Ewa Juszczak 163639 13.11.2008r.

Wt 13¹⁵

Ćwiczenie nr 20

Temat: ”Skalowanie termopary i wyznaczanie temperatury krzepnięcia stopu”

Wstęp:

Celem ćwiczenia, które przerabiałam na laboratorium było poznanie zjawisk termoelektrycznych, przykładów ich zastosowań, zapoznanie się z budową, zasadą działania i pomiarem temperatury za pomocą termopary oraz wyznaczenie temperatury krzepnięcia stopu.

Zjawisko termoelektryczne polega na powstaniu siły elektromotorycznej na spojeniu dwóch różnych metali, jeżeli między tymi spojeniami występuje różnica temperatur. Zjawisko to wykorzystuje się do pomiaru temperatury. Zastosowanie termopar umożliwia zdalny pomiar temperatury, rejestrację zmian temperatury, automatyczną regulację procesów technologicznych oraz pomiar temperatury bardzo małych obiektów. Dodatkowymi zaletami termopar są: ich prosta konstrukcja, trwałość, bardzo duży zakres pomiarowy, dokładność i czułość pomiaru oraz bezwładność cieplna. Siła elektromotoryczna, która występuje na spojeniu dwóch różnych metali jest siła wypadkową różnicy potencjałów Galvaniego oraz Thomsona. Dla niezbyt dużych różnic możemy założyć, że siła termoelektryczna jest proporcjonalna do różnicy temperatur T₁ - T₂.

Metal jest zbudowany z jonów dodatnich tworzących sieć krystaliczną oraz elektronów swobodnych poruszających się między tymi jonami. Koncentracja swobodnych elektronów jest różna w różnych metalach, a ponadto zależy od temperatury. W miejscu styku następuje dyfuzja elektronów z metalu o większej koncentracji elektronów swobodnych do metalu o mniejszej koncentracji. Wskutek dyfuzji elektronów jeden z metali jeden naładuje się dodatnio a drugi ujemnie. Między metalami powstanie kontaktowa różnica potencjałów, która utrudnia dalszą dyfuzję elektronów. Ustala się więc stan równowagi dynamicznej, zależny od rodzaju stykających się metali oraz od temperatury styku.

gdzie: współczynnik termoelektryczny

napięcie kontaktowe

temperatury poszczególnych styków

Zestaw przyrządów:

1. Kuchenka elektryczna

2. Termometry(o zakresie od 0 do 100⁰ C ) lub miernik temperatury

3. Naczynie do podgrzewania wody(czasem z elektrycznym mieszadełkiem)

4. Termos

5. Termopara

6. Tygiel ze stopem Wooda(50% Bi, 25% Pb, 12,5%Cd, 12% Sn)

7. Stoper

Skalowanie termopary:

Temperatura [C]	Napięcie U miernika	∆U
		[mV]	[mV]	[mV/^0C]	[mV/^0C]	[%]
22	0,787	0,00987	0,036	0,000286	0,80
24	0,872	0,01072	0,036	0,000447	1,23
26	0,94	0,0114	0,036	0,000438	1,21
28	1,01	0,0121	0,036	0,000432	1,20
30	1,078	0,01278	0,036	0,000426	1,19
32	1,168	0,01368	0,037	0,000428	1,17
34	1,27	0,0147	0,037	0,000432	1,16
36	1,357	0,01557	0,038	0,000433	1,15
38	1,438	0,01638	0,038	0,000431	1,14
40	1,528	0,01728	0,038	0,000432	1,13
42	1,597	0,01797	0,038	0,000428	1,13
44	1,673	0,01873	0,038	0,000426	1,12
46	1,755	0,01955	0,038	0,000425	1,11
48	1,852	0,02052	0,039	0,000428	1,11
50	1,951	0,02151	0,039	0,000430	1,10
52	2,031	0,02231	0,039	0,000429	1,10
54	2,115	0,02315	0,039	0,000429	1,09
56	2,195	0,02395	0,039	0,000428	1,09
58	2,272	0,02472	0,039	0,000426	1,09
60	2,351	0,02551	0,039	0,000425	1,09
62	2,431	0,02631	0,039	0,000424	1,08
64	2,526	0,02726	0,039	0,000426	1,08
66	2,627	0,02827	0,040	0,000428	1,08
68	2,719	0,02919	0,040	0,000429	1,07
70	2,805	0,03005	0,040	0,000429	1,07
72	2,898	0,03098	0,040	0,000430	1,07
74	2,995	0,03195	0,040	0,000432	1,07
76	3,071	0,03271	0,040	0,000430	1,07
78	3,154	0,03354	0,040	0,000430	1,06
79	3,197	0,03397	0,040	0,000430	1,06

