Ćwiczenie 9 ”Termopara”

Temat: Termopara

Cel: Zbadanie zjawiska Seebecka i poznanie zastosowania termopary w termometrii.

Przyrządy: Dwie identyczne termopary, woltomierz, termometr, naczynie z mieszaniną wody i lodu, podgrzewane naczynie z wodą, naczynie ze stopem Wooda.

I. Metoda pomiaru

Na styku dowolnych dwóch różnych materiałów zachodzi zjawisko wymiany elektronów, w wyniku czego warstwy stykające się są naładowane ładunkami przeciwnego znaku. W obszarze styku istnieje więc kontaktowe pole elektryczne i pomiędzy materiałami stykającymi się występuje kontaktowa różnica potencjałów, nazywana w przypadku styku dwóch różnych metali napięciem Galvaniego. Zależy ono od rodzaju stykających się metali oraz od temperatury styku. Jeśli z dwóch drutów, np. miedzianego i aluminiowego wykonamy obwód zamknkięty, to na stykach Cu/Al powstają napięcia Galvaniego skierowane przeciw sobie. Gdy temperatury obydwu styków są jednakowe, to napięcia te kompensują się całkowicie. Gdy temperatury styków są różne, to napięcia Galvaniego nie zrównoważą się i w obwodzie popłynie prąd nazywany termoelektrycznym. Różnica napięć Galvaniego stanowi siłę elektromotoryczną wzbudzającą prąd w tym obwodzie. Nazywana jest siłą termoelektryczną. Zjawisko powstawania siły termoelektrycznej w obwodzie złożonym z dwóch przewodników jest nazywane zjawiskiem termoelektrycznym Seebecka. Obwód złożony z dwóch przewodników, których styki mogą znajdować się w różnych temperaturach, nazywa się termoparą. Doświadczenie wykazuje, że wielkość siły termoelektrycznej jest proporcjonalna do różnicy temperatur styków termopary, a współczynnik proporcjonalności jest zależny od rodzajów materiałów tworzących styki.

Pomiar siły termoelektrycznej wymaga włączenia w obwód woltomierza. Przy włączeniu woltomierza w jeden z przewodów termopary powstają dodatkowe złącza, które w przypadku różnicy temperatur wprowadzają dodatkowe zaburzenie. Można tego uniknąć przez zastosowanie przyłączeń woltomierza z zachowaniem identycznej temperatury styków. Termopara badana w laboratorium ma przyłącza do woltomierza utrzymywane w temperaturze pokojowej (rys.1). Wtedy mierzone woltomierzem napięcie będzie proporcjonalne do różnicy temperatur złącza ciepłego T₁ i zimnego T₂:

(1)

Rys.1.Termopara w laboratorium wykonana jest z dwóch rodzajów drutów, oznaczonych symbolicznie a i b

Temperatura T₂ wody chłodnej znajdującej się w naczyniu Dewarajest praktycznie stała w czasie prowadzenia ćwiczenia..Dlatego siła termoelektryczna zależna od różnicy temperatur ma wartość różną przy różnych wartościach temperatury ciepłego złącza. Gdy wyznaczymy zależność pomiędzy temperaturą T₁ i siłą termoelelektryczną to termopara jest wycechowana do pomiaru temperatury. W tym ćwiczeniu termopara zostanie wykorzystana do wyznaczania temperatury topnienia stopu Wooda.

Rys.2.Przykładowe zależności temperatury układu od ilości dostarczonego ciepła (a) i siły termoelektrycznej od czasu (b) przy przy podgrzewaniu ze stałą mocą.

Temperaturą topnienia nazywa się temperaturę współistnienia faz stałej i ciekłej. Podczas podgrzewania ciała stałego jego temperatura wzrasta aż rozpocznie się proces topnienia. W czasie dalszego podgrzewania temperatura pozostaje stała aż nastąpi stopienie całego ciała. Przy dalszym podgrzewaniu nastąpi wzrost temperatury cieczy. Przykładową ilustrację przedstawia rysunek 2a. Jeśli temperaturę będziemy określać przez pomiar siły termoelektrycznej w czasie podgrzewania ze stałą mocą, to zależność wskazań woltomierza od czasu będzie podobna do przedstawionej na rysunku 2b. Temperaturze topnienia T₀ odpowiada w takim pomiarze napięcie U₀ zachowujące stałą wartość przez pewien czas podgrzewania stopu. Jeśli termopara jest wycechowana, to znając U₀ można wyznaczyć temperaturę topnienia badanego ciała.

II. Wykonanie pomiarów

1. Termopara jest podobną do przedstawionej na rysunku 1. Jedno spojenie termopary znajduje się w naczyniu z grzałką wypełnionym wodą. Drugie spojenie termopary znajduje się w naczyniu Dewara z wodą. Po dołączeniu woltomierza do termopary i wybraniu odpowiedniego zakresu pomiarowego (0-10 mV) należy mierzyć zależność pomiędzy siłą termoelektryczną termopary a temperaturą podgrzewanej wody. Pomiary należy przeprowadzić przy zmianie temperatury wody o kilka stopni.

2. Termopara do pomiaru temperatury topnienia stopu Wooda jest identyczna z badaną w poprzednim punkcie. Należy połączyć ją z woltomierzem i prowadzić podgrzewanie stopu. Pomiar siły termoelektrycznej należy prowadzić w równych odstępach czasu (10 s lub 20 s). Pomiar należy prowadzić tak długo, aż cały stop stopi się i jego temperatura zacznie po stopieniu wzrastać.

III. Opracowanie wyników

1. Sporządzić wykres zależności siły termoelektrycznej od temperatury podgrzewanej wody.

2. Obliczyć współczynniki zależności liniowej pomiędzy temperaturą wody a siłą termoelektryczną:

. (2)

3. Obliczyć odchylenia standardowe współczynników a i b.

4. Sporządzić wykres zależności pomiędzy siłą termoelektryczną termopary mierzącej temperaturę stopu Wooda a czasem podgrzewania stopu.

5. Z wykresu należy odczytać wartość stałego napięcia U₀ zmierzonego w czasie topnienia stopu i przy pomocy wzoru (2) obliczyć temperaturę topnienia stopu Wooda. W ćwiczeniu proces podgrzewania prowadzi się szybkow (w warunkach nierównowagowych), więc w czasie topnienia stopu temperatura mierzona punktowo (w położeniu styku termopary) ulega powolnej zmianie. Wynikiem zbyt szybkiego podgrzewania może być zależność SEM od czasu podobna do przedstawionej na rysunku 3. Wówczas za
   można przyjąć
   , natomiast
   można uznać za niepewność pomiaru
   .

Rys.3. Zależność U(t) z przejaskrawionym wpływem braku równowagi

6. Oszacować odchylenie standardowe (niepewność) pomiaru temperatury topnienia. Można wykorzystać relację:

. (3)

IV. Pytania kontrolne

1. Co to jest siła termoelektryczna ?

2. Dlaczego siła termoelektryczna jest zerowa przy równej temperaturze złącz termopary ?

3. Na czym polega zjawisko Seebecka ?

4. Do czego można zastosować zjawisko Seebecka ?

5. Co to jest temperatura topnienia ?

---