Fizika gyakorlatok, 2. félév Termodinamika
Tőzvédelmi és munkavédelmi ismeretek Fizika-Automatika Tanszék Somlói út 14-16 L épület kérem a jegyzıkönyvet aláírni a tanszékre való elsı belépés alkalmával kérem a megjelölt helyeket megtekinteni! Fizika gyakorlatok 2
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Mértékegységek jelölése http://physics.nist.gov/pubs/sp811/sec07.html 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
IUPAC Green Book Fizika gyakorlatok 14
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
Oktatási segédanyagok: http://fizika3.uni-corvinus.hu/jegyzet/ http://fizika2.uni-corvinus.hu Termodinamika Fizika gyakorlatok 16
Órarend hétfı Kedd 8-10 L1 S1 L6 S6 10-12 L2 S2 L7 S7 12-14 L3 S3 14-16 L4 S4 16-18 L5 S5 Fizika gyakorlatok 17
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
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
R ( n ) 1+ α t + t 2 +... + t = R α α 0 1 2 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
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
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
Svante August Arrhenius 1859-1927 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
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
Félvezetı ellenállás-hımérık Logaritmikus formában: ln B R = + T ln R 0 termisztornál B az energiaállandó, H/k B Fizika gyakorlatok 25
Félvezetı ellenállás-hımérık o Anyaguk: szinterelt fémoxidok keveréke: nióbium-oxid, kobalt-oxid, mangán-oxid o Energiaállandójuk 3000 5000 lehet o Készíthetı negatív és pozitív hımérsékleti együtthatójú termisztor is Fizika gyakorlatok 26
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
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
Félvezetı ellenállás-hımérık Termisztor lineáris tengelyekkel 400000 ellenállás. ohm 300000 200000 100000 0 0 10 20 30 40 50 60 hımérséklet helytelen ábra, lineáris léptékezéssel Fizika gyakorlatok 29
! Félvezetı ellenállás-hımérık, logaritmikus Termisztor jelleggörbéje 300k 200k 100k 50k 0.0038 0 10 20 30 40 50C 13 12.5 12 11.5 11 10.5 10 0.0036 0.0034 0.0032 0.0030 ellenállás logaritmusa hımérséklet reciproka Fizika gyakorlatok 30
Termisztoros mérés kiértékelése hımérséklet, C 0 25 30 35 40 45 ellenállás, kohm 334,002 117,4 98 81,2 68,7 57,3 Fizika gyakorlatok 31
Termisztoros mérés kiértékelése ellenállás logaritmusa 12,72 11,67 11,49 11,30 11,14 10,96 ellenállás, kohm 334,002 117,4 98 81,2 68,7 57,3 Fizika gyakorlatok 32
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
Termisztoros mérés kiértékelése ellenállás, kohm logaritmusa logaritmus különbsége helyzet, cm 442,4 13 3 15 334,002 12,72 2,72 13,59 117,3 11,67 1,67 8,36 98 11,49 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 22,1 10 0 0 Fizika gyakorlatok 34
Termisztoros mérés kiértékelése, feliratozás ellenállás, kohm logaritmusa logaritmus különbsége helyzet, cm 50 10,82 0,82 4,09 100 11,51 1,52 7,56 150 11,92 1,92 9,60 200 12,21 2,21 11,03 250 12,43 2,43 12,15 300 12,61 2,61 13,06 350 12,77 2,77 13,83 Fizika gyakorlatok 35
Termisztoros mérés kiértékelése C 0 25 30 35 40 45 hımérséklet K 273,15 298,15 303,15 308,15 313,15 318,15 reciproka K -1 0,003661 0,003354 0,003299 0,003245 0,003193 0,003143 Fizika gyakorlatok 36
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 0,003700 0,000600 12,00 0,003661 0,000531 11,22 0,003354 0,000254 5,08 0,003299 0,000199 3,97 0,003245 0,000145 2,90 0,003193 0,000093 1,87 0,003143 0,000043 0,86 0,003100 0,000000 helye cm 0,00 Fizika gyakorlatok 37
Félvezetı ellenállás-hımérık, logaritmikus Termisztor jelleggörbéje 300k 200k 100k 50k 0.0038 0 10 20 30 40 50C 13 12.5 12 11.5 11 10.5 10 0.0036 0.0034 0.0032 0.0030 ellenállás logaritmusa hımérséklet reciproka Fizika gyakorlatok 38
Hıelemek mérése U = α α α 2 1 Τ + 2 T + 3 T 3... Fizika gyakorlatok 39
