1. Wstęp

Termoparą nazywamy złącze dwóch metal, gdzie zachodzi Efekt Seebecka i generuje się siła termoelektryczna, którą mierzymy. Pomiar składa się z dwóch etapów – kalibracji termoelementu, gdzie znajdujemy jego parametry kalibracyjne (zakłądamy liniową charakterystykę). Drugim etapem jest pomiar temperatury w czasie topnienia i krzepnięcia metali, co pokazuje dynamike zmian oraz udowadnia iż istnieje coś co definiuje się jako energia topnienia.

2. Kalibracja

Aby dokonać kalibracji należy zmierzyć conajmniej dwie znane temperatury – dzięki temu wyznaczyć będzie można parametry kalibracyjne A i B. Najlepiej zmierzyć temperatury z krańców mierzonego zakresu, co poprawi liniowość pomiarów w całym zakresie.

Pomiaru dokonuje mierząc i uśredniając 500 próbek, dla danej temperatury, po ustabilizowaniu się pomiaru. Zmierzono wartości dla dwóch temperatur: 20°C oraz 100°C, zatem:

T₁ = (20.00 ± 0,02)°C, X₁ =(-4,000 ± 0,000 ) a.u.

T₂ = (30.00 ± 0,02)°C, X₂ =(9,000 ± 0,000 ) a.u.

T₃= (40.00 ± 0,02)°C, X₃ =(26,026 ± 0,159 ) a.u.

T₄ = (50.00 ± 0,02)°C, X₄ =(43,962 ± 0,191) a.u.

T₅ = (60.00 ± 0,02)°C, X₅ =(67,941 ± 0,381) a.u.*

T₆ = (100.00 ± 0,00)°C, X₆ =(121,509 ± 0,838) a.u.

* - tego pomiaru nie biorę pod uwage w dopasowaniu, gdyż z jego położenia z dala od dopasowywanej linii wnioskuje że jest to błąd gruby.

Wykres 1

Posiadając 6 punktów dokonać można prostego dopasowania liniowego. Prosta dopasowana do powyższych parametrów będzie prostą kalibracyjna termopary, ukazana jest na wykresie 1.

Jej parametry to:

A = (0,6306 ± 0,0098)°C

B = (23,2165 ± 0,5737)°C

Po wprowadzeniu parametrów do programu obsługującego sonde zmierzyłem temperaturę powietrza i porównałem to z odczytem temperatury z termometru alkoholowego. Temperatura powietrza wynosi odpowiednio:

Zmierzona termoparą T = (23,555 ± 1,002)°C

Zmierzona termometrem T = (24 ± 1)°C

Jak zatem nietrudno zauważyć pomiary zgadzają się z dostateczną dokładnością (biorąc pod uwage znaczne niepewności

3. Pomiary

Zmierzono krzywe ostygania i ogrzewania dwóch topionych metali – Sn60Pb40 (stop lutowniczy, temp. topnienia 183°C ) oraz stopu Wooda (temp. Topnienia ok. 69°C).

Stop lutowniczy rozgrzany został do temperatury ok 230°C, po czym odłączone zostało zasilanie od grzałki i zebrane zostało 1000 próbek (w odstępach ok. 0.5s). Po tym grzałki zostały włączone i zostało pobrane 2000 próbek (łącznie 3000 próbek, pobrane naraz, jedne po drugich). Zapisane zostały punkty, gdy następowała zmiana stanu skupienia.

Operacja została powtórzona 3 krotnie, dla uzyskania 3 krzywych, które będą dalej interpretowane, pod kątem zmian temperatury podczas krzepnięcia (podczas pobierania/oddawania energii krzepnięcia/topnienia). Te 2 krzywe, wraz z zaznaczonymi punktami charakterystycznymi (krzepnięcie, włączenie grzałki, topnienie) znajdują się an wykresie 2.

Podobnie postąpiono ze stopem Wooda, z ta różnicą iż rozgrzewano go do temperatury 125°C, po czym zbierano 2000 próbek, włączając powtórnie przy 1200 próbce grzałke. Zapisywano podczas ogrzewania i stygnięcia punkty krytyczne, gdzie następowała zmiana stanu.

Wykres 2

Na wykresie 2 widać krzywe zmiany temperatury cyny lutowniczej w czasie. 2 krzywe zaczynają się od tej samej temperatury - około 230°C, jeden tylko pomiar zaczyna się w temperaturze niższej, lecz jak widać nie ma to wpływu na kształt krzywej. Grzałka została powtórnie włączona 500 sekundzie, a procesy krzepnięcia i powtórnego topnienia zachodziły odpowiednio dla:

A: 330s, 1280s

B: 380s, 1720s

Dla C nie zmierzono tych czasów, że względu na to że ich pomiar ingerował w próbke (sprawdzanie stanu skupienia w sposób mechanicznych mogło powodowac zaburzenia pomiaru, ten pomiar miał to wykluczyć).

Na wykresie doskonale widać momenty krzepnięcia. Skojarzony jest z tym momentami anomalny wzrost temperatury, związany z wydzielaniem się dodatkowej energii – energii topnienia, a zdrugiej strony – zmniejszenie wzrostu temperatury w czasue topnienia, związane z poborem tejże energii. Ponadto czasy zachodzenia tych procesów są skojarzone z temperaturą topnienia dla tego stopu.

Podobne obserwacje dokonać można dla krzywych na wykresie 3, na którym pokazana jest zmiana temperatury w czasie dla stopu Wooda.

Wykres 3

Dla stopu Wooda dokonano tylko dwóch pomiarów. Podobnie jak w poprzednim przypadku, temperatura początkowa była stała i wyniosła ok. 125°C. W 600 sekundzie włączano powtórnie grzałke. Zanotowano następujące czasy krzepnięcia i topnienia, odpowiednio dla:

A: 530s, 890s

B: 530s, 810s

Niestety mniejsza dynamika tego procesu nie pozwala na podobne obserwacje jak w poprzednim pomiarze – fragmenty krzywych, stowarzyszone z oddawaniem i pobieraniem energii krzepnięcia nie są tak mocno widoczne. Jednakże da się zauważyć zmiane dynamiki przy ogrzewaniu, gdzie temperatura zaczyna mocniej rosnać, po stopieniu się materiału.

III. Wnioski

Dzięki wykonaniu tych pomiarów został empirycznie potwierdzony fakt istnienia energii topnienia. Pomiar tego procesu, jakim jest krzepnięcie i topnienie metalu możliwy był ze względu na dobre parametry termopary, jeśli chodzi o rozdzielczosć czasowoą. Dzięki niskiej bezwładności cieplnej da się mierzyć szybkie procesy z dynamicznymi zmianami temperatury. Odmiennie niż w przypadku termometru opartego o diode półprzewodnikowa, tutaj zmiany napięcia wyjściowego z czujnika są, niemalże, natychmiastowe, a sama bezwładność cieplna złącza niska, ze wzgledu na jego niewielką pojemność cieplną.