9. MĚŘENÍ TEPELNÉ VODIVOSTI



Podobné dokumenty
MĚŘENÍ TEPELNÉ VODIVOSTI A KALIBRACE TERMOČLÁNKU

4. STANOVENÍ PLANCKOVY KONSTANTY

Voltův článek, ampérmetr, voltmetr, ohmmetr

11. Odporový snímač teploty, měřicí systém a bezkontaktní teploměr

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V KOVECH

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Charakteristiky termistoru. stud. skup.

II. VNITŘNÍ ENERGIE, PRÁCE A TEPLO

d p o r o v t e p l o m ě r, t e r m o č l á n k

Úloha I.E... nabitá brambora

1. Změřte statickou charakteristiku termistoru pro proudy do 25 ma a graficky ji znázorněte.

MĚŘENÍ HYSTEREZNÍ SMYČKY TRANSFORMÁTORU

Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta aplikovaných věd

Úloha 1 Multimetr. 9. Snižte napájecí napětí na 0V (otočením ovládacího knoflíku výstupního napětí zcela doleva).

Kontrolní otázky k 1. přednášce z TM

CZ.1.07/1.1.08/

REKTIFIKACE DVOUSLOŽKOVÉ SMĚSI, VÝPOČET ÚČINNOSTI

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření Měření oteplovací charakteristiky část Teoretický rozbor

MĚŘENÍ HYSTEREZNÍ SMYČKY TRANSFORMÁTORU

Laboratorní úloha č. 4 MĚŘENÍ STATICKÝCH A DYNAMICKÝCH VLASTNOSTÍ PNEUMATICKÝCH A ODPOROVÝCH TEPLOMĚRŮ

Obrázek 1: Schema čtyřbodového zapojení (převzato z [1]) 2. Změřte odpor šesti drátů Wheatstoneovým a Thomsonovým můstkem Metra - MTW.

tepelné vodivosti v kovech. Energie ve formě tepla mikroskopicky reprezentovaná kinetickou a potenciální

Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická Božetěchova 3, Olomouc Laboratoře elektrotechnických měření

Laboratorní úloha č. 1 Základní elektrická měření

Měření výstupní práce elektronu při fotoelektrickém jevu

Obsah. Zobrazovací a ovládací prvky na čelním panelu. Účel použití. Elektrické zapojení. Obr : Analogový vstupní modul 07 AI 91

Elektrický náboj, Elektrické pole Elektrický potenciál a elektrické napětí Kapacita vodiče

Úkol č. 1: Změřte měrnou tepelnou kapacitu kovového tělíska.

Fyzikální praktikum pro nefyzikální obory. Úloha č. 5: Měření teploty

Digitální multimetr VICTOR 70D návod k použití

MĚŘENÍ NAPĚTÍ A PROUDŮ VE STEJNOSMĚRNÝCH OBVODECH.

Technická měření v bezpečnostním inženýrství. Měření teploty, měření vlhkosti vzduchu

17 Vlastnosti ručkových měřicích přístrojů

KINETICKÁ TEORIE STAVBY LÁTEK

A:Měření kroutícího momentu Wiedemannovým zkrutoměrem B:Měření směrové citlivosti snímače C:Linéární indukčnostní snímač KET/MNV (11.

L a b o r a t o r n í c v i č e n í z f y z i k y

Oborový workshop pro SŠ CHEMIE

1 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ Vlastnosti kovů a jejich slitin jsou dány především jejich chemickým složením a strukturou.

