો વીજચાલકબળ ઉદભવે છે. આ વીજચાલકબળ ધાતુના પ્રકાર અને બે સાંધા વચ્ચેના તાપમાનના તફાવત ઉપર આધારિત છે. આ સિદ્ધાંતનો ઉપયોગ થરમૉકપલમાં થાય છે. થરમૉકપલની રીતમાં તાપમાનના તફાવતને લીધે ઉત્પન્ન થતું વીજદબાણ માપવામાં આવે છે અને તે દ્વારા તાપમાન મપાય છે. ભઠ્ઠીઓનાં તાપમાન માપવામાં થરમૉકપલ ખૂબ વપરાય છે. કોઈ એક ધાતુ કોઈ પણ તાપમાને બીજી ધાતુના સંદર્ભમાં ઉષ્માવીજ (thermo electrically) પરત્વે ધન અથવા ઋણ હોય છે. નીચેની સારણી (100° સે 500° સે અને 900° સે તાપમાને દર્શાવેલી ધાતુઓની શ્રેણીમાં કોઈ પણ ધાતુની ઉપરની ધાતુ ધન અને નીચેની ધાતુ ઋણ હોય છે.) 100° સે. તાપમાને નાઇક્રોમ એ લોહ, ક્રોમેલ અને ઍન્ટિમની સાપેક્ષ ઉષ્માવીજ ઋણ છે.

થરમૉકપલ બનાવવામાં નીચેની ધાતુ/મિશ્રધાતુ વિશેષ પ્રમાણમાં વપરાય છે :

તાંબું (Cu), ઇરિડિયમ (Ir)

લોહ (Fe), કોન્સ્ટન્ટન (60Cu + 40Ni)

પ્લૅટિનમ (Pt), ક્રોમેલ (10Cr + 90Ni)

રોડિયમ (Rh), એલ્યુમેલ (2A1+90-Ni+Si+Mn)

પસંદ કરેલ ધાતુઓ અને મિશ્રધાતુઓની ઉષ્માવીજ શ્રેણી

100° સે.	500° સે.	900° સે.
ઍન્ટિમની	ક્રોમેલ	ક્રોમેલ
ક્રોમેલ	નાઇક્રોમ	નાઇક્રોમ
લોહ	તાંબું	ચાંદી
નાઇક્રોમ	ચાંદી	સોનું
તાંબું	સોનું	લોહ
ચાંદી	લોહ	Pt90 Rh10
Pt90Rh10	Pt90Rh10	પ્લૅટિનમ
પ્લૅટિનમ	પ્લૅટિનમ	કોબાલ્ટ
પેલેડિયમ	કોબાલ્ટ	ઍલ્યુમેલ
કોબાલ્ટ	પેલેડિયમ	નિકલ
ઍલ્યુમેલ	ઍલ્યુમેલ	પેલેડિયમ
નિકલ	નિકલ	કોન્સ્ટન્ટન
કોન્સ્ટન્ટન	કોન્સ્ટન્ટન
કોપેલ	કોપેલ
બિસ્મથ

પ્રચલિત થરમૉકપલ, તેની ચોકસાઈ, વ્યાપ અને ઉપયોગો

	થરમૉકપલ પદાર્થો	તાપમાન વ્યાપ °સે.	ચોકસાઈ °સે.	વપરાશ
1	Pt-Pt10 Rh } Pt-Pt13 Rh	0થી 1450	0.1	ઉચ્ચ ચોકસાઈ અંકન પ્રમાણ માટે
2	તાંબુંકોન્સ્ટેન્ટન	–200થી 350	0.2
3	ક્રોમેલઍલ્યુમેલ	–200થી 1100	0.5	ભઠ્ઠીઓનું
4	ક્રોમેલકોન્સ્ટેન્ટન	–100થી 1100	0×5	તાપમાન માપવા
5	લોહકોન્સ્ટેન્ટન	–200થી 750	0×5	તેમજ નિયંત્રણ કરવા

પ્લૅટિનમ અને પ્લૅટિનમ રોડિયમ ધાતુના થરમૉકપલને ‘કીમતી ધાતુ થરમૉકપલ’ કહેવાય છે. બાકીના મુખ્ય ધાતુ થરમૉકપલ તરીકે ઓળખાય છે.

