Một trong những yếu tố gây sai số trong đo nhiệt độ là sự phân bố nhiệt độ không đồng đều. Nhiệt độ không phải lúc nào cũng lan tỏa một cách đồng nhất, mà nó có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào vật liệu của đối tượng đo, môi trường xung quanh và cơ chế truyền nhiệt (dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ).
Nếu không xem xét đến sự không đồng đều này khi đo, nhiệt độ đo được sẽ khác nhau tại mỗi vị trí, dẫn đến đánh giá sai về nhiệt độ thực tế.
Trong chương này, chúng tôi sẽ phân tích chi tiết các nguyên nhân gây ra sự không đồng đều của phân bố nhiệt độ và đề xuất các biện pháp cụ thể để giảm thiểu sai số đo lường.

4.1 Sự không đồng đều của phân bố nhiệt độ là gì?

Sự không đồng đều của phân bố nhiệt độ là hiện tượng nhiệt độ không đồng nhất trên toàn bộ đối tượng đo, dẫn đến các giá trị đo khác nhau tùy vào vị trí đo. Hiện tượng này xảy ra do các yếu tố sau:

Sự không đồng nhất của thiết bị gia nhiệt/làm lạnh
Máy gia nhiệt hoặc làm lạnh không thể cung cấp nhiệt hoặc không khí lạnh một cách đồng đều, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ.

Sự khác biệt về độ dẫn nhiệt của vật liệu
Kim loại như nhôm có độ dẫn nhiệt cao giúp nhiệt lan tỏa nhanh hơn, trong khi nhựa có độ dẫn nhiệt thấp làm cho nhiệt lan tỏa chậm, dẫn đến sự phân bố nhiệt không đều.

Ảnh hưởng của đối lưu trong không khí hoặc chất lỏng
Trong môi trường không khí hoặc chất lỏng, dòng đối lưu xuất hiện khi không khí nóng/lỏng nóng di chuyển lên trên và phần lạnh di chuyển xuống dưới, gây ra sự khác biệt nhiệt độ tùy vào vị trí đo.

Ảnh hưởng của bức xạ nhiệt
Bức xạ nhiệt từ bề mặt vật thể có thể tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và bên trong, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ cao.

Các yếu tố trên có thể tác động đồng thời, làm sai lệch kết quả đo. Do đó, cần hiểu rõ sự không đồng đều của phân bố nhiệt độ và chọn phương pháp đo phù hợp.

4.2 Nguyên nhân và biện pháp khắc phục sai số do phân bố nhiệt độ không đồng đều

4.2.1 Ảnh hưởng của dẫn nhiệt và biện pháp khắc phục

Dẫn nhiệt là hiện tượng nhiệt truyền qua vật liệu. Tuy nhiên, không phải tất cả vật liệu đều truyền nhiệt với tốc độ như nhau, mà tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của từng loại vật liệu.

【Nguyên nhân】

1. Kim loại có độ dẫn nhiệt cao (ví dụ: đồng, nhôm)
Nhiệt lan tỏa đồng đều nhưng nếu kích thước lớn, phần trung tâm và phần rìa có thể có sự chênh lệch nhiệt độ.
Ví dụ: Khi làm nóng một tấm nhôm từ một phía, nhiệt độ giữa trung tâm và rìa tấm có thể khác nhau.

2. Vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp (ví dụ: nhựa, gốm, vật liệu cách nhiệt)
Khi nhiệt độ bề mặt thay đổi, nhiệt bên trong truyền chậm hơn.
Ví dụ: Nếu làm nóng một tấm nhựa dày từ một phía, nhiệt độ bề mặt tăng nhanh nhưng nhiệt độ mặt sau tăng chậm.

【Biện pháp khắc phục】

1. Đo tại nhiều vị trí khác nhau và lấy giá trị trung bình
Khi nhiệt độ không đồng đều, đo ở nhiều điểm và lấy trung bình để có kết quả chính xác hơn.

2. Xem xét sự khác biệt về độ dẫn nhiệt khi đo
Với vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp như thép không gỉ, cần đo trong thời gian dài để nhiệt độ bên trong ổn định.