1.2 Výkonová charakteristika, výpočet spotřeby paliva, zhodnocení účinnosti palivového článku

1. Okalibrujte pomocí bodu tání ledu, bodu varu vody a bodu tuhnutí cínu:

Pokud není uvedeno jinak, uvedený materiál je z vlastních zdrojů autora

Účinky elektrického proudu. vzorová úloha (SŠ)

MaRweb.sk. PT-011 až PT-042 Řada programovatelných převodníků. pro odporová a termoelektrická čidla

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK


Měřící a senzorová technika Návrh měření odporových tenzometrů

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ MĚŘENÍ VODIVOSTI KAPALIN BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

1. Určete proud procházející vodičem, jestliže za jednu minutu prošel jeho průřezem náboj a) 150 C, b) 30 C.

ENERGIZE GROUP s.r.o. STŘEDISKO KALIBRAČNÍ SLUŽBY Tylova 2923, Plzeň

Kalibrace teploměru, skupenské teplo Abstrakt: V této úloze se studenti seznámí s metodou kalibrace teploměru a na základě svých

DIGITÁLNÍ MULTIMETR S AUTOMATICKOU ZMĚNOU ROZSAHU AX-201

Vnitřní energie, práce a teplo

3.4 Ověření Thomsonova vztahu sériový obvod RLC

Veličiny- základní N A. Látkové množství je dáno podílem N částic v systému a Avogadrovy konstanty NA

5. ELEKTRICKÁ MĚŘENÍ

AC/DC Digitální klešťový multimetr. Návod k obsluze. Výměna baterií

5.8 Jak se změní velikost elektrické síly mezi dvěma bodovými náboji v případě, že jejich vzdálenost a) zdvojnásobíme, b) ztrojnásobíme?

Studium kladného sloupce doutnavého výboje pomocí elektrostatických sond: jednoduchá sonda

AC/DC Digitální klešťový multimetr MS2108A. Návod k obsluze R168 R168

Termika. Nauka o teple se zabývá měřením teploty, tepla a tepelnými ději.

1 Přesnost měření efektivní hodnoty různými typy přístrojů

5. Měření výstupní práce elektronu při fotoelektrickém jevu

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Elektrická vodivost elektrolytů. stud. skup.

Látky. Látky pevné, kapalné a plynné. Částicová stavba látek. Vzájemné silové působení částic. Prvek a sloučenina. Vlastnosti atomů a molekul

Mikroelektronika a technologie součástek

Návod pro laboratorní úlohu: Komerční senzory plynů a jejich testování

Základy elektrotechniky

V i s k o z i t a N e w t o n s k ý c h k a p a l i n

HUSTOTA ROPNÝCH PRODUKTŮ

Metalografie ocelí a litin

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 11 Název: Dynamická zkouška deformace látek v tlaku

9 FYZIKA. 9.1 Charakteristika vyučovacího předmětu. 9.2 Vzdělávací obsah

VY_32_INOVACE_06_III./2._Vodivost polovodičů

Praktikum II Elektřina a magnetismus

2. Mechanika - kinematika

Vyzařování černého tělesa, termoelektrický jev, závislost odporu na teplotě.

NÍZKOTEPLOTNÍ VLASTNOSTI PALIV A MAZIV ÚVOD

CDE681 - Snímač vodivosti a měrného odporu. Uživatelská příručka

2. Pasivní snímače. 2.1 Odporové snímače

Elektrotechnická měření - 2. ročník


FYZIKÁLNA PODSTATA A MECHANIZMUS PLASTICKEJ DEFORMÁCIE

Digitální indikátor pro tenzometry série isxxxx

Digitální multimetr VICTOR VC203 návod k použití

TEPELNÉ ÚČINKY EL. PROUDU

TÉMA: Molekulová fyzika a tepelné děje v plynech VNITŘNÍ ENERGIE TĚLESA

12 Prostup tepla povrchem s žebry

Fyzikální praktikum pro nefyzikální obory. Úloha č. 5: Měření teploty

Zemní ochrana rotoru generátoru ve spojení proudové injektážní jednotky PIZ 50V a ochrany REJ 521

Rezonanční elektromotor

plynu, Měření Poissonovy konstanty vzduchu

3.2. Elektrický proud v kovových vodičích

ELEKTRICKÉ SVĚTLO 1 Řešené příklady

Snímače průtoku kapalin - objemové

ELEKTRICKÉ SVĚTLO 1 Řešené příklady

Elektrický proud. Elektrický proud : Usměrněný pohyb částic s elektrickým nábojem. Kovy: Usměrněný pohyb volných elektronů

Kapitola 13. Kalibrace termočlánku Úvod

STUDIUM FOTOEFEKTU A STANOVENÍ PLANCKOVY KONSTANTY. 1) Na základě měření vnějšího fotoefektu stanovte velikost Planckovy konstanty h.

