ĆWICZENIE 17
Ciecze i Gazy, Ciało Stałe
CECHOWANIE TERMOPARY
1. Opis teoretyczny do ćwiczenia
zamieszczony jest na stronie www.wtc.wat.edu.pl w dziale
DYDAKTYKA – FIZYKA – ĆWICZENIA LABORATORYJNE.
2. Opis układu pomiarowego
Do pomiaru siły termoelektrycznej musimy stosować miernik, którego zaciski, przewody doprowadzające oraz sam przyrząd pomiarowy mogą być wykonane z innych metali niż termopara. Jeżeli w obwód termopary włączymy inne przewodniki tak, aby dodatkowe spojenia miały tę samą temperaturę, to siła termoelektryczna nie ulegnie zmianie, co wynika z prawa Volty.
Aparatura pomiarowa składa się z termopary Fe-konstantan (40% Ni i 60% Cu), czułego miliwoltomierza cyfrowego i naczynia Dewara. Jako temperaturę odniesienia przyjmujemy 273 K, którą łatwo uzyskać wykorzystując mieszaninę wody z lodem. Aby zabezpieczyć tę mieszaninę przed poborem ciepła z otoczenia umieszcza się ją wewnątrz naczynia Dewara (w termosie).
Jedno spojenie termopary umieszcza się w mieszaninie wody z lodem (1), drugie zaś w pojemniku (2), w którym możemy w sposób kontrolowany zmieniać temperaturę. Pojemnik ten stanowi termostat. Przy włączeniu termostatu do sieci, zostaje uruchomiony silnik poruszający mieszadełko wewnątrz termostatu, służące do wyrównywania temperatury kąpieli, jednocześnie istnieje możliwość włączenia systemu podgrzewającego kąpiel termostatu. Włączenie podgrzewania odbywa się za pomocą drugiego włącznika. Dla określenia temperatury kąpieli termostatu służy termometr rtęciowy zamocowany w otworze pokrywy. Termostat posiada również układ do chłodzenia kąpieli składający się ze spiralnie zwiniętej rurki umieszczonej
ĆWICZENIE 17
Ciecze i Gazy, Ciało Stałe wewnątrz termostatu. Układ chłodzenia podłączony jest do kranu sieci wodociągowej za pomocą węża gumowego. Drugi wąż służy do odprowadzania wody chłodzącej. Przy chłodzeniu termostatu należy wyłączyć podgrzewanie i nie wyłączając silnika lekko odkręcić kran wodociągowy. Szybkość chłodzenia kąpieli można regulować za pomocą zwiększenia lub zmniejszenia przepływu wody. Szybkość podgrzewania kąpieli można również regulować przez równoczesne włączenie chłodzenia.
3. Przeprowadzenie pomiarów
1. Zaznajomić się z przyrządami i ich przeznaczeniem.
2. Umieścić jedno spojenie termopary w topniejącym lodzie, drugie w kąpieli o zmiennej temperaturze (termostat).
3. Podłączyć termoparę do zacisków miliwoltomierza. 4. Podłączyć napięcie do miliwoltomierza i termostatu.
5. Uruchomić termostat, włączyć podgrzewanie. Szybkość podgrzewania kąpieli powinna być nie większa niż 1 K na minutę. Jeśli kąpiel termostatu nagrzewa się szybciej, nieznacznie odkręcić kran, przepuszczając w ten sposób przez układ chłodzenia słaby strumień wody.
6. Notować wskazania miliwoltomierza i termometru rtęciowego co 2 – 3 K, aż do uzyskania temperatury 50o
C.
7. Po uzyskaniu temperatury 50o
C (lecz nie wyższej!) wyłączyć podgrzewanie. Odkręcić kran na tyle, aby szybkość chłodzenia była taka sama jak szybkość podgrzewania.
8. Notować wskazania miliwoltomierza dla tych samych temperatur co przy podgrzewaniu, aż do uzyskania temperatury, jaką miała kąpiel przed rozpoczęciem pomiarów.
4. Opracowanie wyników pomiarów
1. Dla każdej temperatury wyznaczyć średnią wartość napięcia z dwóch wskazań miliwoltomierza otrzymanych przy podgrzewaniu i chłodzeniu kąpieli.
2. Wykres-1. Wykonać wykres zależności otrzymanych w poprzednim punkcie VT
T . Nanieść na wykres niepewności pomiarowe.3. Zależność VT
T
T2 T1
jest w przybliżeniu liniowa. Nanieść na wykres prostą yaxbwyznaczoną metodą najmniejszych kwadratów Gaussa, gdzie x T, y VT, natomiast parametry prostej oraz ich niepewności wyznaczamy z
n i i n i i n i i i n i i n i i x n x y x n y x a 1 2 2 1 1 1 1 ) (
n i i n i i n i i n i i n i i i n i i x n x x y y x x b 1 2 2 1 1 2 1 1 1
n i n i i n i i i a x x n n n 1 2 1 1 2 2 2 1
n i n i i n i i n i i i b x x n x n 1 2 1 1 2 1 2 2 2 1 gdzie:
n i n i n i i i i n i i i y a x y b y 1 1 1 1 2 2 ,ĆWICZENIE 17
Ciecze i Gazy, Ciało Stałe a także wyznaczyć współczynnik korelacji (0<R2
<1), którego wartość bliska 1 świadczy o zgodności rozkładów punktów eksperymentalnych z wyznaczoną prosta
2 1 2 1 2 1 2
n i i n i i n i i i y y x x y y x x R .4. Wartość współczynnika termoelektrycznego jest jednoznaczna z a , a jego niepewność standardowa jest równa niepewności standardowej współczynnika a tzn. u() a.
5. Wyznaczyć niepewność względną
) ( )
( u
ur . Sprawdzić jej relację z wartością 0,1 i wyciągnąć wnioski.
6. Wyznaczyć niepewność rozszerzoną zgodnie z zależnością U
ku
przyjmując do obliczeń współczynnik rozszerzenia k = 2. Sprawdzić, czy w przedziale wyznaczonym przez wyznaczoną wielkości i jej niepewność rozszerzoną zawiera się wartość teoretyczna.7. Przeanalizować wykres. Wyjaśnić, co oznacza wartość b różna od zera?
5. Podsumowanie
Zestawić wyniki, przeanalizować uzyskane rezultaty, wyciągnąć wnioski. Stwierdzić czy cel ćwiczenia:
wyznaczenie współczynnika termoelektrycznego; zbadanie liniowości wskazań termopary;
został osiągnięty.
6. Przykładowe pytania
Zamieszczone są na stronie www.wtc.wat.edu.pl w dziale
ĆWICZENIE 17
Ciecze i Gazy, Ciało Stałe Grupa …...
3.1 Wartości teoretyczne wielkości wyznaczanych lub określanych: współczynnik termoelektryczny termopary Fe-konstantan 48,9
K V , Fe-Cu 0,41 K V . 3.2 Parametry stanowiska (wartości i niepewności):
3.3 Pomiary i uwagi do ich wykonania. Temperatura T [ºC] wzrost Napięcie U […...] L.p. Temperatura T [ºC] spadek Napięcie U [...…..] 13, 1 13, 15, 2 15, 17, 3 17, 19, 4 19, 21, 5 21, 23, 6 23, 25, 7 25, 27, 8 27, 29, 9 29, 31, 10 31, 33, 11 33, 35, 12 35, 37, 13 37, 39, 14 39, 41, 15 41, 43, 16 43, 45, 17 45, 47, 18 47, 49, 19 49, niepewność …... niepewność …...
Nie przekraczać temperatury 50 C !
