Fizika gyakorlatok, 2. félév. Termodinamika

Átírás

1 Fizika gyakorlatok, 2. félév Termodinamika

2 Tőzvédelmi és munkavédelmi ismeretek Fizika-Automatika Tanszék Somlói út L épület kérem a jegyzıkönyvet aláírni a tanszékre való elsı belépés alkalmával kérem a megjelölt helyeket megtekinteni! Fizika gyakorlatok 2

3 A következı ábrán a tőz esetén használható kijáratok láthatók. Északi irányban tájolt ábra. Sz = szeminárium terem labor = mérések színhelye kulcs = a lezárt kijáratok nyitásához használható kulcsok Fizika gyakorlatok 3

4 1.Lépcsı (feljárat) a Somlói út felé. Egyben bejárat is 2. Lakattal lezárt ablak a laboratóriumban. A kulcs az ablak mellett 3. Lépcsı (lejárat) az udvar felé. A kulcs a titkárságon található Fizika gyakorlatok 4

5 Tőzoltó készülékek Minden kijáratnál találunk tőzoltó készüléket. A biztosító csap kihúzásával a plomba elszakad. Ekkor a fúvókát a tőzre irányítjuk, és megnyomjuk a billentyőt. Az épület besorolása D (mérsékelten tőzveszélyes) a papír és faanyagok miatt. A terembe bevezetett földgáz fokozottan tőz- és robbanásveszélyes anyag. Fizika gyakorlatok 5

6 Elektromos hálózat Tőz, vagy baleset: az asztalon található fém kapcsolók kikapcsolása. Az elkészült huzalozásokat a gyakorlatvezetıvel ellenıriztetni kell Az asztalokon jobboldalt toroid transzformátorok vannak. A vezetékek érintése még alacsony feszültségnél is veszélyes A készülékeket nem szabad a megengedettnél nagyobb feszültségre kapcsolni (hıvezetés, pszichrométer) Fizika gyakorlatok 6

7 Gázvezeték és hálózat Minden laborasztalhoz gázvezetéket építettek. Ezek sárga színőek. Baleset, vagy tőz esetén az olivás csıvégeknél található gázcsapot el kell zárni. Ha a tőz a csaphoz túl közel van, akkor az asztal végén a gáz fıcsapot kell elzárni. A használaton kívüli gázcsapokhoz nem szabad hozzányúlni Fizika gyakorlatok 7

8 A laboratórium kijáratai Mindhárom ajtón át el lehet hagyni a laboratóriumot. A gyakorlatvezetınek tudnia kell arról, ha valaki elhagyja a termet. A kijáratoknál tőzoltó készülékeket helyeztünk el. A két szélsı kijáratnál zuhanyozókat szereltek fel arra az esetre, ha valakinek meggyullad a ruhája. Fizika gyakorlatok 8

9 A gyakorlat menete létszámellenırzés röpzárthelyi az elıkészületi munka meglétének és minıségének ellenırzése a gyakorlat ismertetése hallgatói mérés az órán készített vázlat ellenırzése és aláírása Fizika gyakorlatok 9

10 Jegyzıkönyv elkészítése Beadási határidı: a következı hét Elméleti bevezetı Felhasznált eszközök jegyzéke Körülmények, munkamenet Eredmények táblázata Számítások Ábra, kiértékelés Ellenırzı számítás Az eredmény hitelességének ellenırzése

11 Jegyzıkönyv elkészítése, hibák Hiányzik valamelyik rész A mőszer téves azonosítása A vizsgált anyag téves megjelölése Illogikus okfejtés és sorrend Hiányos táblázat Számítási hiba, hiányzó végeredmény a celziusz fok és a kelvin tévesztése Nem engedélyezett mértékegység Ellenırizetlen végeredmény Fizika gyakorlatok 11

12 Jegyzıkönyv elkészítése Fizikai mennyiségek szabályos jelölése Például: sebesség Jele v Mértékegysége [v]=m/s Mérıszáma {v}=18 Dimenziója dim v=lt -1 Tilos a mértékegységet zárójelbe írni akár táblázatban, akár diagramon! Fizika gyakorlatok 12