Polymorfismus kovů Při změně podmínek (zejména teploty), nebo např.mechanickým působením změna krystalické struktury.

Fyzika - Prima. Vlastnosti pevných, kapalných a plynných látek; Zkoumání a porovnávání společných a různých vlastností látek

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Transkript:

Měřicí potřeby 9. MĚŘENÍ TEPELNÉ VODIVOSTI 1) střídavý zdroj s regulačním autotransformátorem 2) elektromagnetická míchačka 3) skleněná kádinka s olejem 4) zařízení k měření tepelné vodivosti se třemi vzorky z různých materiálů 5) digitální multimetr V553 6) termočlánek železo konstantan 7) teploměry 8) termoizolační nádoba s vodou 9) termoizolační nádoba pro chladicí lázeň (směs vody a ledu) Obecná část Jsou-li dvě části tělesa trvale udržovány na nestejných teplotách, např. mezi dvěma lázněmi, pak mají molekuly, ionty a volné elektrony v teplejších částech trvale větší kinetickou energii než částice v chladnějších místech. Energie z teplejší části tělesa se trvale přenáší na chladnější části a v tělese vzniká časově stálý teplotní spád. Takový přenos tepelné energie se nazývá ustálené vedení tepla. Udržujeme-li povrchy rovinné desky (obr. 1), jež jsou velké proti její tloušťce l, na stálých teplotách t 1 a t 2 (t 1 > t 2 ), vznikne po jisté době rovnovážný stav, při němž postupuje teplo deskou od povrchu s vyšší teplotou t 1 k povrchu s nižší teplotou t 2. Teplo Q, jež projde za dobu τ malou plochou S, je přímo úměrné velikosti plochy S, teplotnímu rozdílu t 1 t 2, době τ a nepřímo úměrné Obr. 1 Vedení tepla v rovinné tloušťce desky l: desce t1 t2 Q = λ Sτ. (1) l Konstantu úměrnosti λ nazýváme tepelnou vodivostí materiálu desky. Je zřejmé, že udává množství tepla, které projde za jednotku doby krychlí o jednotkové hraně mezi dvěma protilehlými stěnami, mezi nimiž je teplotní rozdíl 1 C, jsou-li ostatní stěny krychle dokonale tepelně izolovány. Jednotkou tepelné vodivosti v soustavě SI je: [ λ ] SI= Jm s K = Wm K. (2) Dobrými vodiči tepla jsou kovy, u nichž je vedení tepla zprostředkováno pohybem volných elektronů. Tepelná i elektrická vodivost kovů je úměrná hustotě volných elektronů v kovu. Tepelná vodivost ryzích kovů je vždy větší než slitin, v nichž přítomnost cizích atomů ruší pravidelnost mřížky a ztěžuje přenos energie. 74