∆T=0,1⁰C

Krzepnięcie stopu:

Czas	Napięcie U miernika
[s]	[mV]	[mV]
20	3,544	0,037
40	3,345	0,035
60	3,145	0,033
80	3,001	0,032
100	2,853	0,031
120	2,736	0,029
140	2,640	0,028
160	2,555	0,028
180	2,533	0,027
200	2,538	0,027
220	2,540	0,027
240	2,539	0,027
260	2,538	0,027
280	2,537	0,027
300	2,536	0,027
320	2,532	0,027
340	2,528	0,027
360	2,522	0,027
380	2,513	0,027
400	2,504	0,027
420	2,494	0,027
440	2,484	0,027
460	2,476	0,027
480	2,471	0,027
500	2,466	0,027
520	2,463	0,027
540	2,459	0,027
560	2,456	0,027
580	2,449	0,026
600	2,437	0,026
620	2,417	0,026
640	2,389	0,026
660	2,343	0,025
680	2,275	0,025
700	2,182	0,024
720	2,129	0,023
740	2,072	0,023
760	2,021	0,022
780	1,977	0,022
800	1,937	0,021
820	1,899	0,021
840	1,863	0,021
860	1,828	0,020
880	1,801	0,020
900	1,773	0,020
920	1,746	0,019

Przydatne wzory:

Współczynnik termoelektryczny:

Temperatura krzepnięcia stopu:

Błąd pomiaru napięcia:

Przykładowe obliczenia:

Liczę błąd ∆U:

Liczę współczynnik termoelektryczny:

Obliczam α _średnie ze wzoru:

Liczę błąd ∆α:

Obliczam niepewność

Wartość U_k odczytałam z wykresu funcji:

U_k=2,533mV

Obliczam ze wzoru temperaturę krzepnięcia stopu Wooda:

T_k=2,533/0,039=64,18 ⁰C

Obliczam niepewność pomiaru:

∆T_k= 0,5466/0,039 + (-2,533/0,001558) *0,000426 = 0,69 ⁰C

δT_k= ∆T_k/T_k=(0,69/64,18) *100% = 0,0107*100% = 1,07%

Wynik końcowy:

T_k = (64,18 ±0,69) ⁰C

Wnioski:

1. Obserwując skalanie termopary widzimy, że napięcie na miliwoltomierzu rośnie wprost proporcjonalnie do wzrostu temperatury (zgadza się z założeniami teoretycznymi).

2. Metalem, którym badałam temperaturę krzepnięcia był stop Wooda, składający się z kilku pierwiastków (50% Bi, 25% Pb, 12.5% Cd, 12.5% Sn). Zawartość tej mieszaniny pozwoliła na obserwację krzepnięcia w środowisku 64,18°C. Wykres jasno przedstawia zależność, że podczas krzepnięcia spadek napięcia przechodzi w jego stopniowy wzrost.

3. Uzyskany wynik jest obarczony bardzo małym błędem, który wynosi ok. 1,1%. Jest to wartość zadowalająca i mówiąca nam, że wymiana ciepła z otoczeniem została sprowadzona do minimum, dzięki zastosowaniu termosu(w którym wymieszano wodę z kostkami lodu w celu osiągnięcia temperatury odniesienia 0 ⁰C)

---