Hıtágulás elvén mőködı hımérık

Átírás

1 Hıtágulás elvén mőködı hımérık Higanyos hımérı hitelesítése vízgız és jégpontra, szálkorrekció meghatározása 1. Hıtágulás fogalma és nagysága A testek változtatják hosszúkat, térfogatukat a hımérsékletük függvényében. Mérési tapasztalatok szerint ezek a változások jó közelítéssel leírhatók a hımérsékletváltozás kis fokszámú polinomjával: ahol: α α, α, anyagállandók. l = l 2 ( α ( T T ) + α ( T T ) + α ( T ) ) 3 T Gyakorlati számításoknál megfelelı pontosságot ad az elsı tényezıvel való számítás, melynek neve: lineáris hıtágulási tényezı (α ). A fenti összefüggéshez hasonlóan lehet leírni a térfogat megváltozását is. V = V 2 ( β ( T T ) + β ( T T ) + β ( T ) ) 3 T A gyakorlati életben itt is megfelelı pontosságot ad az elsı tag alkalmazása. Neve: térfogati (vagy köbös) hıtágulási tényezı ( β ). Folyadékok esetén csak a térfogati hıtágulás értelmezhetı, de szilárd testeknél mind a kettı. A magasabb rendő tagok elhagyása néhány esetben nagyon jelentıs hiba forrása lehet, pl. a víz esetében. A mérések szerint a víz sőrüsége 4 C-on a legnagyobb, ettıl magasabb vagy alacsonyabb hımérsékleten egyaránt csökken. A második tag felhasználásával a víz sajátos viselkedése is jól leírható. A gyakorlat számára ebbıl annyi következik, hogy a folyadékhımérık skálája a két alappont között nem lineáris. A lineáris és a térfogati hıtágulás szilárd testeknél nem független egymástól. Illusztrálja ezt egy "a" oldalú négyzetre felírt térfogat Jó közelítésként használhatjuk a ( 1+ T ) a = a α. 3 3 ( 1+ ) a V = α T β = 3α összefüggést, ami a mőveletek elvégzése után adódik. 2. Folyadéktöltető hımérı 2.1. Folyadéktöltető hımérık mőködése A folyadék hımérı mőködését leírhatjuk a hıtágulás segítségével: ( T ) V = Vβ f ahol: V: [m 3 ] A folyadéktartály térfogata β: [1/K] A folyadék köbös hıtágulási tényezıje α: [1/K] A folyadéktartály hıtágulási tényezıje Tf T: [ C] A folyadék hımérsékletváltozása T lata