K měření rozdílů teplot budeme využívat termočlánek. Termočlánek je vytvořen pevným spojením (svařením, sletováním, apod) drátů ze dvou druhů kovu v pořadí: kov1 kov2 kov1. Zapojíme-li volné konce drátů z kovu 1 na citlivý galvanoměr, pak v tomto uzavřeném obvodu bude procházet proud, budouli mít spoje kovů rozdílnou teplotu (obr. 2). Tento proud je způsoben termoelektrickými silami, vznikajícími ze dvou příčin. První příčinou je difúze volných elektronů v drátu jestliže má Obr. 2 Zapojení termočlánku drát své konce na rozdílných teplotách t 2 > t 1. Následkem difúze volných elektronů vznikne spád elektrického potenciálu, který je charakteristický pro daný materiál. Vzniklý potenciální rozdíl je obecně pro každý materiál jiný, takže v uzavřeném obvodu termočlánku ze dvou různých kovů vznikne termoelektrická síla rovná rozdílu těchto napětí. Druhou příčinou je závislost kontaktního rozdílu potenciálů na teplotě. Kontaktní rozdíl potenciálů vzniká při spojení dvou kovů, které mají různé výstupní práce elektronů, neboť potom elektrony kovu, který má menší výstupní práci než druhý, mohou přecházet snadněji do druhého kovu. Na prvním kovu pak vzniká kladný náboj, druhý kov se nabíjí záporně. Jestliže umístíme dva spoje termočlánku do lázní o různých teplotách t 2 > t 1 (obr. 2), pak kontaktní rozdíl potenciálů např. železa a konstantanu v teplém spoji Ts se bude lišit od kontaktního rozdílu potenciálů ve studeném spoji Ss a vzniklá termoelektrická síla bude dána jejich rozdílem. Termoelektrická síla je proto úměrná rozdílu teplot t 2 a t 1. Budeme-li ji měřit citlivým milivoltmetrem, můžeme ze změn elektrického napětí usuzovat na změnu teploty. Měření K absolutnímu měření tepelné vodivosti kovů použijeme zařízení na obr. 3. Do horního konce válečku ze zkoumaného materiálu 1 je našroubován hliníkový nástavec 2, do něhož je vsunuto elektrické topné tělísko 3. Dolní konec válečku je opatřen chladicími žebry a je ponořen do termoizolační nádoby naplněné vodou s ledem 4. Ve dvou různých místech vzorku se měří rozdíl teplot termočlánkem železo konstantan 5. Vzniklé termonapětí je měřeno milivoltmetrem 6. Tepelná vodivost našeho měřeného vzorku se vypočte ze vztahu: U I l λ = [Wm K ] (3) S ( ta tb) který získáme ze vztahu (1). Zde U ± [V] je hodnota elektrického napětí a I ± [A] je hodnota elektrického proudu procházejícího topným tělískem v ustáleném stavu, l = (100 ± 2) mm je vzdálenost konců termočlánku, S = πd 2 /4 je průřez vzorku, kde D = (10,0 ± 0,1) mm je průměr vzorku, t A t B je rozdíl teplot. 75

Obr. 3 Zařízení k měření tepelné vodivosti 1 váleček ze zkoumaného materiálu, 2 nástavec, 3 topné tělísko, 4 termoska s vodou a ledem, 5 termočlánek, 6 milivoltmetr V553 Pro určení absolutní chyby napětí a proudu nezapomeňte zapsat třídu přesnosti a použitý rozsah měřidel. Aby se zamezilo tepelným ztrátám do okolí, je celý váleček ze zkoumaného materiálu včetně nástavce a topného tělíska až po termosku s vodou a ledem zabalen do izolačního materiálu sibral, který má nízkou tepelnou vodivost λ = 0,08 Wm 1 K 1. Nejprve je ale třeba okalibrovat použitý termočlánek, tzn. určit jednoznačný vztah mezi rozdílem teplot obou spojů a odpovídajícím termoelektrickým napětím (zapojení pro kalibraci viz obr. 4). Grafickým znázorněním této závislosti je kalibrační křivka. A. Postup při kalibraci termočlánku 1) Na topnou plotnu elektromagnetické míchačky postavíme malou kádinku s vychlazeným olejem z lednice, do něhož ponoříme přesný teploměr a měřící spoj kalibrovaného termočlánku. Druhý (tzv. referenční) spoj kalibrovaného termočlánku je v termosce s vodou, která má konstantní teplotu. 2) Přívodní vodiče od termočlánku připojíme ke zdířkám LO a HI multimetru V553. Rozsahy volíme V DC a AUTO (na displeji musí svítit symbol mv ). Polaritu vodičů zvolte tak, aby multimetr ukazoval záporné napětí, má-li olej nižší teplotu než voda v termosce. 3) Zapneme topení a míchání elektromagnetické míchačky. V nádobce s olejem je kovová tyčinka, která je unášena rotujícím magnetem v plotýnce míchačky. Sledujeme teplotu oleje a hlavně napětí termočlánku. 4) POZOR: v okamžiku, kdy je napětí termočlánku přesně nulové, odečteme rychle tepotu olejové lázně. Nulové napětí odpovídá nulovému teplotnímu rozdílu konců termočlánku. 5) Od tohoto okamžiku budeme zaznamenávat do tab. 1 velikost napětí vždy při zvýšení teploty olejové lázně o 1 C, až do 15 C. Hodnoty čteme a zaznamenáváme přesně. 76

