1.Cel ćwiczenia.

Poznanie zjawisk termoelektrycznych oraz przykładów ich zastosowań, a w szczególności zapoznanie się z budową, zasadą działania i pomiarem temperatury za pomocą termopary oraz wyznaczenie temperatury krzepnięcia stopu.

2.spis przyrządów i aparatury.

1. Kuchenka elektryczna

2. Termometry (o zakresie od 0 do 100 C) lub miernik temperatury

3. Naczynie do podgrzewania wody

4. Termos

5. Termopara

6. Tygiel ze stopem

7. Stoper

3.Schemat układu pomiarowego.

Rys. 20.2. Schemat układu pomiarowego służącego do skalowania termopary

Rys. 20.1. Schemat termopary

4.Opis przedmiotu badań:

Przedmiotem badań jest pomiar Temperatury i zjawiska termoelektryczne polegające na powstawaniu różnicy potencjałów na styku dwóch różnych metali jest wykorzystywane do budowy termopar. Termoparą (termoelementem lub teromoogniwem) nazywamy obwód zbudowany z dwóch różnych metali lub półprzewodników, którego schemat przedstawiono na rys. 20.1. Jeżeli temperatury złącz różnią się między sobą ( T1 ≠T2 ), to między punktami C i D powstaje siła termoelektryczna E. Siła ta jest wypadkową różnicy potencjałów Galvaniego oraz Thomsona. Dla niezbyt dużych różnic temperatur między złączami możemy założyć, że siła termoelektryczna jest proporcjonalna do różnicy temperatur T 1 T 2. Aby wyznaczyć siłę termoelektryczną E, do obwodu musimy dołączyć miernik. Przewody łączące miernik z termoparą oraz połączenia wewnątrz miernika mo-gą być wykonane z różny materiałów. Napięcie kontaktowe Uab ≠Uba i w obwodzie popłynie prąd termoelektryczny. Na gruncie elektronowej teorii metali w złączu wykonanym z dwóch metali A i B ,to powstanie kontaktowa różnica potencjałów

,gdzie:

e - ładunek elektronu,

- energia Fermiego dla metalu A

- energia Fermiego dla metalu B.

W praktyce, dla niedużych różnic temperatur między spoinami można przyjąć liniową zależność siły termoelektrycznej od różnicy temperatur.

Stała alfa nazywa się współczynnikiem termoelektrycznym i oznacza wartość siły termoelektrycznej dla termopary wykonanej z danej pary metali przy różnicy temperatur między spojeniami równej 1 K.

5.Wyniki pomiarów i obliczeń.

6.Niezbędne wzory i przykładowe obliczenia,

Przy wyznaczaniu temperatury krzepnięcia skorzystano z wyznaczonego w poprzednim punkcie współczynnika termoelektrycznego. Przy zaokrąglaniu wzięto pod uwagę błędy pomiarowe : błąd kwantyfikacji woltomierza i błąd bezwzględny termometru, odpowiednio : ∆U = 0,001 V i ∆t = 0,5 ᵒC.

Natężenie prądu

$$I = \frac{E}{Rt + Ra}$$

gdzie: E – siła termoelektryczna, R T– opór termopary, natomiast R A Jest oporem wewnętrznym mikroamperomierza.

Wyznaczanie temperatury krzepnięcia stopu

Temperaturę krzepnięcia stopu wyznaczamy mierząc zależność temperatury stopu od czasu (podczas stygnięcia). Zakładamy, że temperatura między stygnącym ciałem i otoczeniem jest mała. Ciało o temperaturze wyższej od temperatury otoczenia stygnie, przekazując energię do otoczenia. Energia przekazywana jest poprzez konwekcję, przewodnictwo cieplne oraz promieniowanie.

Ilość ciepła przekazywana w jednostce czasu (moc) poprzez konwekcję

gdzie T- temperatura, S- powierzchnia stygnącego ciała, kB- stała , DT- różnica między temperaturą ciała i temperaturą otoczenia T0.

Moc przekazana do otoczenia na skutek przewodnictwa cieplnego

gdzie K oznacza współczynnik przewodnictwa cieplnego.

Moc tracona przez promieniowanie jest różnicą między mocą wypromieniowaną przez ciało i mocą pobraną z otoczenia:

prawo Stefana -Boltzmanna

A- współczynnik absorpcji, sSB - stała Stefana -Boltzmanna

Całkowite ciepło, moc:

gdzie h to sumaryczny współczynnik strat ciepła.

Ciepło dQ przekazane przez stygnące ciało do otoczenia powoduje obniżanie jego temperatury o dT

Szybkość zmian temperatury jest równa szybkości zmian różnicy temperatur, możemy więc zastąpić dT/dt przez d(DT)/dt

Porównując

oraz

otrzymujemy

A rozwiązując to równanie mamy zależność temperatury stygnącego ciała od czasu

DT0 to różnica między temperaturą ciała i otoczenia w chwili t = 0. Równanie to nazywane jest równaniem Newtona. Wynika z niego, że szybkość stygnięcia ciała jest proporcjonalna do różnicy między temperaturą ciała oraz temperaturą otoczenia i zależy eksponencjalnie od sumarycznego współczynnika strat ciepła oraz pola powierzchni stygnącego ciała. Szybkość stygnięcia jest tym mniejsza, im większa jest pojemność cieplna ciała.