CECHOWANIE TERMOPARY

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
50oC.
7. Po uzyskaniu temperatury 50oC (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 V T T  . Nanieść na wykres
niepewności pomiarowe.
3. Zależność V T T    T 2  T 1  jest w przybliżeniu liniowa. Nanieść na wykres prostą y  a x  b
wyznaczoną metodą najmniejszych kwadratów Gaussa, gdzie x  T , y  VT , natomiast parametry
prostej oraz ich niepewności wyznaczamy z
n
n
n
n
 x i  yi  n  ( x i
a
i 1
i 1
i 1
2
n
n
n
 xi  xi
yi )
b
i 1
i 1
n
n


  xi   n  xi2
i 1
 i 1 
n
yi   y i
 xi2
i 1
2
i 1
n


  xi   n  xi2
i 1
 i 1 
n
a 
1
n2
n
  i2
i 1
n
n
n
i 1
xi2
 n 
   xi 
 i 1 
2
b 
1
n2
 xi2
n
  i2
i 1
i 1
n
n
i 1
gdzie:
n
n
n
n
i 1
i 1
i 1
i 1
  i2   yi2  a  xi yi  b  yi ,
xi2
 n 
   xi 
 i 1 
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
 n

 xi  x  yi  y 

R 2   i 1
2
n
n
 x  x    y
i
i 1
i
2
2
.
 y
i 1
4. Wartość współczynnika termoelektrycznego  jest jednoznaczna z a , a jego niepewność standardowa
jest równa niepewności standardowej współczynnika a tzn. u( )   a .
u ( )
5. Wyznaczyć niepewność względną ur ( ) 
. Sprawdzić jej relację z wartością 0,1 i wyciągnąć

wnioski.
6. Wyznaczyć niepewność rozszerzoną zgodnie z zależnością U    k  u   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
DYDAKTYKA – FIZYKA – ĆWICZENIA LABORATORYJNE.
ĆWICZENIE 17
Ciecze i Gazy, Ciało Stałe
Grupa …......................................................................................................................................................
3.1 Wartości teoretyczne wielkości wyznaczanych lub określanych:
współczynnik termoelektryczny termopary Fe-konstantan 48,9
V
V
, Fe-Cu 0,41
.
K
K
3.2 Parametry stanowiska (wartości i niepewności):
3.3 Pomiary i uwagi do ich wykonania.
Temperatura T [ºC]
wzrost
L.p.
Temperatura T [ºC]
spadek
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,
Napięcie U [….....]
Napięcie U [...…..]
Nie przekraczać temperatury 50 C !
niepewność …........
niepewność …......
3.4 Data i podpis osoby prowadzącej......................................................................................................................................