2 A kapillárisban a folyadékkal töltött hossz megváltozása: L = V A A : [m 2 ] A kapilláris keresztmetszete 2.2. Folyadéktöltető hımérık kialakítása A folyadéktöltéső üveghımérık C hımérséklet tartományban széles körben használatosak. Laboratóriumi és ipari elterjedtségük oka alkalmazásuk egyszerősége, a meglehetısen nagy pontosság és az olcsóság. Mőködésük alapja a folyadéktöltet és a hımérı test anyaga közötti hıtágulási tényezı különbsége. Ennek értékét mint látszólagos hıtágulási tényezıt szokták jelölni. Néhány hımérıtöltet-anyagra az alkalmazhatóság hımérséklet határai és a hıtágulási tényezı az 1. táblázatban található. A leggyakrabban használt higany esetében a látszólagos hıtágulási tényezı borszilikát üveg esetén,164 [1/K], kvarcüveg esetén pedig,18 [1/K]. Alkalmazhatóság határa Átlagos térfogati hıtágulási tényezı Folyadék Alsó [ C] Felsı [ C] Tényleges [1/K] Látszólagos [1/K] Higany ,18,16 Higyan-Tallium -58 3,18,16 Toluol -9 2,19,17 Etilalkohol -8 7,15,13 Pentán -2 2,92,9 1. táblázat. Folyadékok alkalmazhatóság határai és hıtágulási tényezı A higanyt hımérıtöltetként azért használják, mert könnyő tiszta állapotban elıállítani, nem nedvesíti az üveget, könnyő megfigyelni a meniszkuszt és széles hımérséklettartományban folyékony: 38, ,58 C. Még azt érdemes megjegyezni, hogy 356,58 C fölött is csekély a higanygız nyomása más folyadékokkal összehasonlítva. A higany fölötti térben semleges gáz töltettel túlnyomást létrehozva, az érzékelhetı hımérséklet jelentısen megemelkedik, mert a forrás elkerülhetı. A higany legfıbb hátránya a viszonylag kis térfogati hıtágulási tényezıje és mérgezı hatása. A szerves folyadéktöltetek nedvesítik az üveget, ezért a pontosságuk változhat. A higany töltető üveghımérık kapillárisába kb. 2 C fölött nem vákuum van, hanem semleges szárított gáz, hogy a higany forrását megakadályozzák. A precíziós hımérıkbe már 15 C méréshatár fölött nitrogénpárnát töltenek Labor- és ipari hımérık A folyadékhımérık használatuk módja szerint kétfélék lehetnek: teljes bemerüléső (pl. laboratóriumi) hımérık és részleges bemerüléső (ipari) hımérık (1. ábra). A teljes bemerüléső hımérıt úgy készítik, hogy akkor mutasson pontos értéket, amikor az egész folyadéktöltet a mérni kívánt hımérsékleten van. A hımérı bemerülését a mindenkori mért értékhez kell igazítani, mind a kalibrációnál, mind a mérésnél. A részleges bemerüléső hımérıt csak egy megjelölt hosszig kell bemeríteni a mérendı folyadékba, ami a mérési tartomány alatt van. 1. ábra. Labor és ipari hımérı lata

3 Vékony és vastagfalú hımérı Folyadékhımérık alkalmazhatóságát alulról a folyadék dermedéspontja, felülrıl pedig annak forráspontja korlátozza. Ez utóbbi gáztöltéssel lényegesen megemelhetı. Ilyen esetben viszont a kapiláris szilárdságát meg kell növelni, különben a belsı nyomás szétnyomná azt. Ezt a problémát oldja meg a vastagfalú hımérı, ahol a kapilláris nem külön csövecskébıl áll, hanem a tömör védıcsıben helyezkedik el. Az ábrán (2. ábra) látható a vékonyfalú (belsıskálás) és a vastagfalú (bothımérı, külsıskálás hımérı) kialakítása. 2. ábra. Vékonyfalú és vastagfalú hımérı Kapcsoló és Beckmann hımérı A folyadékhımérık higanytöltete lehetıvé teszi villamos berendezések adott hımérsékleten történı ki és bekapcsolását. Ezeket a feladatokat ellátó hımérıket kapcsolóhımérıknek nevezzük (3. ábra), amelyek lehetnek fix vagy változtatható hımérsékleten mőködıek. A fixpontos hımérı egyik elektródája a higanytartályhoz van forrasztva, a másik pedig egy platinaszál, amely fix magasságban a kapillárisban van rögzítve. A változtathatónál a belógó elektróda helyzete egy menetes orsóval állítható. Mindkét esetben a kitáguló higanytöltet zárja az áramkört. Ezen berendezésekkel csak kis áramok kapcsolhatóak, de a jeleket egy áramkörrel tovább lehet erısíteni. A folyadékhımérık érzékenysége a legegyszerőbben kétféleképpen fokozható. Vagy a kapillárisméretét kell egyre jobban csökkenteni, vagy a folyadéktartály méretét növelni. Mindkettınek határt szab azonban a technikai megvalósíthatóság. Az érzékenység növelésére alkották meg az u. n. Beckmann hımérıt (3. ábra). 3. ábra. Kapcsoló és Beckmann hımérı A Beckmann hımérı kapillárisának felsı végén egy segéd-higanytartály van, hogy a kívánt mérési hımérsékleten az alsó higanytartályban és a kapillárisban éppen annyi higany legyen, amennyi a kívánt méréstartományhoz szükséges. A Beckmann hımérıvel 17 C között = 5 6 C méréstartomány,1 C felbontással leolvasható, és,1 C pontossággal nagyítóval becsülhetı. A Beckmann hımérıt minden méréshatár-állítás után kalibrálni kell. lata