13 Mértékegységek jelölése The numerical value can therefore be written as {A} = A / [A], which is a convenient form for use in figures and tables. Thus, to eliminate the possibility of misunderstanding, an axis of a graph or the heading of a column of a table can be labeled t/ C instead of t ( C) or Temperature ( C). Ennél fogva, a félreértések elkerülése végett diagram tengelyfeliratául, vagy táblázatok fejlécében írjuk azt: t/ C; ahelyett, hogy t ( C), vagy hımérséklet ( C) Fizika gyakorlatok 13

14 IUPAC Green Book Fizika gyakorlatok 14

15 Mérési gyakorlatok A félév során csak öt mérést tudunk elvégezni a vizsgán valamennyi mérést ismerni kell! Az archivált régebbi mérési leírások csak tájékoztató jellegőek, nem azokból kell az órára készülni Fizika gyakorlatok 15

16 Oktatási segédanyagok: Termodinamika Fizika gyakorlatok 16

17 Órarend hétfı Kedd 8-10 L1 S1 L6 S L2 S2 L7 S L3 S L4 S L5 S5 Fizika gyakorlatok 17

18 o Feladat: Ellenálláshımérık, termisztorok, és egyéb, hımérséklet-érzékeny eszközök karakterisztikájának mérése o Karakterisztikájuk vagy exponenciális függvénnyel, vagy polinommal közelíthetı o Elterjedten alkalmazzák ipari hımérsékletmérési célokra Fizika gyakorlatok 18

19 Hımérık Hımérıként használható bármely fizikai jelenség, pl. kereszteffektus (ismert pontosságú) Gázhımérı: térfogati hıtágulási együttható Folyadékhımérı: vonalmenti (lineáris) hıtágulási együttható Bimetál: szilárd anyagok (fémek) vonalmenti hıtágulási együtthatója Összsugárzásmérı pirométer Színüket változtató festékek Hımérsékletre lágyuló mőanyagok és persze villamos hımérık Fizika gyakorlatok 19

20 R ( n ) 1+ α t + t t = R α α n R 0 Kezdeti ellenállás valamely célszerően kiválasztott hımérsékleten (leginkább a fagyponton) α 1 ellenállás-hımérsékleti együttható α i magasabb fokú együtthatók t a kezdıpontra számított hımérsékletkülönbség Fizika gyakorlatok 20

21 Ellenállás-hımérık tulajdonságai Az ipar nikkel és platina ellenálláshımérıket használ Nikkel esetén figyelembe kell venni az elsı- és másodfokú együtthatót Platina esetén általában elegendı az elsıfokú tag figyelembevétele tehát lineárisnak tekintjük Fizika gyakorlatok 21

22 Félvezetı ellenállás-hımérık H - R = R0e k B T H az elektronok kicserélıdési entalpiája k B a Boltzman-állandó T a termodinamikai hımérséklet Fizika gyakorlatok 22

23 Svante August Arrhenius E k = A e RT Eredetileg k a reakciósebesség, pl. 1/s mértékegységben. Az A itt preexponenciális együttható (arányos az ütközések számával) Az aktiválási energia H, vagy G szabadentalpia Fizika gyakorlatok 23

24 Arrhenius-típusú egyenletek η = Ae E RT viszkozitás ütközések energiája p R X = Ae = R H RT H kbt 0 e = Ae H RT nyomás párolgáshı ellenállás energiaállandó móltört fagyáshı Fizika gyakorlatok 24

25 Félvezetı ellenállás-hımérık Logaritmikus formában: ln B R = + T ln R 0 termisztornál B az energiaállandó, H/k B Fizika gyakorlatok 25

26 Félvezetı ellenállás-hımérık o Anyaguk: szinterelt fémoxidok keveréke: nióbium-oxid, kobalt-oxid, mangán-oxid o Energiaállandójuk lehet o Készíthetı negatív és pozitív hımérsékleti együtthatójú termisztor is Fizika gyakorlatok 26

27 Termisztor ln B R = + T ln R 0 T = 0 T = 273,15 K T= R= katalógus-adat ln R= ln R 0 B = T ln R 0 R = 0 Fizika gyakorlatok 27

28 Félvezetı ellenállás-hımérık Az adatok ellenırzése a Steinhart Hart összefüggéssel (A, B, C helyett A 0, A 1, A 3 is használatos): 1 = A + B ( ln R) 1 + C( ln R) 3 T Fizika gyakorlatok 28

