ΑΣΚΗΣΗ 3

 

ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ

 

ΣΚΟΠΟΣ: Να βαθμολογηθεί θερμοζεύγος χαλκού κονσταντάνης σε θερμοκρασίες επάνω και κάτω από αυτή του δωματίου. Το θερμοζεύγος θα χρησιμοποιηθεί για να μελετηθεί η θερμική αγωγιμότητα μετάλλου.

 

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ

  1. Βολτόμετρο μέτρησης τάσεων της τάξεως δεκάτων του μV.
  2. Θερμοζεύγος χαλκού-κονσταντάνης.
  3. 2 ογκομετρικά δοχεία.
  4. θερμαντική φλόγα.
  5. Text Box:

    Μεταλλική ράβδος.

 


ΘΕΩΡΙΑ

Οι δύο επαφές δύο διαφορετικών μετάλλων όπως στο παραπάνω σχήμα αποτελούν ένα θερμοζεύγος. Αν οι επαφές βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες τότε στο θερμοζεύγος αναπτύσσεται μια διαφορά δυναμικού. Αν η μια επαφή κρατηθεί σε κάποια θερμοκρασία αναφοράς, π.χ, 0οC, τότε το θερμοζεύγος μπορεί να βαθμονομηθεί και να χρησιμοποιηθεί σαν θερμόμετρο.

 

Συμπληρωματικά στοιχεία θεωρίας

 

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

  1. Σημειώστε στο πρόχειρο του τετραδίου τον τίτλο της άσκησης, ημερομηνία, ονόματα συνεργατών και αντιγράψτε όλους τους πίνακες μετρήσεων.

 

  1. Βάλτε στο ένα δοχείο μερικά παγάκια και συμπληρώστε με νερό. Αυτό θα είναι το δοχείο με τη θερμοκρασία αναφοράς δηλ. μίγμα νερού-πάγου σε ισορροπία στους 0οC.

 

  1. Γεμίστε το δεύτερο δοχείο με νερό τοποθετήστε μέσα σε αυτό το θερμόμετρο που βρίσκεται επάνω σε ειδικό στήριγμα. Τοποθετείστε το δοχείο επάνω στο τρίποδο με το θερμαντικό στοιχείο.

 

  1. Βάλτε τη μια επαφή του θερμοζεύγους στον δοχείο με τη θερμοκρασία αναφοράς και την άλλη στο δοχείο που ζεσταίνεται και συνδέστε τους ακροδέκτες του με το βολτόμετρο.

 

  1. Ανάψτε τη φλόγα του θερμαντικού στοιχείου και καταγράψτε τις ενδείξεις του θερμομέτρου θ και του βολτομέτρου V(θ) κάθε 4 περίπου βαθμούς μέχρι να βράσει το νερό. Προσοχή αν η ένδειξη του βολτομέτρου δεν δείχνει σταθερή ένδειξη ελέγξτε τις επαφές εισόδου του θερμοζεύγους και περιμένετε μέχρι να σταθεροποιηθεί.

 

  1. Κατόπιν με προσοχή αδειάστε το δοχείο με το βραστό νερό χρησιμοποιώντας γάντια. Γεμίστε με νερό το δοχείο και βάλτε ξανά το θερμόμετρο και τη μια άκρη του θερμοζεύγους στο δοχείο.

 

  1. Μέσα στο ίδιο δοχείο βουτήξτε κατά 2 περίπου εκατοστά το ένα άκρο της μεταλλικής ράβδου που είναι τοποθετημένη σε ένα ειδικό στήριγμα για να παγώνει.

 

  1. Ρίχνοντας 1-2 παγάκια και ανακατεύοντας για ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας στο δοχείο καταγράψτε τις ενδείξεις του θερμομέτρου και του βολτομέτρου μέχρι τη θερμοκρασία 2-4οC.

 

  1. Βγάλτε το θερμοζεύγος το τοποθετείστε το στην ειδική κινητή θέση που υπάρχει στο κομμάτι της μεταλλικής ράβδου.

 

  1. Φέρετε το θερμοζεύγος στη χαμηλότερη ένδειξη της ράβδου (Χ=0). Καταγράψτε την ένδειξη του βολτομέτρου.

 

  1.  Μετακινώντας το θερμοζεύγος κατά ΔΧ=2.5cm στην επόμενη χαραγή καταγράψτε την ένδειξη του βολτομέτρου. Επαναλάβετε το ίδιο και για τις επόμενες χαραγές. Όλες οι χαραγές ισαπέχουν (2.5cm).

 

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ

1.      Κάνετε τη γραφική παράσταση της ένδειξης του βολτομέτρου V(θ) σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας θ του θερμομέτρου. Αυτή η γραφική παράσταση είναι η βαθμονόμηση του θερμοζεύγους.

 

  1. Τα πειραματικά σημεία ευρίσκονται επάνω σε κάποια ευθεία; Αν ναι τότε υπολογίστε τη κλίση Κ της ευθείας και γράψτε τη σε μονάδες μV/οC.

 

3.      Πότε η ένδειξη του βολτομέτρου V(θ) είναι μηδέν, θετική ή αρνητική;

 

  1. Από τη V(θ) που μετρήσατε στα βήματα 10, 11 και τη βοήθεια του διαγράμματος βαθμονόμησης του θερμοζεύγους προσδιορίστε τη θερμοκρασία θ(Χ) του θερμοζεύγους για τις διάφορες θέσεις Χ του θερμοζεύγους στη μεταλλική ράβδο.

 

  1. Υπολογίστε τη θερμοβαθμίδα β=Δθ/ΔΧ στις γειτονικές χαραγές. Τι παρατηρείται; Είναι η θερμοβαθμίδα σταθερή μεταξύ των διαφόρων χαραγών; Υπολογίστε τη μέση τιμή της θερμοβαθμίδας και το ρυθμό μετάδοσης θερμότητας ή θερμικό ρεύμα ΔQ/Δt = κ Α Δθ/ΔΧ από τη μεταλλική ράβδο θεωρώντας πως ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του μετάλλου (ορείχαλκος) είναι k=109(W/m)K, όπου Α είναι η διατομή της μεταλλικής ράβδου.

 

 

ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ - ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ

Ελεύθερα ηλεκτρόνια μετάλλων. Ενεργειακές στάθμες ελευθέρων ηλεκτρονίων μετάλλων. Έργον εξαγωγής μετάλλου. Επαφές μετάλλων. Θερμοηλεκτρικά φαινόμενα. Θερμοβαθμίδα. Θερμική αγωγιμότητα σωμάτων.

 

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Serway Physics for Scientists & Engineers τόμος ΙV,

Πανεπιστημιακή Φυσική Υoung τόμος Β,

Φυσική Ohanian τόμος Β.