Kipimajoto

Question: Nani alizundua kifaa cha kupima joto?

Kipimajoto (mara nyingine themomita) ni kifaa cha kupima jotoridi. Aina ya kipimajoto kinachotumika zaidi ni ile iliyotengenezwa kwa kuweka zebaki (mercury) katika gilasi. Aina hii imeundwa na gilasi ya kapilari ambayo katika ncha moja ina tunguu ilijazwa zebaki na ncha ya upande mwingine imezibwa. Kifaa hufungwa pande zote ili kutunza umbwe ndani ya kapilari. Jotoridi hupimwa kwa kusoma kiasi cha zebaki iliyopanda katika kapilari kutokana na mabadiliko ya joto katika vipimo vilivyoandikwa kwenye kapilari. Zebaki inatumika sana katika kupima jotoridi. Spiriti, etha na vimiminika vingine vyenye tabia zinazohitajika vinaweza kutumika kwa dhumumi hilo.
Historia

Ugunduzi wa kipimajoto umechangiwa na Galileo, ingawa aina ya kipimajoto kilichozibwa hakikuwepo mpaka mwaka 1650. Vipimajoto vya kisasa vinavyotumia spiriti na zebaki viliundwa na mjerumani Gabriel Fahrenheit ambaye pia alipendekeza kipimio cha jotoridi, kilichoitwa kwa jina lake - Fahrenheit, ambapo 32o F ni jotoridi la kuganda kwa maji na 212o F ni jotoridi la kuchemka kwa maji katika mkandamizo wa hewa wa kawaida. Vipimio vingi vilipendekezwa tangu muda wake. Katika kipimio cha centigrade au celsius, kilichobuniwa na mnajimu wa kiswideni Anders Celsius, ndicho kinachotumika sana dunia. Katika kipimio hiki maji huganda katika 0o C na huchemka katika 100o C.
Aina za vipimajoto
Vifaa vingi vya aina mbalimbali vimekuwa vikitumika kama vipimajoto. Hitaji kubwa katika kuchagua tabia ya kitu ili iweze kutumika katika kipimajoto, ni ile tabia ambayo inaweza kupimwa kwa urahisi na sawasawa au barabara. Mwenendo wa tabia hiyo ni lazima uwe unabadilika kulingana na jotoridi na uwe na mwenendo ambao unatabirika, kwa mfano mabadiliko ya urefu wa zebaki (kutokana na kutanuka) katika gilasi ya kapilari. Kwa maneno mengine, katika kila badiliko moja la kizio cha jotoridi inabidi lipelekee badiliko moja katika kizio cha tabia inayopimwa kutumika katika kipimajoto.
Ukinzani wa umeme wa kondakta na semikondakta huongezeka kadiri jotoridi linavyoongezeka. Jambo hilo ndilo msingi wa kipimajoto cha ukinzani ambacho volteji au potenshali ya umeme, huwekwa katika ncha za thermistor (kifaa kinachobadili ukinzani kulingana na mabadiliko ya joto). Kwa thermistor yenye utungo (composition) fulani, vipimo cha jotoridi fulani vitachochea ukinzani fulani katika thermistor. Ukinzani huu huweza kupimwa kwa kutumia galvanomita (galvanometer) na hivyo kuwa kama kipimo cha jotoridi.

Thermistor mbalimbali zilitengenezwa kwa oksaidi za nickel, manganese, au cobalt zinatumika kupima jotoridi kati ya 46o na 150oC (kati ya-50o na 300oF). vilevile, thermistor zinatumia metali au mchanganyiko wa metali (alloy) hutumika katika kupima jotoridi la juu. Kwa mfano platinum hutumika kupima mpaka 930o C (1700o F). Kwa kutumia sakiti iliyobuniwa vizuri, mkondo wa umeme unaosomwa na galvanomita unaweza moja kwa moja kutumika kuonyesha namba katika kiambaza cha kipimajoto, hivyo kurahisisha usomaji wa jotoridi.
Vipimo vya jotoridi vya uangalifu mkubwa vinaweza kufanya kwa kutumia thermocouple. Katika kipimajoto hiki tofauti ndogo sana ya volteji (ambayo hupimwa katika milivolti) hutokea wakati nyaya mbili za metali tofauti  zilizoungwa kutungeneza kishwara (loop) wakati maungio mawili yakiwa katika joto tofauti.  Ili kuongeza volteji, thermocouple kadhaa zinaweza kufungwa kwa kufuatana na kutengeneza thermopile. Kwa kuwa volteji hutegemea tofauti ya joto katika maungio, ungio hutunzwa katika jotoridi linalofahamika na ungio lingine hutumika kupima jotoridi la kitu.
Thermistor na thermocouple zina uwezo wa kubadilika kwa haraka zaidi kulingana na mabadiliko madogo ya jotoridi na hivyo kuzifanya kuwa na matumizi mengi ya kibaolojia na uhandisi.
Optical pyrometer imekuwa inatumika kupima jotoridi la vitu vya yabisi vilivyo katika jotoridi zaidi ya 700o C (kama 1300o F),  jotoridi ambalo vipimajoto vingine vingeweza kuyeyuka. Katika jotoridi kubwa kama hilo, vitu yabisi hutoa nishati ambaye inaweza kuchunguzwa katika eneo la spektra linaoonekana (visible spectrum) na hivyo kutumia uchunguzi wa spektra katika kutafuta jotoridi. Rangi ya vitu kung’aa hubadilika kutoka nyekundu iliyofifia kuelekea njano mpaka weupe katika jotoridi 1300o C (kama 2400o F).  Pyrometer huwa na filamenti inayoongozwa na kidhibitiumeme (rheostat) iliyowekewa alama za vipimio ili kwamba rangi zinazong’aa ziendane na jotoridi  linalopimwa. Jotoridi la kitu kinachong’aa hupimwa kwa kukiangalia kitu kupitia pyrometer na kurekebisha kidhibitiumeme mpaka filamenti itakapochanganyana na taswira ya kitu. Katika hatua hii jotoridi la filamenti na lile la kitu ni sawa na linaweza kusomwa katika kidhitiumeme chenye vipimo.
Kifaa kingine kinachopima jotoridi, ambacho hutumika katika thermostat hutugemea tofauti ya utanukaji kati ya papi au diski zilizotengenezwa na metali tofauti na zikiwa zimeungwa katika ncha moja au kuunganishwa pamoja (bimetallic strip).
Vipimajoto vya matumizi maalum

