Pomiary Temperatury
advertisement
ROZMAGNESOWANIE ADIABATYCZNE Entropia paramagnetyków zależy nie tylko od fluktuacji cieplnych cząsteczek lecz również od ich orientacji. H - natężenie pola magnetycznego, A-B - izotermiczne namagnesowanie, B-C – adiabatyczne rozmagnesowanie. ROZMAGNESOWANIE ADIABATYCZNE Jeśli S = S(T, H), to różniczka zupełna S wyniesie: Zatem różniczkowy współczynnik efektu magnetokalorycznego będzie wynosił: ROZMAGNESOWANIE ADIABATYCZNE Na podstawie wzorów dla uogólnionego procesu oziębiania wewnętrznego: Y T dT T X S cX dX S W przypadku diamagnetyków χ < 0 oraz (∂χ / ∂T ) = 0 , więc rozmagnesowanie diamagnetyków nie prowadzi do zmiany ich temperatury ROZMAGNESOWANIE ADIABATYCZNE Korzystając z prawa Curie: Otrzymamy zależność: A po przekształceniu: Wydajność chłodniczą wyznaczamy ROZMAGNESOWANIE ADIABATYCZNE a – wstępne chłodzenie próbki, b – izotermiczne namagnesowanie, c – usunięcie gazu pośredniczącego w wymianie ciepła, d – rozmagnesowanie adiabatyczne; 1 – substancja CHŁODZIARKA MAGNETYCZNA 1 – blok miedziany ziębiony chłodziarką McMahona, 2 - magnes nadprzewodzący pracujący w sposób ciągły, 3 - izolacja próżniowa, 4 - magnetyk (GGG), 5 - tłok, 6 - miernik poziomu Idealny proces skraplania gazów. Praca minimalna. Odwracalny proces skraplania gazu w układzie T-s. lmin T0 (s1 s f ) (h1 h f ) Idealny proces skraplania gazów. Praca minimalna. Rysunek 2. Proces oziębiania i skraplania gazu w wymienniku ciepła, a wykres T-s, b - schemat techniczny urządzenia, C - sprężarka, E rozprężarka, HE - wymiennik ciepła. Minimalna Wmin oraz rzeczywista W praca skroplenia gazów kriogenicznych Gaz h1 - hf W Wmin kJ/kg kW h/kg kW h/l kW h/kg kW h/l Hel 1563 1,9 0,237 16-32 2-4 Wodór 3953 3,4 0,238 22-42 1,5–3,0 Neon 368,6 0,372 0,445 3,5–5,5 3–4,5 Azot 433,3 0,213 0,172 1,2–1,8 1–1,5 Powietrze 428,3 0,205 0,179 1,2–1,8 1–1,5 Argon 273,1 0,134 0,186 0,8-1 1,1–1,4 Tlen 406,9 0,177 0,202 1–1,5 1,2–1,7 Metan 912,7 0,307 0,13 0,6-1 0,25-0,5 Skraplanie gazu - porównanie Porównanie procesów skraplania gazu przy zastosowaniu obiegu Carnot'a oraz obiegu z nieizotermicznym dolnym źródłem ciepła charakteryzującym się minimalną pracą skraplania. Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej skraplarki kriogenicznej Potraktujmy wielostopniową skraplarkę jako złożoną z wielu obiegów Carnot'a wytwarzających moc chłodniczą na poziomach temperatur T1, T2 ... Ti, ...Tx. Wszystkie obiegi pracują pomiędzy temperaturą otoczenia a odpowiednio temperaturą T1, T2 ... Ti, ...Tx. W i-tym stopniu od skraplanego gazu odbierane jest ciepło Qi w ilości: Qi c p (Ti Ti 1 ) Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej skraplarki kriogenicznej Praca Wi i efektywność chłodnicza i-tego stopnia i ε są równe: Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej skraplarki kriogenicznej Niech efektywności chłodnicze obu stopni Q/W będą odpowiednio równe: Jednostkowe prace obu stopni są równe: Całkowita praca dwustopniowego obiegu jest równa: Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej skraplarki kriogenicznej Po obliczeniu pochodnej dW/dT i przyrównaniu jej do zera otrzymuje się: Podobnie można pokazać, że dla dowolnych dwóch sąsiednich stopni wielostopniowego kaskadowego urządzenia kriogenicznego powinien być spełniony