Obr. 4 Zapojení pro kalibraci termočlánku 1 a 5 teploměry, 2 elektromagnetická míchačka, 3 referenční spoj, 4 měřící spoj Tabulka 1 rozdíl napětí termočlánku teplot t [ C] [mv] 0 0,00 1 2 3 4 5... 6) Z uvedených hodnot sestrojíme graf U = f( t). Tato závislost je téměř přesně lineární. Graf pak použijeme k určení rozdílu t = t A t B při vlastním měření tepelné vodivosti. B. Postup při měření tepelné vodivosti Proud pro topný článek odebíráme z výstupního konektoru střídavého zdroje. Zdířky na připojení ampérmetru a voltmetru pro měření výkonu topného článku jsou umístěny vedle výstupního konektoru. Multimetrem V553 opět měříme termoelektrické napětí. Termočlánky na měřených vzorcích jsou stejného typu jako termočlánek kalibrovaný (Fe Konstantan), a proto použijeme pro převod napětí na teplotu kalibrační graf z předchozího měření. Po ustálení teplot zůstávají oba konce měřeného válečku na konstantních teplotách a je možno pro výpočet tepelné vodivosti válečku použít rovnici (3). Díky tepelné izolaci celého zkušebního válečku včetně topného tělíska jsou tepelné ztráty na povrchu minimální a všechno teplo dodané elektrickým proudem prochází zkušebním vzorkem. Abychom dříve dosáhli ustáleného stavu, vytápíme tělísko po dobu asi tří minut vyšším výkonem při napětí 6 V, potom snížíme napětí na 3 až 4 V. Pak odečítáme po minutových intervalech napětí termočlánku tak dlouho, dokud nedosáhneme ustáleného stavu (rozdíl teplot se nemění min. po dobu 3 minut). Naměřené hodnoty zapisujeme do tabulky 2. Zapíšeme též hodnotu proudu a Tabulka 2 čas [min] 1 2 3 4 5... napětí termočlánku [mv] t A t B [ C] napětí na topném tělísku. Do tabulky doma doplníme příslušný teplotní rozdíl t A t B odečtený z kalibrační křivky. 77

Ustálený teplotní rozdíl t A t B dosadíme spolu s ostatními údaji do rovnice (3). Tak získáme tepelnou vodivost materiálu zkušebního válečku při t A + t průměrné teplotě B. 2 Pracovní úkol 1) Okalibrujte termočlánek v rozmezí teplotních rozdílů 0 15 C. 2) Sestrojte (doma) závislost termoelektrického napětí na rozdílu teplot. Závislostí proložte přímku pomocí lineární regrese. (viz kap. Chyby měření, odst. D) 3) Změřte a vypočtěte tepelnou vodivost dvou vzorků z různých materiálů. 4) Stanovte směrodatné chyby naměřených hodnot a konečných výsledků. Výsledky uveďte ve standardním tvaru λ = ± [Wm 1 K 1 ]. (Potřebné informace najdete v kapitolách Chyby měření a Příklad na výpočet chyb měření v úvodní části skript.) 78