3. Chèn cảm biến vào bên trong vật thể
Không chỉ đo nhiệt độ bề mặt mà cần đo cả nhiệt độ bên trong để giảm thiểu ảnh hưởng của dẫn nhiệt.

4.2.2 Ảnh hưởng của đối lưu nhiệt và biện pháp khắc phục

Trong không khí hoặc chất lỏng, nhiệt di chuyển chủ yếu nhờ đối lưu, khi chất lỏng hoặc khí nóng nở ra, nhẹ hơn và đi lên, trong khi phần lạnh di chuyển xuống dưới.

【Nguyên nhân】

1. Đối lưu trong không khí
Trong phòng, không khí nóng dâng lên và không khí lạnh chìm xuống, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa trần nhà và sàn nhà.
Ví dụ: Trong phòng xông hơi, nhiệt độ gần trần cao hơn nhiều so với nhiệt độ gần sàn.

2. Đối lưu trong nước
Khi đun nóng nước, phần nước nóng dâng lên trong khi phần lạnh chìm xuống. Nếu không khuấy đều, nhiệt độ đo tại các vị trí khác nhau sẽ khác nhau.
Ví dụ: Khi đun sôi nồi nước, nếu không khuấy, nước dưới đáy nóng nhanh hơn nước ở trên.

【Biện pháp khắc phục】

1. Sử dụng quạt hoặc thiết bị khuấy để làm đồng đều nhiệt độ
Đối với không khí, sử dụng quạt để lưu thông luồng khí.
Đối với chất lỏng, sử dụng bộ khuấy để làm đều nhiệt độ.

2. Chờ nhiệt độ ổn định trước khi đo
Không đo ngay sau khi bật máy sưởi hoặc điều hòa, mà đợi nhiệt độ ổn định.
Đối với chất lỏng, khuấy đều trước khi đo.

4.2.3 Ảnh hưởng của bức xạ nhiệt và biện pháp khắc phục

Bức xạ nhiệt là quá trình nhiệt di chuyển dưới dạng tia hồng ngoại. Các vật liệu có hệ số bức xạ khác nhau có thể cho kết quả đo nhiệt độ khác nhau ngay cả trong cùng một môi trường.

【Nguyên nhân】

1. Vật liệu có hệ số bức xạ cao (ví dụ: gỗ, giấy, gạch đỏ)
Hấp thụ nhiệt tốt và dễ bị thay đổi nhiệt độ.
Ví dụ: Xe hơi màu đen hấp thụ nhiều nhiệt hơn xe màu trắng dưới ánh nắng mặt trời.

2. Vật liệu có hệ số bức xạ thấp (ví dụ: kim loại được đánh bóng)
Phản xạ nhiệt nhiều hơn, dẫn đến kết quả đo thấp hơn nhiệt độ thực tế.
Ví dụ: Nhôm và gỗ đặt cùng một nơi nhưng gỗ có nhiệt độ cao hơn khi đo bằng nhiệt kế hồng ngoại.

【Biện pháp khắc phục】

1. Chỉnh hệ số bức xạ khi đo
Điều chỉnh hệ số bức xạ của nhiệt kế hồng ngoại để đo chính xác hơn.
Nếu không biết hệ số bức xạ, có thể sử dụng nhiệt kế tiếp xúc để đo và điều chỉnh nhiệt kế hồng ngoại dựa trên kết quả này.

2. Thống nhất bề mặt của đối tượng đo
Phủ sơn hấp thụ nhiệt để bề mặt có cùng hệ số bức xạ, giúp giảm sai số.

3. Đo từ góc phù hợp để giảm phản xạ
Đo từ góc tránh phản xạ để có kết quả chính xác hơn.

4.3 Kết luận

Nếu không xem xét đến sự phân bố nhiệt độ không đồng đều khi đo, sai số lớn có thể xảy ra. Do đó, cần hiểu rõ ảnh hưởng của dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, đồng thời áp dụng phương pháp đo phù hợp để đảm bảo kết quả đo chính xác.

Việc chọn phương pháp đo phù hợp sẽ giúp đo nhiệt độ một cách chính xác và đáng tin cậy hơn.