warunek Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej skraplarki kriogenicznej Poprzednie równanie wynika z policzenia sumy prac Wi oraz W i+1 oraz przyrównania pochodnej tej sumy względem Ti do zera: Uogólniając powyższe równania można napisać, że poziom temperatury w n – stopniowym urządzeniu kriogenicznym powinny zostać wybrane w taki sposób, aby spełniony byłnastępujący warunek: Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej skraplarki kriogenicznej Mnożąc przez siebie wszystkie ułamki tworzące prawą stronę wyrażenia, uzyskuje się: Po przekształceniu i wyrugowaniu A otrzymuje się: Zasady doboru ilości stopni wielostopniowej skraplarki kriogenicznej Po podstawieniach otrzymuje się wyrażenie pozwalające na obliczenie pracy dostarczonej do i –tego stopnia obiegu: Całkowita praca obiegu wielostopniowego o n stopniach jest równa: POMIARY TEMPERATURY TEMPERATURA Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii. 2 E T fk B <E> f kB - średnia energia kinetyczna pojedynczej cząstki – liczba stopni swobody – stała Boltzmana Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał. SKALA TEMPERATUR W celu określenia wartości temperatury konieczne jest przyjęcie jakiejś skali. Gdańszczanin Fahrenheit za punkt zerowy swojej skali wybrał najniższą temperaturę zimy 1708/1709 w swoim rodzinnym mieście, a za 100° wybrał temperaturę swojego ciała. W późniejszym okresie za 0°F przyjęto temperaturę mieszaniny wody i lodu z salmiakiem lub solą a za 32°F temperaturę mieszaniny wody i lodu. SKALA TEMPERATUR Celsjusz (1742 r.) zaproponował jako zero temperaturę wrzenia wody a jako sto stopni wybrał punkt, w którym woda zamarza, następnie przedział ten podzielił na sto równych części. W późniejszym okresie skalę tę odwrócono i w takiej postaci jest stosowana do dzisiaj. W celu uściślenia definicji przyjęto następnie dwa charakterystyczne punkty stałe; punkt potrójny wody (lód, woda i para pozostające w stanie równowagi, T=0,01°C i 611,73 Pa) i wrzenia wody. SKALA TEMPERATUR Skale te nazywane są empirycznymi, ponieważ oparte są na określonych własnościach termometrycznych ciał. W zastosowaniach naukowych najbardziej rozpowszechniona jest skala Kelvina (1847 r.). Jest ona tzw. skalą absolutną, oznacza to, że zero jest najniższą teoretyczną temperaturą, w której ustają wszelkie drgania i ruchy cząsteczek. PRZELICZANIE TEMPERATURY: Używana w Polsce i wielu innych krajach Europy skala to stopnie Celsjusza oznaczane °C, przy przeliczaniu ich na stopnie Kalwina możemy posłużyć się wzorem: T[K] = T[°C] + 273.15 W USA, w dalszym ciągu używa się stopni Fahrenheita. W tej skali temperatura zamarzania wody jest równa 32 °F a wrzenia 212 °F. Wzór przeliczający stopnie Fahrenheita na stopnie Celsjusza: T[°C] = (5/9) · (tF[°F] - 32) ZAKRES STOSOWANIA PRZYRZĄDÓW DO POMIARU TEMPERATURY SPOSOBY POMIARU TEMPERATURY: Pomiar dotykowy – czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego temperaturę mierzymy. Pomiar bezdotykowypoprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało, lub emitowanej energii przez obiekt. TERMOMETRY ROZSZERZALNOŚCIOWE Termometry tego typu pracują w oparciu o zmianę objętości gazów, cieczy i zmian wymiarów ciał stałych wraz ze zmianą temperatury. Najbardziej rozpowszechnionymi termometrami rozszerzalnościowymi są termometry cieczowe. TERMOMETRY ROZSZERZALNOŚCIOWE