4 2.3. Folyadéktöltéső hımérık hibalehetıségei Az üveghımérık esetén számolni kell az üveg öregedésével, aminek következtében a tartály térfogata a gyártás után az idıben csökkenhet. Az üvegalkatrészek gyártása során végzett öregbítéssel (hıkezelés) a jelenség hatása mérsékelhetı. Ennek ellenére a folyadéktartály térfogata emlékezik a korábbi állapotára, és ezért idınként ellenırizni kell C-on (olvadó jégkásában) a skálán mutatott érték változását. Az így kiadódó skála-eltolódás felhasználható a leolvasott érték korrigálására, és az állandó hiba egyik összetevıjének csökkentésére. A folyadéktöltető üveghımérı laboratóriumi változatait az egyértelmő állapot érdekében teljes bemerülés mellett kalibrálják. Ez azt jelenti, hogy a folyadéktartályban és a kapillárisban lévı folyadék egyaránt a mérni kívánt közeg hımérsékletén van. Ha egy mérés körülményei nem teszik lehetıvé a hımérı teljes bemerítését és a töltet a kapillárisban n [ C] osztáshosszban tsz [ C] szálhımérséklettel kiáll a t [ C] hımérséklető mérni kívánt folyadékból, kisebb lesz a hıtágulása (4. ábra). A hıtágulás elmaradása által okozott állandó jellegő hiba mérés és számítás segítségével korrigálható. A szálkorrekció nagysága a β relatív térfogati hıtágulási tényezıjő üveg-töltet anyagpárra: t = nβ n ( t t ) m sz A jelzett és a valóságos hımérséklet közötti különbség annál nagyobb, minél hosszabb a kiálló folyadékszál, és minél nagyobb a különbség a szál közepes hımérséklete és a környezet hımérséklete között. A valóságos hımérséklet t val = t ± nβ ( t t ) m sz Az ipari kivitelő folyadéktöltéső üveghımérık mindig részleges bemerülésőek. Ezeken mindig bejelölik, hogy meddig kell a mérni kívánt közegbe meríteni. A kalibrálás körülményeikor fennálló közepes szálhımérséklet mellett lehet a helyes értéket leolvasni az ipari hımérıkrıl. Ez megkívánja, hogy a beépítés a kalibrációval egyezı kialakítású legyen, és a környezeti körülmények se térjenek el jelentısen. 4. ábra. Szálkorrekció 3. Kalibrálás A nemzetközi (termodinamikai) hımérsékletskála 6 rögzített alapponttal meghatározott hımérsékletskála. Ezen primer alappontok hımérsékletét gázhımérıkkel igen pontosan meghatározták, és így alapul szolgálhatnak az etalon hımérık hitelesítéséhez. Egyik legegyszerőbben elıállítható primer alappont a kémiailag tiszta olvadó jég és a levegıvel telített víz keverékének egyensúlyi hımérséklete p=76 torr nyomáson. Ez a jégpont, aminek a hımérséklete C. A légköri nyomásváltozás az olvadási hımérsékletet gyakorlatilag nem befolyásolja. A másik egyszerően létrehozható primer alappont a kémiailag tiszta víz gızének egyensúlyi hımérséklete. A vízgızpont p=76 torr nyomáson 1 C. A hitelesítéskor a légköri nyomás rendszerint eltér ettıl, ezért a hımérsékletet az adott nyomásra (pb) ki kell számolni. lata

