Sprawozdanie nr[1] 1 orman fizyka budowli

I. WSTĘP TEORETYCZNY

1. Pomiar temperatury

Pomiar temperatury może być realizowany na wiele sposobów. W zależności od interakcji pomiędzy badanym obiektem pomiarowym a czujnikiem pomiarowym wyróżnić można:

pomiar dotykowy (pomiar kontaktowy) - czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego temperaturę mierzymy,
pomiar bezdotykowy (pomiar bezkontaktowy) - poprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało (promieniowanie cieplne) np. długości fali, ilości emitowanej energii przez obiekt.

W zależności od wykorzystanych do pomiaru własności fizycznych czujnika pomiarowego wyróżnić można pomiar z wykorzystaniem zjawiska:

odkształcenia bimetalu,
wytwarzania napięcia elektrycznego na styku dwóch metali (termopara) w różnych temperaturach,
zmiany rezystancji elementu (termistor),
zmiany parametrów złącza półprzewodnikowego (termometr diodowy)
zmiany objętości cieczy, gazu lub długości ciała stałego (termometr, termometr cieczowy),
zmiana barwy - barwa żaru, barwa nalotowa stali, farba zmieniająca kolor pod wpływem temperatury,
stożki Segera.

2.Termometr

Termometr - przyrząd do pomiaru temperatury metodą pośrednią, na podstawie zmiany pod wpływem temperatury właściwości termometrycznej ciała termometrycznego zastosowanego w termometrze. Zakres mierzonych temperatur i zastosowań termometru w znacznym stopniu zależy od ciała termometrycznego i właściwości termometrycznej. Termometr może służyć do pomiaru dowolnej temperatury w określonym zakresie lub wskazywania tylko wybranych wartości temperatury (wskaźniki temperatury)

2.1Rodzaje termometrów

Podział termometrów ze względu na zasadę działania

termometr cieczowy - wykorzystuje zjawisko rozszerzalności cieplnej cieczy (przeważnie rtęci albo alkoholu):

termometr rtęciowy - dla temperatur od -38^oC (temp. topnienia rtęci) do +356^oC (temp. wrzenia rtęci);
termometr alkoholowy - dla temperatur od -70 do +120^oC; np. termometr pokojowy

termometr gazowy - czynnikiem roboczym jest gaz, mierzy się parametry gazu np. objętość. Ciśnienie się zmienia przy stałej objętości.
termometr parowy - wykorzystuje zależność ciśnienia pary nasyconej od temperatury, stosowany często w termostatach, np. samochodowych,
termometr oporowy - wykorzystuje zjawisko zmiany oporu elektrycznego przy zmianie temperatury, stosowanym czynnikiem jest platyna, brąz, półprzewodniki, specjalne stopy; patrz termistor,
termopara - wykorzystuje zjawisko termoelektryczne,
termometr magnetyczny (paramagnetyczny) - do pomiaru temperatur mniejszych niż 1 kelwin.

Podział termometrów ze względu na przeznaczenie

termometr lekarski - zakres temperatur: od 35 do 42^oC i jest to termometr temperatury maksymalnej
termometr zaokienny - zakres temperatur: od -50 do 50^oC
termometr pokojowy - zakres temperatur: od 0 do 40^oC
termometr laboratoryjny - zakres temperatur: bardzo różny (zazwyczaj od 0 do 120^oC)

3.Termopara (termoogniwo, termoelement, ogniwo termoelektryczne) to czujnik temperatury wykorzystujący zjawisko Seebecka, będąca połączeniem dwóch termoelementów.

3.1 Zjawisko Seebecka - zjawisko termoelektryczne polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej i w konsekwencji tego przepływie prądu elektrycznego w miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników o różnych temperaturach, w zamkniętym obwodzie termoelektrycznym.

