Laboratorium fizyki CMF PŁ

dzień 17.04.2014 godzina 8.15-10.15 grupa 1

wydział BiNoŻ kierunek TŻiŻC

semestr II rok akademicki 2013/2014

T1 Pompa cieplna Peltiera
kod ćwiczenia tytuł ćwiczenia

Daria Woźniak
numer indeksu 190780

Sara Nastałek
numer indeksu 190724

Barbara Sroka
numer indeksu 190755

ocena ____

WSTĘP TEORETYCZNY

Moduł Peltiera jest elementem półprzewodnikowym (tellurek bizmutu) będącym rodzajem pompy cieplnej umożliwiającej w zależności od polaryzacji modułu grzanie lub chłodzenie wybranego elementu. Warunkiem efektywnej pracy modułu jest zapewnienie dobrego odprowadzania ciepła ze strony gorącej. Wymaga to stosowania radiatorów o rozwiniętej powierzchni, jak też past termoprzewodzących pomiędzy radiatorem i okładziną elementu Peltiera. Dla zwiększenia efektywności radiatora dodatkowo używa się wentylatorów.  Elementy z półprzewodnikowego tellurku bizmutu, z których składają się moduły Peltiera posiadają z obu stron barierę antydyfuzyjną. Brak barier antydyfuzyjnych powoduje degradowanie własności materiału w podwyższonych temperaturach pracy.

$\mathbf{P =}\frac{\mathbf{\text{dQ}}}{\mathbf{\text{dt}}}\mathbf{= \pi}$_p gdzie π_p -współczynnik Peltiera danego układu

Efekt Joule’a-Thomsona jest to zmiana temperatury, jaka występuje zawsze w tych przypadkach, gdy gaz rozszerza się adiabatycznie, to oznacza bez dopływu ciepła z zewnątrz. Jeżeli gaz wypływa przez porowatą przegrodę pod wpływem stale po obu stronach tej utrzymanej różnicy ciśnień, wtedy oprócz pracy wewnętrznej, potrzebnej do przezwyciężenia przyciągań wzajemnych cząstek gazu pod ciśnieniem, musi być wykonana praca zewnętrzna, związana ze zmianą objętości właściwej gazu. Suma tych dwóch prac może być dodatnia lub ujemna. W tym ostatnim przypadku następuje przy wypływie gazu ogrzanie. Przykładem jest zachowanie się wodoru między 0° a 100°, który przy wypływie ogrzewa się, podczas gdy inne gazy w tym zakresie temperatur wykazują oziębienie. Dla każdego gazu istnieje taka temperatura, przy której zjawisko J. T. jest zerem, poniżej której jest ujemne, powyżej której dodatnie. Przy wyższych ciśnieniach występuje także zależność tego zjawiska od samego ciśnienia. Ważne zastosowanie znajduje zjawisko J. T. przy skropleniu powietrza; powietrze o temperaturze — l00° C. ekspandowane z pod ciśnienia 136 atmosfer na 1 atm. oziębia się o 92°, przez co następuje już skroplenie.

P=I² R

Przewodnictwo ciepła jest to zjawisko przepływu energii cieplnej pomiędzy nierównomiernie ogrzanymi ciałami. W przypadku gazu polega ono, na wzajemnym przekazie energii bezładnego ruchu cieplnego molekuł prowadzącym do wyrównywania się (uśredniania) tej energii (temperatura). Dla ciał stałych w mikroskopowym opisie procesu przewodnictwa ciepła istotną rolę pełnią drgania sieci krystalicznej (fonon) i wzajemne oddziaływanie nośników prądu (gaz elektronowy). Przewodnictwo ciepła opisuje prawo wyrażone równaniem:

Q = -λgrad T

gdzie: Q - wektor gęstości strumienia cieplnego, λ - współczynnik przewodzenia ciepła, T - temperatura.

Dla ciał stałych

λ = λ_e+λ_s

Zjawisko Seebecka- (zjawisko termowoltaiczne) to jedno ze zjawisk termoelektrycznych, polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej zwanej też siłą termoelektryczną w obwodzie złożonym z dwóch różnych materiałów, których styki mają różne temperatury. Jest ono wynikiem zależności kontaktowej różnicy potencjałów między materiałami od temperatury. Napięcie kontaktowe powstaje wskutek dyfuzji przez powierzchnię kontaktu elektronów od jednego materiału do drugiego. W efekcie przy powierzchni styku w materiale posiadającym mniejszą koncentrację elektronów powstaje ich nadmiar, po przeciwnej stronie styku w drugim materiale niedobór. Różnica jest tym większa, im wyższa jest temperatura styku bo wtedy silniejsza jest dyfuzja elektronów przez styk. Im większa różnica temperatur styków, tym większa siła termoelektryczna.

Zjawisko Thomsona dotyczy jedynie wydzielania i pochłaniania ciepła - nie powoduje wydzielania się sił termoelektrycznych. Jest to zjawisko dotyczące jedynie efektów cieplnych przepływu prądu elektrycznego (niezależnych od ciepła Joule'a-Lentza i o innej naturze).

Współczynnik Thomsona T jest zdefiniowany jako:

dQT= T I(dT/dx) dt

gdzie:

dQT - ilość ciepła wydzielająca się na długości dx,

dT/dx – gradient temperatury na długości próbki,

I – wartość przepływającego prądu

Współczynnik Thomsona uznaje się za dodatni jeżeli przepływ prądu od punktu o temperaturze wyższej do punktu o temperaturze niższej powoduje wydzielanie ciepła, w przeciwnym przypadku jest ujemny. Współczynnik Thomsona zależy od temperatury.