આકૃતિ 7માં ધાતુ મિશ્રધાતુના તારોના છેડાને બળ આપીને પાકા રેણથી કે વેલ્ડિંગથી સાંધીને થરમૉકપલ તૈયાર કરાય છે. થરમૉકપલના તારો છેડાના ભાગ સિવાય છૂટા રહે તે માટે અવાહક પદાર્થોમાંથી બનાવેલ મણકામાં પરોવી છૂટા રખાય છે. થરમૉકપલમાં વીજદબાણ ઉત્પન્ન થાય છે તે હકીકતમાં ખૂબ ઓછું હોય છે. ગૅલ્વેનોમીટર કે વીજદબાણ સમતુલન કરતા પોટેન્શિયોમીટરનો ઉપયોગ કરી આ નાનું વીજદબાણ પણ સહેલાઈથી અને ચોકસાઈથી માપી શકાય છે. તે છેવટે તાપમાનનું મૂલ્ય આપે છે.

થરમૉકપલ અને પોટેન્શિયોમીટરનો ઉપયોગ કરી કેવી રીતે તાપમાન મપાય છે તે દર્શાવ્યું છે. થરમૉકપલનું સ્થાન p જંકશન છે અને પોટેન્શિયોમીટરનું સ્થાન q જંકશન છે qના સંદર્ભમાં pનું તાપમાન કેટલું છે તે માપી શકાય છે. થરમૉકપલના તારોની લંબાઈ ઓછી રાખીને ‘લીડવાયર’ દ્વારા થરમૉકપલને પોટેન્શિયોમીટર સાથે જોડી શકાય છે.

એકથી વધુ થરમૉકપલને શ્રેણી(series)માં જોડી વીજચાલક બળનું મૂલ્ય વધારી શકાય છે અને તે રીતે સંવેદકતા વધે છે. જો સરખું વીજચાલક બળ આપતાં ત્રણ થરમૉકપલને શ્રેણીમાં જોડીએ તો ત્રણગણું વીજચાલકબળ મળે. શ્રેણીમાં જોડાયેલ થરમૉકપલને થરમૉપાઇલ કહેવાય છે.

ઉચ્ચતાપમાપન (pyrometry) : ઉપર ચર્ચેલ તાપમાપનની બધી રીતોમાં જે પદાર્થનું તાપમાન માપવાનું હોય તે પદાર્થના સંસર્ગમાં સંવેદક રાખવામાં આવે છે. જો પદાર્થનું તાપમાન ખૂબ વધુ હોય તો તેના સંસર્ગમાં રહેતા સંવેદક્ધો નુકસાન થવાની પૂરી શક્યતા રહે છે. પદાર્થના સંસર્ગમાં રાખ્યા વગર પદાર્થનું તાપમાન માપી શકાય તો તે આવકાર્ય બની રહે. ખાસ કરીને ઉચ્ચતાપની સ્થિતિમાં સંસર્ગમાં રાખ્યા વગર માપનાર ઉચ્ચ તાપમાનમાપક ઉપકરણોને ‘પાયરોમીટર’ કહેવાય છે. પાયરોમીટર બે પ્રકારનાં છે : પૂર્ણ વિકિરણ (radiation) પાયરોમીટર અને પ્રકાશીય (optical) પાયરોમીટર. નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાન ઉપરની સ્થિતિમાં બધા પદાર્થો ઊર્જાનું વિકિરણ કરે છે. વિકિરણનું પ્રમાણ પદાર્થનું નિરપેક્ષ તાપમાન પર આધારિત છે. જે પદાર્થ પોતાની ઉપર આપાત થતી બધી જ વિકિરણ-ઊર્જાનું શોષણ કરે છે. તેને કાળો પદાર્થ કહે છે. સંપૂર્ણ કાળો પદાર્થ આદર્શ અવશોષક વિકિરક છે. તેનો શોષણાંક 1 છે. પદાર્થની સપાટી પર આવતાં કિરણો અમુક પ્રમાણમાં શોષાય છે, અમુક પ્રમાણમાં પરાવર્તન પામે છે અને અમુક પ્રમાણમાં પદાર્થમાં તેનું પારગમન થાય છે. આ શોષણ, પરાવર્તન અને પારગમનના આંકો અનુક્રમે α, P અને T લઈએ તો a + P + t = 1 થાય.

પૂર્ણ કાળા પદાર્થ માટે αનું મૂલ્ય 1, ચકચકિત અને ખૂબ ચમકતી સપાટીવાળા પદાર્થ માટે Pનું મૂલ્ય 1 અને તેવી જ રીતે અમુક વાયુઓ માટે τ નું મૂલ્ય 1 થવા જાય છે.