5 t p p = ,12 p b p 1 11,64 p b 1 2 p + 7,1 p b 1 3 A primer alappontok tehát: A már említett pont, a víz hármaspontja (jégpont) és vízgızpont Folyadék és gız halmazállapotú oxigén egyensúlyi állapota p=76 torr nyomáson. Ez az oxigénpont. TO2=-182,97 C A kén gızének egyensúlyi hımérséklete p=76 torr nyomáson. Ez a kénpont. ts=444,6 C Szilárd és folyékony ezüst egyensúlyi hımérséklete p=76 torr nyomáson. Ez az ezüstpont. tag=96,8 C Szilárd és folyékony arany egyensúlyi hımérséklete p=76 torr nyomáson. Ez az aranypont. TAu=163, C A primer alappontok mellett léteznek szekunder alappontok is, amelyek a primer alappontok hézagait töltik ki. 4. Mérés végrehajtása 4.1. Termosztát ismertetése A méréshez egy olyan berendezést fogunk használni, amelyben egyidıben több, állandó hımérséklető mérıhüvely található (5. ábra). A négyzet alakú alumínium zártszelvény egyik végét a vízgızkészülékben fejlesztett gızzel főtjük, a másikat pedig állandó hımérséklető vízzel hőtjük. A készülék több győrőbıl van összerakva. A szomszédos győrők vékony vörösrézlemez közbeiktatásával fémesen érintkeznek egymással. Az alumíniumgyőrők középpontjában a vörösréz lemezhez jó fémes kontaktussal alumíniumtömbök vannak erısítve. Amennyiben a csı két végének hımérsékletei nem változnak, akkor a csıfalban a tengelyirányú hıáram állandó értékő, és a csı hossztengelye mentén a hımérséklet a távolsággal arányosan változik, értéke a hely függvénye. Az alumíniumgyőrükkel jó kontaktusban lévı vörösrézlemezek egyenként különbözı, de állandó hımérséklető helyekhez kapcsolják a hozzájuk erısített alumínium tömböket, amelyek felveszik az adott hely hımérsékletét. Minden alumínium tömbben három furat van, az összehasonlítandó hımérık számára. A fémtömb és a hımérı közötti jó kontaktus érdekében a furatokba vizet kell tölteni. 5. ábra. Termosztát lata

6 4.2. Feladatok A gyakorlat során a következı feladatokat kell elvégezni: 1. Hitelesítés jégpontra: Ezt a feladatot olvadó jégkásával végezzük. A hımérı beállási idejét megvárva leolvassuk a jelzett hımérsékletet. 2. Hitelesítés vízgızpontra: A hımérıt úgy kell a gızpontkészülékbe helyezni, hogy a hımérın jelzett értéken még éppen le tudjuk olvasni, vagyis a hımérı minél nagyobb része merüljön be a készülékbe. A beállási idı letelte után leolvassuk a jelzett hımérsékletet (tval), és meghatározzuk a hıfokra korrigált légnyomást. 3. Szálkorrekció meghatározása: Hagyjuk egy kicsit lehülni a hımérıt, majd úgy helyezzük vissza a készülékbe, hogy az csak a skála kezdetéig nyúljon be. A beállási idı elteltével olvassuk le a mért értéket (tm=n). Eztán a képletek alapján kiszámítjuk a higanyszál közepes hımérsékletét. 4. Termosztát (5. ábra) hımérsékleteloszlásának mérése higanyos hımérıvel a távolság függvényében. Hımérséleteloszlási diagramm felvétele. (Polinom egyenletének megadása.) 5. Kiértékelés: a jegyzıkönyv végén mindenkitıl egyéni véleményezést várunk el. 5. Ellenırzı kérdések Mi a hıtágulás fogalma, hıtágulás nagysága? Hogyan mőködnek a folyadéktöltéső hımérık? Milyen kialakítású folyadéktöltéső hımérıket ismer? (Kialakításuk, töltıanyaguk, mérési tartományuk) Mi a különbség a vékonyfalú és a vastagfalú hımérı között? Hogyan lehet növelni a folyadéktöltéső hımérık méréstartományát? Mit jelent a hımérsékleti alappont fogalma (elsıdleges, másodlagos)? Melyek a primer hımérsékleti alappontok? Miért van szükség szekunder hımérsékleti alappontokra? Összehasonlító hitelesítésre milyen módszereket ismer? Melyek a folyadéktöltéső hımérık hibái? Mi az ipari és a laborhımérı közötti különbség? Hogyan mőködik a Beckmann hımérı? Hogyan mőködnek a kapcsolóhımérık? Mikor használnak Beckmann hımérıt? Mikor használnak kapcsolóhımérıt? Mi a szálkorrekció, mikor használjuk, egyenletei? Higanyos hımérı hitelesítésével a hımérı milyen hibáit lehet korrigálni? lata