Hıelemek mérése t C 10 14 15 18 20 23 25 28 30 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
Hıelemek mérése Réz-konstantán hıelem termofeszültség, mv 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 hımérséklet, C Fizika gyakorlatok 41
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
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
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
Fajlagos hıkapacitás mérése A számításnál az E F hımérséklet-különbséget vesszük figyelembe Fizika gyakorlatok 45
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
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
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
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
Mérés Roloff készülékkel Roloff, lineáris tengelyek nyomás, Pa 120000 110000 100000 90000 80000 70000 60000 86 88 90 92 94 96 98 100 102 hımérséklet, C Fizika gyakorlatok 50
Mérés Roloff készülékkel Hımérséklet, C 84 5.05 86 88 90 92 94 96 98 100 5.00 4.95 4.90 4.85 4.80 4.75 102 110000 105000 100000 95000 90000 85000 80000 75000 70000 65000 60000 55000 4.70 2.80E-03 2.78E-03 2.76E-03 2.74E-03 2.72E-03 2.70E-03 2.68E-03 2.66E-03 1/T, 1/K Fizika gyakorlatok 51
Néhány magyarázat A következı két ábra a fázisátalakulások jellegét újszerően ábrázolja (kiegészítés a Roloff-kísérlethez és a fagyáspontcsökkenéshez) Fizika gyakorlatok 52
Vaporising= párolgás, Sublimation=szublimáció (a nyomás bárban értendı) Fizika gyakorlatok 53
Kompresszibilitás a redukált nyomás függvényében (paraméter: a redukált hımérséklet) Fizika gyakorlatok 54
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
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
Nedves levegı állapotváltozása Fizika gyakorlatok 57
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
Nedves levegı állapotváltozása Fizika gyakorlatok 59
Fizika gyakorlatok 60
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
Fagyáspont csökkenés mérése Fizika gyakorlatok 62
Fizika gyakorlatok 63 Fagyáspont csökkenés mérése
Fagyáspont csökkenés mérése Valahol itt lesz a mérés eredménye Fizika gyakorlatok 64
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
Fagyáspont csökkenés mérése Készítsük el az olvadás idıfüggvényét! Fizika gyakorlatok 66
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
Fagyáspont csökkenés mérése X = oldószer oldószer + oldott anyag, mol mol X az oldószer móltörtje Fizika gyakorlatok 68
Fagyáspont csökkenés mérése T = E x k E k a krioszkópos állandó x az oldott anyag mólaránya az oldószerben Fizika gyakorlatok 69
Fagyáspont csökkenés mérése x = oldott anyag oldószer, mol mol Fizika gyakorlatok 70
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
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
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
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
Fagyáspont csökkenés mérése Klasszikus: Raoult-koncentráció: 1,862 K mol/kg K kg 103,358 0,018015 = 1,862 mol/mol mol K mol/kg 192 K mol/mol, figyelembe véve a disszociációt Fizika gyakorlatok 75
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
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
Hıvezetési együttható mérése a hımérsékleti grádiens (a hıáramlás irányában l távolságon mérjük a hımérsékletkülönbséget) T T gradt = 2 1 l Fizika gyakorlatok 78
Hıvezetési együttható mérése a hıáramsőrőség és a hımérsékleti grádiens ismeretében a hıvezetési együttható már számítható q = λ gradt Fizika gyakorlatok 79
Hıvezetési együttható mérése a sőrőség és a hıkapacitás ismeretében kiszámítjuk a hımérséklet vezetési együtthatót: a = ρ λ c p Fizika gyakorlatok 80
mérés Fitch módszerével Fizika gyakorlatok 81
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
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
Fizika gyakorlatok 84