CEL DOŚWIADCZENIA

Ćwiczenie polegało na ustaleniu wydajności chłodniczej pompy , współczynnika wydajności chłodniczej , oraz wydajności grzewczej pompy i współczynnika wydajności grzewczej.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

W celu przeprowadzenia doświadczenia użyłyśmy pompy cieplnej z łaźnią wodną napełnioną wodą w temperaturze pokojowej. Pompę cieplną zasilałyśmy prądem stałym o ustalonym natężeniu 2A i napięciu 10V. Po podłączeniu do zasilacza, co minutę rejestrowałyśmy temperaturę wody w łaźniach oraz napięcie przyłożone do pompy cieplnej. Po 10 minutach zmieniałyśmy wodę oraz natężenie stopniowo co 10 minut, rejestrując temperaturę oraz napięcie.

1. Natężenie prądu I = 1A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	1	6,5	291,4	299,9
2.	60		6,7	291,1	298,2
3.	120		5,8	290,6	298
4.	180		5,6	290,1	297,8
5.	240		5,5	289,6	297,9
6.	300		5,5	289,2	297,9
7.	360		5,5	288,9	297,8
8.	420		5,3	288,7	297,7
9.	480		5,8	288,5	297,7
10.	540		5,5	288,3	297,6
11.	600		5,4	288,1	297,5

2. Natężenie prądu I = 2A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	2	9,4	288,1	297,3
2.	60		9,5	287,2	298,8
3.	120		9,7	286,5	300,8
4.	180		9,3	286,1	301,6
5.	240		9,7	285,8	301,9
6.	300		9,3	285,4	302
7.	360		9,7	284,8	302
8.	420		9,6	284,5	301,9
9.	480		9,6	284,1	301,9
10.	540		9,4	283,9	301,8
11.	600		9,4	283,6	301,7

3. Natężenie prądu I = 3A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	3	13,3	284,6	302,6
2.	60		13,7	283,8	304,2
3.	120		13,8	283,2	306,2
4.	180		13,8	283,2	307,1
5.	240		13,9	282,9	307,5
6.	300		13,9	282,6	307,7
7.	360		13,9	282,1	307,8
8.	420		13,1	281,8	307,8
9.	480		13,9	281,5	307,7
10.	540		14,0	281,1	307,7
11.	600		13,9	280,7	307,7

4. Natężenie prądu I = 3,5A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	3,5	15,7	282	307,6
2.	60		15,9	282,9	308,8
3.	120		15,9	282,9	310,5
4.	180		16,2	282,9	311,3
5.	240		16,0	282,8	311,6
6.	300		16,0	282,5	311,8
7.	360		15,3	282	311,8
8.	420		16,0	281,8	311,8
9.	480		16,0	281,5	311,8
10.	540		16,0	281,1	311,7
11.	600		15,3	280,8	311,7

5. Natężenie prądu I = 4A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	4	17,0	282,7	311,8
2.	60		18,1	283,3	313
3.	120		18,1	283,5	314,8
4.	180		18,3	283,4	315,6
5.	240		17,4	283,2	316
6.	300		17,5	282,9	316,1
7.	360		17,4	282,8	316,2
8.	420		17,4	282,4	316,2
9.	480		17,5	282,1	316,2
10.	540		17,5	281,8	315,5
11.	600		17,5	281,7	316,2

6. Natężenie prądu I = 4,5A

L.p.	czas t [s]	prąd I [A]	napięcie U [V]	temp. Tchł [K]	temp. Tgrz [K]
1.	0	4,5	19,4	283,6	315,8
2.	60		20,9	283,9	317,6
3.	120		21,0	284,1	318,6
4.	180		20,1	284,1	319,3
5.	240		20,0	283,9	319,4
6.	300		21,2	283,7	319,6
7.	360		20,0	283,5	320,7
8.	420		20,1	283,3	319,8
9.	480		20,0	283,1	320,2
10.	540		20,0	282,9	320,2
11.	600		20,0	282,8	320,4

Wykresy

1) dla I = 1A
W wykresie pominięte zostały pomiary 1,2,3.

2) dla I = 2A
W wykresie pominięte zostały pomiary 1,2,3.

3) dla I = 3A
W wykresie pominięte zostały pomiary 1,2,3.

4) dla I = 3,5A
W wykresie pominięte zostały pomiary 1,2,3.

5) dla I = 4A
W wykresie pominięte zostały pomiary 1,2,3.

6) dla I = 4,5A
W wykresie pominięte zostały pomiary 1,2,3.

Wykres zależności P_chł w funkcji natężenia prądu I:

I [A]	Pchł [W]	Pel [W]	ηchł
1	4,95	5,51	0,898
2	6,82	19,0	0,360
3	6,60	41,4	0,160
3,5	5,72	55,5	0,103
4	4,73	70,3	0,070
4,5	3,52	90,8	0,039

Wartość optymalna natężenia prądu modułu Peltiera wynosi około 2A.

WNIOSKI:

• Podczas wykonywania doświadczenia zauważamy, że temperatura w jednym zbiorniku maleje a w drugim rośnie. Przy zmianie kierunku prądu płynącego przez termogenerator temperatura w jednym zbiorniku zaczyna rośnie, a w drugim maleje.

• Przy zwiększeniu wartości prądu znaczącą różnice między temperaturą zimną a ciepłą.

• Przy dwóch amperach różnica ta jest mniejsza, a przy czterech amperach jest większa.

• Przy wzroście temperatury wody zwiększa się jej opór, przez co musimy zwiększyć napięcie zasilające, by utrzymać wymaganą wartość prądu.