29 Félvezetı ellenállás-hımérık Termisztor lineáris tengelyekkel ellenállás. ohm hımérséklet helytelen ábra, lineáris léptékezéssel Fizika gyakorlatok 29

30 ! Félvezetı ellenállás-hımérık, logaritmikus Termisztor jelleggörbéje 300k 200k 100k 50k C ellenállás logaritmusa hımérséklet reciproka Fizika gyakorlatok 30

31 Termisztoros mérés kiértékelése hımérséklet, C ellenállás, kohm 334, , ,2 68,7 57,3 Fizika gyakorlatok 31

32 Termisztoros mérés kiértékelése ellenállás logaritmusa 12,72 11,67 11,49 11,30 11,14 10,96 ellenállás, kohm 334, , ,2 68,7 57,3 Fizika gyakorlatok 32

33 Termisztoros mérés kiértékelése Az ábrázolandó értékek 10,96 és 12,72 közé esnek. Az ábrára tehát a 10 és a 13 közé esı értékek kerülnek. Ahhoz, hogy az ábra 15 cm magas legyen, 5-ös szorzót használunk. A 10 a nullához kerül. A 13 ennél 3-mal több, tehát 5*3= 15 cm Fizika gyakorlatok 33

34 Termisztoros mérés kiértékelése ellenállás, kohm logaritmusa logaritmus különbsége helyzet, cm 442, ,002 12,72 2,72 13,59 117,3 11,67 1,67 8, ,49 1,49 7,46 81,2 11,30 1,30 6,52 68,7 11,14 1,14 5,69 57,3 10,96 0,96 4,78 22, Fizika gyakorlatok 34

35 Termisztoros mérés kiértékelése, feliratozás ellenállás, kohm logaritmusa logaritmus különbsége helyzet, cm 50 10,82 0,82 4, ,51 1,52 7, ,92 1,92 9, ,21 2,21 11, ,43 2,43 12, ,61 2,61 13, ,77 2,77 13,83 Fizika gyakorlatok 35

36 Termisztoros mérés kiértékelése C hımérséklet K 273,15 298,15 303,15 308,15 313,15 318,15 reciproka K -1 0, , , , , , Fizika gyakorlatok 36

37 Termisztoros mérés kiértékelése hımérséklet K 270,27 273,15 298,15 303,15 308,15 313,15 318,15 322,58 reciproka differencia K -1 K -1 0, , ,00 0, , ,22 0, , ,08 0, , ,97 0, , ,90 0, , ,87 0, , ,86 0, , helye cm 0,00 Fizika gyakorlatok 37

38 Félvezetı ellenállás-hımérık, logaritmikus Termisztor jelleggörbéje 300k 200k 100k 50k C ellenállás logaritmusa hımérséklet reciproka Fizika gyakorlatok 38

39 Hıelemek mérése U = α α α 2 1 Τ + 2 T + 3 T 3... Fizika gyakorlatok 39

40 Hıelemek mérése t C irodalmi mv 0,391 0,589 0,790 0,992 1,196 saját mérés mv 0,4 0,6 0,9 1,0 Fizika gyakorlatok 40

41 Hıelemek mérése Réz-konstantán hıelem termofeszültség, mv 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, hımérséklet, C Fizika gyakorlatok 41

42 Fajlagos hıkapacitás mérése a kalorimetria alapegyenlete Q v =Q i a víz által leadott hı Q=c v m v (t v -t) a vizsgált anyag által felvett hı Q=c i m i (t i -t) Fizika gyakorlatok 42

43 Fajlagos hıkapacitás mérése a kaloriméter annyi hıt vesz fel, mint m k tömegő víz. Ez a kaloriméter vízérték t 1 hımérséklető víz betöltése esetén a víz és a kaloriméter együttes hıfelvétele: Q 1 =c v (m v +m k )(t 1 -t) t 2 hımérséklető m 2 tömegő meleg víz hıleadása: Q 2 =c v m 2 (t 2 -t) Fizika gyakorlatok 43

44 Fajlagos hıkapacitás mérése a hideg és meleg víz adataiból a kaloriméter vízérték (szokásos mértékegysége: g) m k = m 2 t 2 t t t 1 m 1 Fizika gyakorlatok 44