કોઈ પણ પદાર્થ ઊર્જાનું શોષણ કરે તો જ તે વિકિરણનું ઉત્સર્જન કરી શકે. જે પદાર્થનો શોષણાંક સારો હોય તેનો વિકિરણ આંક પણ સારો હોય. કોઈ પણ કાળો પદાર્થ જેનું તાપમાન T°K હોય તેની સમતલ સપાટી પરથી ગોળાર્ધ સપાટીમાં તરંગલંબાઈદીઠ કેટલું ઉષ્મીય વિકિરણ કરશે તે પ્લૅન્કના નિયમ પ્રમાણે નીચેના સમીકરણથી દર્શાવાય છે :

જેમાં W_λ = ગોળાર્ધ વર્ણપટીય વિકિરણ તીવ્રતા W/cm²μ

C₁ = 37,413 W.μ⁴ /cm² (અચલ),

C₂ = 14,388 μ°k (અચલ),

λ = તરંગલંબાઈ μ માં અને

T = તાપમાન °kમાં છે.

કાળો પદાર્થ જુદા જુદા તાપમાને અને જુદી જુદી તરંગલંબાઈએ કેટલું ઉષ્મીય વિકિરણ W_λ (wattમાં) કરશે તે આકૃતિ 9 માં દર્શાવ્યું છે.

કાળા પદાર્થનું તાપમાન T°k હોય તો સ્ટીફન-બોલ્ટઝમેનના નિયમ મુજબ કુલ ઉષ્મીય ઊર્જા-વિકિરણ Wt નીચે પ્રમાણે મેળવાય છે :

Wt = σ T⁴ w/cm²

અહીં σ = 5.67 × 10^–12 w/cm².K⁴ અચલાંક છે.

વાસ્તવિક સ્થિતિમાં જે પદાર્થનું તાપમાન માપવું હોય તે હંમેશાં કાળા પદાર્થ હોતા નથી. વાસ્તવિક પદાર્થનું વિકિરણ કાળા પદાર્થના વિકિરણ કરતા જુદું પડે તે વાસ્તવિક પદાર્થનો ઉત્સર્જકતા-આંક છે.

જો વાસ્તવિક પદાર્થની T°k તાપમાને ઉત્સર્જકતા (emmissivity) હોય તો તે પદાર્થનું કુલ ઉષ્મીય ઊર્જા-વિકિરણ W નીચે પ્રમાણેની ગણતરીથી મળે છે :

W = e σT⁴

જો આપણે W માપી શકીએ અને ઉત્સર્જકતા eનું મૂલ્ય જાણતા હોઈએ તો પદાર્થનું તાપમાન T મેળવી શકીએ. બધાં વિકિરણ-પાયરોમીટર આ પાયા પર રચાય છે.

લેન્સ અને દર્પણ (mirror) એમ બે પ્રકારનાં વિકિરણ-પાયરોમીટર દર્શાવ્યાં છે. આ ઉપકરણોમાં કાળા રંગાયેલ થરમૉપાઇલ ઉપર લેન્સ અથવા દર્પણ દ્વારા વિકિરણ-ઉષ્મા-ઊર્જાનું કેન્દ્રીકરણ કરાય છે. કેન્દ્રિત થતી ઊર્જા જે પદાર્થનું તાપમાન માપવાનું હોય તેના પ્રમાણમાં હોય છે. થરમૉપાઇલ દ્વારા આ તાપમાન મપાય છે અને એ રીતે પદાર્થનું તાપમાન મપાય છે. આ સાધનનો કોઈ પણ ભાગ જે પદાર્થનું  તાપમાન માપવાનું હોય તેના સંસર્ગમાં રાખવાનો થતો નથી.

ખાસ રચના ન કરી હોય તો, સામાન્ય રીતે લેન્સમાં અમુક પ્રમાણ અને પ્રકારનું જ પારગમન થાય છે અને તરંગલંબાઈ-આધારિત નાભિઅંતર હોય છે; પરંતુ અરીસા વાપરતા થરમૉમીટરમાં આ પ્રકારની મર્યાદાઓ રહેતી નથી.

જે પદાર્થ કે સપાટીનું તાપમાન માપવાનું છે તે તાપમાન T₁ હોય, જેના પર વિકિરણ-ઉષ્મા કેન્દ્રિત કરવાની છે તે થરમૉપાઇલનું તાપમાન T₂ હોય અને બહારનું તાપમાન T₃ હોય તો સાદા વિશ્લેષણથી કહી શકીએ કે થરમૉપાઇલ પર આવતી વિકિરણ ઉષ્મા એ થરમૉપાઇલમાંથી જતી ઉષ્મા જેટલી થાય. સમીકરણના સ્વરૂપમાં નીચે પ્રમાણે મૂકી શકાય :

K₁ (T₂ – T₃) = K₂ T₁⁴

K₁ K₂ અચલ છે અને તેની કિંમત જાણી શકાય. T₂ – T₃ની કિંમત થરમૉપાઇલથી માપી શકાય છે અને અંકન (calibration) દ્વારા T₁ની કિંમત મળે છે.

