nr ćwicz. 204 |
data 16.04. 2009 |
Agnieszka Kamińska Marta Dębska |
Wydział Technologii Chemicznej |
Semestr II |
grupa 3 nr lab. 1 |
prowadzący dr inż., A. Skibiński
|
przygotowanie |
wykonanie |
ocena ostateczna |
Cechowanie termoogniwa
1. Wstęp teoretyczny
Termoogniwo stanowią dwa różne przewodniki połączone ze sobą w sposób przedstawiony na rysunku. Jeżeli punkty łączenia znajdują się w różnych temperaturach, wówczas powstaje między nimi różnica potencjałów, zwana siłą termoelektryczną. Jej wielkość zależy od rodzaju przewodników tworzących termoogniwo oraz od różnicy temperatur i wyraża się wzorem
Współczynniki
charakteryzują zastosowane materiały. Przedstawiony efekt nazywamy zjawiskiem Seebecka.
Bezpośrednią przyczyną wystąpienia siły termoelektrycznej jest różna wartość napięć kontaktowych w złączach posiadających różne temperatury. Istnienie napięć kontaktowych związane jest ze zjawiskami elektronowymi w metalach. W każdej temperaturze istnieje pewna ilość elektronów, które posiadają energię kinetyczną wystarczającą do wykonania pracy wyjścia W, a zatem do wyjścia na powierzchnię metalu. Te elektrony tworzą tzw. prąd termoemisji skierowany prostopadle do powierzchni metalu. Gęstość prądu termoemisji określona jest prawem Richardsona - Dushmana i dla obu przewodników z rys. 1 wynosi odpowiednio
Gdy oba przewodniki zbliżymy na bardzo małą odległość, elektrony opuszczające metal A będą przechodziły do metalu B i odwrotnie. W sytuacji przedstawionej na rys. 1
ze względu na wartości prac wyjścia
. Przewaga prądu
prowadzi do zwiększenia ilości elektronów w metalu B i do powstania ich niedomiaru w metalu A. W tej sytuacji metale naładują się przeciwnymi znakami i powstanie między nimi różnica potencjałów o takim kierunku, że dalszy przepływ elektronów od A do B zostanie utrudniony i w końcu zrównoważony przepływem od B do A. W stanie równowagi strumienie elektronów w obu kierunkach są takie same, co oznacza:
Powyższe równanie odzwierciedla fakt, że elektrony opuszczające metal A muszą wykonać, oprócz pracy wyjścia, pracę przeciwko różnicy potencjałów
. Tę różnicę potencjałów, powstającą w wyniku zetknięcia się dwóch przewodników, nazywamy napięciem kontaktowym. Jego wartość określona jest tylko przez różnicę prac wyjścia obu metali
Siła termoelektryczna może wystąpić także w przewodniku jednorodnym ( bez złącz), gdy między jego końcami wytworzymy różnicę temperatur. To zjawisko nosi nazwę efektu Thomsona i jest prostą konsekwencją zależności energii Fermiego od temperatury.
.
Zjawisko Peltiera - pobieranie lub wydzielanie ciepła przy przepływie prądu przez złącza metali.
Wzorcowanie termoogniwa.
W celu znalezienia napięć termoelektrycznych odpowiadających określonym różnicom temperatur
stosujemy układ przedstawiony na rysunku 2. Jedno złącze znajduje się w naczyniu zawierającym mieszaninę wody z lodem (
), zaś drugie w naczyniu z wodą, której temperaturę zmieniamy za pomocą grzejnika G. Temperaturę T mierzymy czujnikiem oporowym
, a jej wartość odczytujemy za pomocą miernika cyfrowego. Stosuje się trzy różne termopary:
. Przełącznikiem Pr w obwód każdej termopary można włączyć miliwoltomierz cyfrowy (mV).
2. Pomiary i obliczenia
GRZANIE
|
Termopary - odczyty napięć termoelektrycznych [mV] |
||
Temperatura [oC] |
Cu-CuNi |
Nitrosil-Nisil |
Fe-cuni |
27,7 |
1,27 |
0,64 |
0,82 |
35 |
1,63 |
0,86 |
0,96 |
40 |
1,89 |
1,03 |
1,06 |
45 |
2,17 |
1,19 |
1,16 |
50 |
2,36 |
1,40 |
1,29 |
57 |
2,84 |
1,55 |
1,45 |
60 |
2,88 |
1,79 |
1,52 |
65 |
3,29 |
1,97 |
1,63 |
70 |
3,50 |
2,07 |
1,79 |
75 |
3,85 |
2,26 |
1,89 |
80 |
4,06 |
2,47 |
2,00 |
85 |
4,31 |
2,68 |
2,13 |
90 |
4,7 |
3,02 |
2,20 |
95 |
4,96 |
3,21 |
2,29 |
100 |
5,35 |
3,39 |
2,47 |
105 |
5,55 |
3,57 |
2,59 |
110 |
6,03 |
3,71 |
2,8 |
115 |
6,11 |
3,83 |
2,92 |
CHŁODZENIE
|
Termopary - odczyty napięć termoelektrycznych [mV] |
||
Temperatura [oC] |
Cu-CuNi |
Nitrosil-Nisil |
Fe-CuNi |
115 |
6,11 |
3,83 |
2,92 |
110 |
6,05 |
3,75 |
2,78 |
105 |
5,62 |
3,60 |
2,64 |
100 |
5,39 |
3,46 |
2,57 |
95 |
5,18 |
2,92 |
2,52 |
90 |
4,70 |
2,66 |
2,33 |
85 |
4,44 |
2,62 |
2,17 |
80 |
4,07 |
2,40 |
2,08 |
75 |
3,88 |
2,20 |
1,94 |
70 |
3,57 |
2,09 |
1,79 |
65 |
3,30 |
1,87 |
1,68 |
Wyznaczenie współczynnika termoelektrycznego
metodą regresji liniowej
Rodzaj termoogniwa |
Wynik regresji |
Odchylenie standardowe |
Wynik zaokrąglony |
Fe-CuNi |
0,023829 |
0,000361 |
(2,24 |
Cu-CuNi |
0,056874 |
0,000714 |
(5,69 |
Nicrosil-Nisil |
0,038343627 |
0,000645 |
(3,83 |
3. Wnioski:
Z powodu stałego ogrzewania termopar trudno było określić napięcie elektryczne termopar w tej samej temperaturze. Spowodowało to powstanie błędu pomiaru, który przewyższał błąd wynikający z dokładności narzędzi pomiarowych. Wykresy pokazały, że podczas przyrostu temperatury, napięcie termoelektryczne termopar zmienia się w sposób liniowy.
4