Vipimajoto vinaweza kutengenezwa ili viweze kurekodi viwango vya juu na vya chini vya joto kufikiwa. Kipimajoto cha hospitali cha zebaki (mercury-in-glass clinical thermometer), kwa mfano ni kifaa cha kupima kiwango cha juu cha jotoridi ambako kuna kibano katika gilasi ya kapilari kati ya tunguu na sehemu ya chini ya kapilari ambacho huruhusu zebaki kutanuka kadiri jotoridi linavyoongezeka, lakini kuizuia isishuke mpaka itakapolazimishwa kushuka kwa kutikiswa kwa nguvu. Viwango vya juu vya jotoridi wakati wa ufanyaji kazi wa vifaa mbalimbali huweza pia kukadiriwa kwa kutumia pigmenti fulani zinabadilika rangi zinapofikia jotoridi fulani.
Usahihi wa Upimaji
Upimaji sahihi wa jotoridi  hutegemea uanzishwaji wa uwianosawa wa joto (thermal equilibrium) kati ya kifaa cha kupimia jotoridi na mazingira yake yayokizunguka. Hii ina maana, katika uwianosawa, hakuna mbadilishano wa joto kati ya kipimajoto na vitu inavyogusa au vitu vilivyo jirani. Hivyo kwa kipimajoto cha hospitali, kifaa inabidi kiweke kwa muda wa kutosha (zaidi ya dakika moja) ili kufikia uwianosawa na mwili ili kupata matokeo sahihi. Pia ni lazima iingizwe ndani zaidi na iwe na mgusano mzuri na mwili ili kupata jibu nzuri. Hali zote hizi huwa haziwezekani kufikiwa na kipimajoto kinachoingizwa mdomoni, ambacho huwa kinaonyesha jotoridi dogo ulinganisha na lile linaoonyeshwa na kipimajoto cha puru (rectal thermometer).
Kipimajoto chochote kile huwa kinapima jotoridi lake chenyewe, ambalo linaweza lisiwiane na jotoridi hasa la kitu linalopima. Katika kupima jotoridi la hewa nje ya jengo, kwa mfano, kama kipimajoto moja itawekwa kivulini na nyingine katika jua, kwa tofauti ya sentimita chache, majibu ya vipimojoto hivi yanaweza kuwa tofauti sana, ingawa jotoridi la hewa sawa. Kipimajoto katika kivuli kinaweza kupoteza joto kwa mnururisho kwa kuta za jengo na hivyo vipimo vikawa vidogo chini ya jotoridi halisi la hewa. Kwa upande mwingie kipimajoto kilichokatika jua kitasharabu joto la jua na kuonyesha kiwango kikubwa kuliko kile halisi cha hewa. Ili kuondoa makosa kama haya, upimaji sahihi wa jotoridi huitaji ukingaji wa kipimajoto kutoka katika vyanzo vya joto au baridi au kutoka joto linaloweza kusafiri kwa mnururisho, mpitisho au myuko.
Tazama Pia
Zebaki
Joto
Jotoridi
Viungo vya Nje

Marejeo
Wilson, David. The Colder the Better. Atheneum, 1980.
Walpole, Brenda. Temperature (Measure Up with Science). Gareth Stevens, 1995
Jamii:Fizikia
Jamii:Vifaa vya Kupimia
Jamii:Joto