Ciecze termometryczne powinny charakteryzować się: niezmiennością własności fizycznych i chemicznych w czasie, niezmiennością cieplnego współczynnika rozszerzalności objętościowej w funkcji temperatury, niską temperatura krzepnięcia, wysoką temperatura wrzenia, niezwilżalnośćią szkła. TERMOMETRY DYLATACYJNE Termometry tego typu zbudowane są z dwóch elementów o różnych współczynnikach rozszerzalności. TERMOMETRY BIMETALOWE Termometry bimetalowe składają się z elementów o różnej rozszerzalności liniowej. Wykonuje się je w postaci taśm, które są ze sobą połączone na całej długości, najczęściej zgrzewane i zwalcowane. TERMOMETRY CIŚNIENIOWE (MANOMETRYCZNE) Termometry ciśnieniowe: cieczowe parowe. Termometr ten składa się z czujnika w postaci rurki stalowej, kapilary i rurki Bourdona Najbardziej rozpowszechnioną cieczą jest rteć (-35÷500°C), ale także ksylen (-40÷400°C) oraz alkohol metylowy (-50÷150°C). TERMOMETRY REZYSTANCYJNE W termometrach rezystancyjnych wykorzystuje się zjawisko zmiany rezystancji czynnego elementu wraz ze zmianą temperatury. Dla czystych metali występuje wzrost rezystancji wraz ze wzrostem temperatury. Dla półprzewodników mamy zjawisko odwrotne. TERMOMETRY REZYSTANCYJNE R/R0 TERMOREZYSTOR Termorezystor metalowy stanowi uzwojenie wykonane z metalu (niklu, platyny ,miedzi) nawinięte na kształtkę z materiału izolacyjnego. Działanie jego polega na zmianie rezystancji przewodnika pod wpływem zmiany temperatury. Powstałe w ten sposób zmiany rezystancji są mierzone i stanowią miarę temperatury. TERMOREZYSTOR Wartość rezystancji termorezystorów jest równa najczęściej 100 Ω, rzadziej 1000 Ω. Inne mniejsze wartości stosowane są między innymi do pomiarów laboratoryjnych. Termorezystory znalazły ogromne zastosowanie w przemyśle dzięki wysokiej temperaturze topnienia, oraz ogromnym zakresie pomiarowym od około -200°C do 3000°C. TERMISTOR Termistor jest elementem półprzewodnikowym którego rezystancja zależy od temperatury. Zmiana wartości rezystancji może nastąpić na skutek wzrostu temperatury otoczenia termistora lub wydzielanego w nim ciepła. Termistory nadają się bardzo dobrze do pomiaru temperatury oraz do sterowania jej zmianami w zakresie od -50°C do +300°C z błędem nie przekraczającym 0,1 do 0,2°C. Rozróżniamy termistory o: Ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji NTC, Dodatnim współczynniku temperaturowym PTC, Skokowej zmianie rezystancji CTR. TERMISTORY - ZASTOSOWANIE W ELEKTRONICE: jako ograniczniki natężenia prądu oraz czujniki temperatury elementy kompensujące wartości innych elementów. PODSTAWOWE ZALETY TERMISTORÓW : Większy od rezystorów metalowych współczynnik zmian rezystancji wraz ze zmianą temperatury, co pozwala mierzyć mniejsze różnice temperatury, wielokrotnie większa rezystancja, eliminująca praktycznie wpływ zmian rezystancji przewodów łączeniowych na wskazania termometr, małe bezwładności cieplne, co umożliwia prowadzenie pomiarów szybko zmieniających się temperatur. PODSTAWOWE WADY TERMISTORÓW : wąski zakres stosowanej temperatury, w celu uzyskania wysokiej dokładności termometr musi być wzorcowany w dużej liczbie punktów termometrycznych, mniejsza stabilność czasowa rezystancji w porównaniu z czujnikami rezystancyjnymi, nieliniowość i trudność znormalizowania charakterystyk termometrycznych.