વિકિરણ પાયરોમીટર ઓછામાં ઓછા –18° સે. થી વધુમાં વધુ 1800° સે. તાપમાન માપવા માટે વપરાય છે.

પ્રકાશીય પાયરોમીટર : પ્રકાશીય પાયરોમીટર તેની કાર્યપદ્ધતિમાં પ્રકાશીય સરખામણીનો ઉપયોગ કરે છે. વીજળીના બલ્બના ફિલામેન્ટને ગરમ કરી સંદર્ભ તાપમાન તેમજ વિકિરણ મેળવાય છે અને તેને જ સ્થળ, વસ્તુ કે સપાટીનું તાપમાન માપવાનું હોય તેના વિકિરણ સાથે સરખાવવામાં આવે છે. સરખામણીમાં આ બંનેમાંથી એક વિકિરણના સ્રોતનું નિયમન કરવું જરૂરી બને છે. એક રીતમાં વીજ-પરિપથમાં પ્રતિરોધમાં ફેરફાર કરી બલ્બના ફિલામેન્ટમાં વહેતા વીજપ્રવાહ અને તેથી ફિલામેન્ટમાંથી ઉદભવતા વિકિરણનું નિયમન કરાય છે. બીજી રીતમાં જે પદાર્થનું તાપમાન માપવાનું હોય તેના પાયરોમીટરમાં આવતા વિકિરણનું પ્રકાશીય ફાચર (optical wedge) ધ્રુવણ કરતા  (polarising) ફિલ્ટર અથવા ઇરીસ ડાયાફ્રામ જેવી રીતોથી પ્રકાશીય નિયમન કરાય છે. પ્રથમ રીતમાં ‘ચલ પ્રકાશતીવ્રતા બલ્બ’ રીત અને બીજી રીતને ‘અચલ પ્રકાશ તીવ્રતા બલ્બ’ રીત કહેવાય છે.

આકૃતિ 11માં ચલ પ્રકાશ તીવ્રતા બલ્બ રીતનો ઉપયોગ કરવા પાયરોમીટરની સાદી આકૃતિ દર્શાવી છે. જે વસ્તુનું તાપમાન માપવાનું હોય તે વસ્તુ તે પાયરોમીટર દૂરથી તેના લેન્સ દ્વારા પ્રકાશીય ક્ષેત્રમાં બલ્બના ફિલામેન્ટના તલ પર કેન્દ્રિત કરે છે. ત્યારબાદ નેત્રકાચ(eyepiece)ને આગળ-પાછળ કરીને ફિલામેન્ટ અને પદાર્થના પ્રતિબિંબને એક તલમાં અધ્યારોપિત (super-imposed) કરવામાં આવે છે. આમ થતાં, લૅમ્પનો ફિલામેન્ટ આકૃતિ 12માં દર્શાવ્યા પ્રમાણેના ત્રણ દેખાવમાંથી કોઈ પણ એક જેવો હશે.

પદાર્થનું તાપમાન ફિલામેન્ટ કરતાં વધુ હોય ત્યારે ફિલામેન્ટનું તેજ તેના પશ્ચાદભૂ (background) કરતાં ઓછું હોય છે અને જ્યારે પદાર્થનું તાપમાન ફિલામેન્ટના તાપમાન કરતાં ઓછું હોય ત્યારે ફિલામેન્ટ વધુ તેજસ્વી લાગે. જ્યારે બંનેનું તાપમાન સરખું હોય ત્યારે ફિલામેન્ટ દેખી શકાય નહિ. પદાર્થનું તાપમાન અથવા પાયરોમીટરમાં આપવામાં આવેલ વીજપરિપથમાં વીજધારા નિયંત્રણ (Rheostat)  દ્વારા વીજપ્રતિરોધમાં ફેરફાર કરી ફિલામેન્ટ દેખાતો બંધ થાય તે પ્રમાણે કરવામાં આવે છે. વીજપરિપથનો વીજપ્રવાહ મિલીવોલ્ટમીટર દ્વારા માપવામાં આવે છે. પાયરોમીટરનું અંકન કરાયું હોઈ મિલીવોલ્ટમીટર સીધું તાપમાનની કિંમત આપે છે. બધા વિકિરણ-પાયરોમીટરમાં આ પાયરોમીટર સૌથી વધુ ચોકસાઈ આપે છે. પરંતુ તે 700° સેથી વધુ તાપમાન માટે વપરાય છે.

ગાયત્રીપ્રસાદ હીરાલાલ ભટ્ટ