W przedstawionym obwodzie A i B są różnymi metalami lub półprzewodnikami, T1 i T2 to temperatury w miejscach styku metali. W tym obwodzie powstaje napięcie elektryczne określone wzorem:

0x01 graphic

Gdzie: S_A i S_B to współczynniki Seebecka charakterystyczne dla wybranych substancji. Powstające napięcie jest rzędu od kilku do kilkudziesięciu mikrowoltów na kelwin (stopień Celsjusza).

0x01 graphic
Schemat termopary

Składa się z dwóch różnych metali (drucików), spojonych na jednym końcu (strona pomiarowa). Pod wpływem zmiany temperatury powstaje siła elektromotoryczna zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną na końcach niepołączonych (zimnych) proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy temperaturą spoiny pomiarowej, a temperaturą spoin odniesienia (zimnych, wolnych końców). Spoina pomiarowa może znajdować się w obudowie, którą następnie instalujemy w miejscu pomiaru temperatury. Termopary odznaczają się dużą niezawodnością, dokładnością i elastycznością konstrukcji, co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach.

3.2. Materiały wykorzystywane do budowy termoelementów powinny w miarę możliwości posiadać:

wysoką temperaturę topnienia,
dużą odporność na czynniki zewnętrzne,
małą rezystywność,
wysoką temperaturę pracy ciągłej,
mały współczynnik cieplny rezystancji,
niezmienność parametrów w czasie.

Do budowy wykorzystuje się materiały szlachetne: platyna i platynorod, wolfram i molibden, oraz nieszlachetne. Np.: żelazo i miedź-nikiel, miedź i miedź-nikiel, nikiel-chrom i nikiel-aluminium.

3.3 Zalety termopar:

nie wymagają zewnętrznego zasilania
niewielkie rozmiary
niska pojemność cieplna
mała bezwładność czasowa
szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości
prostota i niskie koszty wykonania
duża niezawodność

II. OBLICZENIA

1. Wyprowadzenie wzoru na współczynnik przejmowania ciepła h dla przypadku chłodzenia ciała.

Założenie: proces jest tak prowadzony, iż temperatura w całej objętości maleje.

Korzystając z I zasady termodynamiki można zapisać:

Q- W= ∆E= ∆U+ ∆KE+ ∆PE

Gdzie:

Q- ciepło
W-praca [ J]; W=0
∆E- zmiana energii [J]
∆U- energia wewnętrzna [J]
∆KE- energia kinetyczna [J]; ∆KE=0
∆PE- energia potencjalna [J]; ∆PE=0

Po podstawieniu otrzymujemy:

Q = ∆U [J]

∆U= c *m *∆T

-h*[T(t)-T_∞]*A*dt=c *m *∆T

m=ς*V [kg]

-h*[T(t)-T_∞]*A*dt=c*dT(t) *ς*V

Gdzie:

V-objętość ochładzanego ciała, [m³]
A- powierzchnia całkowita, [m²]
c- ciepło właściwe, [ J/kg*K]
ς -gęstość, [kg/m³]
T_∞- temperatura otoczenia, [⁰C]
T(t)- zmiana temperatury w czasie, [⁰C]

Wprowadzamy podstawienie: Θ(t)= T(t)-T_∞

Przewidujemy rozwiązanie:

r = - m

Dla początkowego czasu t_pocz=0 otrzymujemy:

T(0)=T_pocz lub Θ(0)=T_pocz-T_∞

0x08 graphic

2. Doświadczalne wyznaczenie współczynnika przejmowania ciepła dla aluminium (h_Al)

Dane tablicowe:

gęstość aluminium; ς=2720 kg/m³
ciepło właściwe Al.; c=893 J /kg*K
współczynnik przewodzenia ciepła Al; λ=245 W/m*K

Dane pomiarowe:

temperatura otoczenia ( w wykonywanym doświadczeniu jest to temperatura wody) T_∞=19⁰C
T_pocz- początkowa temperatura pomiaru (temperatura w czasie t=0); T_pocz=124,19⁰C
geometryczne wymiary aluminium; (długość x szerokość x wysokość = a x b x c )