45 Fajlagos hıkapacitás mérése A számításnál az E F hımérséklet-különbséget vesszük figyelembe Fizika gyakorlatok 45

46 Fajlagos hıkapacitás mérése a vízérték ismeretében az ismeretlen hıkapacitás: c i = c v m v + m i m k t v t t t i Fizika gyakorlatok 46

47 Mérés Roloff készülékkel A forrás nyomása és hımérséklete közötti összefüggést a Clausius Clapeyron egyenlet írja le ln r 1 p = m + R T m B r m a moláris párolgáshı R m az általános gázállandó Fizika gyakorlatok 47

48 Mérés Roloff készülékkel Történelmi okokból a tízes alapú logaritmust használjuk: lg r 1 p = m + 2,3R T m B vagy lg 1 p = A + T B Fizika gyakorlatok 48

49 Mérés Roloff készülékkel Az eredményt ellenırizzük az Antoineállapotegyenlet szerint (víz esetén A=23,1964, B=3816,44, C=-46,13 K): B ln p = A T + C Fizika gyakorlatok 49

50 Mérés Roloff készülékkel Roloff, lineáris tengelyek nyomás, Pa hımérséklet, C Fizika gyakorlatok 50

51 Mérés Roloff készülékkel Hımérséklet, C E E E E E E E E-03 1/T, 1/K Fizika gyakorlatok 51

52 Néhány magyarázat A következı két ábra a fázisátalakulások jellegét újszerően ábrázolja (kiegészítés a Roloff-kísérlethez és a fagyáspontcsökkenéshez) Fizika gyakorlatok 52

53 Vaporising= párolgás, Sublimation=szublimáció (a nyomás bárban értendı) Fizika gyakorlatok 53

54 Kompresszibilitás a redukált nyomás függvényében (paraméter: a redukált hımérséklet) Fizika gyakorlatok 54

55 Mérés Roloff készülékkel Az ismertetett képletekbıl számítsuk ki a moláris és a specifikus párolgáshıt, és ellenırizzük táblázatból A = r m 2,3R m Fizika gyakorlatok 55

56 Nedves levegı állapotváltozása Állítsunk a termosztáton egyre magosabb hımérsékletet. Minden esetben olvassuk le az Assman-féle aspirációs pszichrométer által mutatott hımérsékletet A keresett pont a száraz hımérı izotermáján van. A nedves hımérı által mutatott légállapot a telítési görbén van. Fizika gyakorlatok 56

57 Nedves levegı állapotváltozása Fizika gyakorlatok 57

58 Nedves levegı állapotváltozása A nedves hımérı pontjától húzzunk az entalpia-vonalakkal párhuzamos vonalat addig, amíg el nem éri a száraz hımérı izotermáját. Ott van a keresett légállapot. Több termosztát-beállításnál több mérési pontot kapunk. Ezeket összekötve egy állapotváltozás vonala rajzolódik ki. Ezt meg kell rajzolni és be kell adni a mérési jegyzıkönyvvel Fizika gyakorlatok 58

59 Nedves levegı állapotváltozása Fizika gyakorlatok 59

60 Fizika gyakorlatok 60

61 Nedves levegı állapotváltozása Feladat: adatok leolvasása a pszichrométerrıl adatok kiolvasása a digitális adatrögzítıbıl relatív nedvességtartalom harmatpont hımérséklet az adatok kiértékelése és ábrázolása Fizika gyakorlatok 61

62 Fagyáspont csökkenés mérése Fizika gyakorlatok 62

63 Fizika gyakorlatok 63 Fagyáspont csökkenés mérése

64 Fagyáspont csökkenés mérése Valahol itt lesz a mérés eredménye Fizika gyakorlatok 64

65 Fagyáspont csökkenés mérése Állandó hıbevezetésnél a hımérséklet mindaddig emelkedik, amíg a fagyáspontot el nem értük. A fagyáspontot elérve folyadék és szilárd anyag egyaránt jelen van. Ekkor a hımérséklet emelkedése lelassul, mert nemcsak a hıkapacitás, hanem a fázisátalakulás ellenében is történt hıbevezetés. Fizika gyakorlatok 65

66 Fagyáspont csökkenés mérése Készítsük el az olvadás idıfüggvényét! Fizika gyakorlatok 66

67 Fagyáspont csökkenés mérése ln X = H R 1 T 1 T 0 X az oldószer móltörtje az oldott anyagban R a gázállandó T 0 a tiszta oldószer fagyáspontja Fizika gyakorlatok 67

