Esperienza 15: taratura Parma della termocoppia di Università termocoppia.pdf · Università di...
Transcript of Esperienza 15: taratura Parma della termocoppia di Università termocoppia.pdf · Università di...
Uni
vers
ità d
i Par
ma
Esperienza 15: taratura della termocoppia
a.a. 2011/2012
Laboratorio di Fisica 1 (II Modulo) A. Baraldi, M. Riccò
Copyright M.Solzi
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a Obiettivi dell’esperienza
Scopo dell'esperienza è quello di determinare la curva di calibrazione di una termocoppia curva che descrive la relazione tra la forza elettromotrice
(f.e.m.) presente ai capi della termocoppia e la temperatura a cui essa si trova
o meglio la differenza di temperatura tra le due giunzioni della termocoppia
Nota la curva di taratura la termocoppia può essere utilizzata come termometro per la misura di temperature incognite
2
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a La termocoppia
Una termocoppia è un conduttore formato da due metalli differenti (p.es. Cu e Ni) in cui siano presenti due giunzioni
Quando le due giunzioni J1 e J2 si trovano a temperature differenti ⇒ ai capi della termocoppia si crea una f.e.m. il cui valore dipende dalle temperature delle due giunzioni
Il fenomeno fisico che dà origine alla f.e.m. si chiama effetto Seebeck
3
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a Effetto Seebeck
L’effetto Seebeck è descritto da tre leggi fondamentali: 1) la f.e.m. che si crea ai capi di una termocoppia dipende
esclusivamente dalle temperature delle due giunzioni; 2) qualsiasi metallo inserito lungo un circuito termoelettrico
non influenza la f.e.m. risultante se gli estremi di questo metallo sono alla stessa temperatura;
3) se i due conduttori omogenei producono una f.e.m. E quando le due giunzioni sono alle temperature T1 e T3, e una f.e.m. F quando sono alle temperature T2 e T3, allora - quando le giunzioni sono alle temperature T1 e T2 - la f.e.m. prodotta è ⇒(E − F)
4
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a Taratura della termocoppia
Si effettua tenendo una giunzione (p.es. J1) a temperatura fissa T1 (la temperatura ambiente o una temperatura di riferimento facilmente riproducibile come quella del ghiaccio fondente) e misurando poi la f.e.m della seconda giunzione J2 al variare della temperatura T2
Volendo tarare la termocoppia su un determinato intervallo di
temperature si scelgono un certo numero di punti fissi (cioè valori noti di temperatura, facilmente riproducibili) possibilmente equi-spaziati in tale intervallo e per questi si misura la f.e.m. prodotta
5
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a Punti fissi
Si interpolano quindi i dati sperimentali per ottenere la funzione: f.e.m = f (T2).
I punti fissi generalmente utilizzati sono i punti di fusione o di evaporazione di un elemento o composto chimico:
punti fissi riproducibili (le temperature di fusione o evaporazione di un elemento o di un composto chimico puro sono fisse cioè non variano p.es. con le condizioni ambientali)
consentono di produrre condizioni di temperatura costante per un intervallo di tempo controllabile (durante il passaggio di stato la temperatura rimane costante)
6
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a Punti fissi da riprodurre
Elenco di punti fissi
Termocoppia utilizzata: Chromel-Alumel (tipo K)
7
materiale Transizione di fase T (°C)
Azoto (L) Ebollizione -195.8
Mercurio (Hg) Fusione -38.8
Acqua (S: ghiaccio) Fusione 0
Gallio (Ga) Fusione 29.8
Acqua (L) Ebollizione 100
Indio (In) Fusione 156.6
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a Esecuzione dell’esperienza: procedura per azoto e mercurio
1) si immerge la giunzione in azoto liquido leggendo la f.e.m. prodotta
2) si immerge la giunzione in una provetta contenente il mercurio liquido
3) si mette la provetta nell'azoto liquido finché il mercurio non si sia solidificato
4) si estrae quindi la provetta e si legge la f.e.m. quando il mercurio inizia a fondersi
8
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a Esecuzione dell’esperienza: procedura per acqua e Gallio
Acqua (S): si prepara una miscela di acqua e ghiaccio e si effettua la
misura (dopo avere mescolato un po') quando il ghiaccio inizia a fondersi;
Gallio: Si pone la provetta contenente Ga solido a scaldare a
bagnomaria in un pentolino contenente acqua
Acqua (L): si pone un becher contenente acqua distillata a bollire sopra
un fornelletto e si misura la f.e.m.
NOTA: Per il Gallio: fenomeno del sotto-raffreddamento che si può
evidenziare togliendo la provetta dal pentolino con acqua calda e lasciandolo raffreddare
9
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a Esecuzione dell’esperienza: procedura per Indio
Indio: si pone il crogiolo contenente In sopra il fornelletto
attendendo che l’In fonda: una volta che sia completamente fuso si toglie il crogiolo dal fornetto e vi si immerge la termocoppia attendendo che inizi la solidificazione
10
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a Risultato della taratura
Le coppie di punti così ottenute vengono riportate in grafico rappresentando la f.e.m in funzione della temperatura nota dei punti fissi Occorre valutare l'errore commesso nella lettura della
f.e.m. corrispondente alla transizione di fase e individuarne la causa principale.
Interpolare i punti con una linea retta e con un polinomio di secondo o terzo grado
La curva interpolante i punti sperimentali è la curva caratteristica della termocoppia e può essere utilizzata per ricavare una T incognita (ad es. quella della stanza) una volta misurata la f.e.m. corrispondente
11
Uni
vers
ità d
i Par
ma
− La
bora
torio
di F
isic
a 1
a.a.
201
1/12
LF
1: L
abor
ator
io d
i Fis
ica
1: E
sp.
15:
Tara
tura
ter
moc
oppi
a Note
La curva di raffreddamento o riscaldamento (temperatura verso tempo) di una sostanza presenta - in corrispondenza del passaggio di stato tra due fasi – un plateau durante il quale la temperatura è costante
La lettura della f.e.m deve dunque avvenire in corrispondenza di tale plateau
Per accertarsene provare a costruire il grafico della f.e.m. verso il tempo effettuando la lettura della f.e.m. a intervalli regolari di tempo
Si possono però creare gradienti termici per esempio per effetto della diversa temperatura delle pareti del recipiente: ⇒può essere utile muovere la termocoppia e ripetere la lettura della f.e.m. più volte
12