68 Fagyáspont csökkenés mérése X = oldószer oldószer + oldott anyag, mol mol X az oldószer móltörtje Fizika gyakorlatok 68

69 Fagyáspont csökkenés mérése T = E x k E k a krioszkópos állandó x az oldott anyag mólaránya az oldószerben Fizika gyakorlatok 69

70 Fagyáspont csökkenés mérése x = oldott anyag oldószer, mol mol Fizika gyakorlatok 70

71 Fagyáspont csökkenés mérése RT 2 E k = H sl E k a krioszkópos állandó T a tiszta oldószer fagyáspontja H sl a szilárd folyadék átalakulás hıje (a fagyáshı) Fizika gyakorlatok 71

72 A fagyáspont csökkenést sóoldatokon mérjük Összetétel: a vizsgálni kívánt komponens (értékes komponens) mennyiségét elosztjuk az egész elegy (oldat) mennyiségével A mennyiség mérhetı a komponens tömegével, kg térfogatával, m 3 anyagmennyiségével, mol darabszámával, db Fizika gyakorlatok 72

73 A gyakoribb összetétel mérı mennyiségek: tömegtört térfogattört anyagmennyiség-koncentráció Sőrőség: a komponens tömege osztva a komponens térfogatával, kg/m 3 Tömegkoncentráció: a komponens tömege osztva az egész elegy térfogatával, kg/m 3 Fizika gyakorlatok 73

74 Hogy is van ez? 300kg 0,3kg 0,3kg 300g = = = = 1m 3 1l 1000ml 1000ml 30g 100ml Az nem baj, hogy háromszáz helyett azt mondják, hogy harminc százalék. A baj az, hogy ugyanezt mondják a tömegtört esetén is! 300kg 1000kg = 0,3kg 1kg = 0,3kg 1000g = 300g 1000g = 30g 100g Végezzük el az átszámításokat a fagyáspont méréséhez használt oldatoknál! Fizika gyakorlatok 74

75 Fagyáspont csökkenés mérése Klasszikus: Raoult-koncentráció: 1,862 K mol/kg K kg 103,358 0, = 1,862 mol/mol mol K mol/kg 192 K mol/mol, figyelembe véve a disszociációt Fizika gyakorlatok 75

76 Hıvezetési együttható mérése Adott a térben az az irány, amelyben maximális a t 2 -t 1 -bıl számított grádiens. Az erre merıleges A keresztmetszeten áthaladó hıáramból számítjuk a hıáramsőrőséget Fizika gyakorlatok 76

77 Hıvezetési együttható mérése A hıáramsőrőség hagyományos jelölése az elsı félévben megszokott jelölési móddal: q = Φ A j Q = J Q A A a keresztmetszet, amelyben a hı áramlik Fizika gyakorlatok 77

78 Hıvezetési együttható mérése a hımérsékleti grádiens (a hıáramlás irányában l távolságon mérjük a hımérsékletkülönbséget) T T gradt = 2 1 l Fizika gyakorlatok 78

79 Hıvezetési együttható mérése a hıáramsőrőség és a hımérsékleti grádiens ismeretében a hıvezetési együttható már számítható q = λ gradt Fizika gyakorlatok 79

80 Hıvezetési együttható mérése a sőrőség és a hıkapacitás ismeretében kiszámítjuk a hımérséklet vezetési együtthatót: a = ρ λ c p Fizika gyakorlatok 80

81 mérés Fitch módszerével Fizika gyakorlatok 81

82 mérés Fitch módszerével λ minta A t 1 l t = c Cu m Cu dt dτ baloldalt a mintán áthaladó; jobboldalt a réztömb hıkapacitásában elnyelt hımennyiség; feltételezzük, hogy egyenlıek (hıszigetelt térben mérjük) Fizika gyakorlatok 82

83 mérés Fitch módszerével Integrálás után adódik: ln t t 0 t t 1 1 = l λa c m Cu Cu τ a képletekben t a hımérséklet, görög τ az idı feladat: ábrázolni a logaritmusos tagot az idı függvényében t ln t 0 t t 1 1 Fizika gyakorlatok 83

84 Fizika gyakorlatok 84