Fizika gyakorlatok Szılész-borász mérnöki oktatás Termodinamika Általános tájékoztató. Nem tartalmazza a mérési útmutatókat
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
Fizika gyakorlatok
4
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
5
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
6
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
7
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
8
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
9
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
10
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
12
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
13
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
14
IUPAC Green Book
Fizika gyakorlatok
15
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
16
Oktatási segédanyagok: http://fizika3.uni-corvinus.hu/jegyzet/ http://fizika2.uni-corvinus.hu Termodinamika
Fizika gyakorlatok
17
Órarend
hétfı
szerda
8-10 10-12 12-14
kéthetenként
14-16 16-18 Fizika gyakorlatok
18
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
19
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
20
(
R = R0 1 + α1∆t + α 2 ∆t + ... + α n ∆t 2
n
R0 Kezdeti ellenállás valamely célszerően kiválasztott hımérsékleten (leginkább a fagyponton) α1 ellenállás-hımérsékleti együttható αi magasabb fokú együtthatók ∆t a kezdıpontra számított hımérsékletkülönbség Fizika gyakorlatok
21
)
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
22
Félvezetı ellenállás-hımérık
R = R∞ e
∆H k BT
∆H az elektronok kicserélıdési entalpiája kB a Boltzman-állandó T a termodinamikai hımérséklet Fizika gyakorlatok
23
Svante August Arrhenius 1859-1927
k = Ae
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
24
Arrhenius-típusú egyenletek η = Ae p = Ae
E − RT ∆H RT
−
R = R0 e
X = Ae
−
∆H k BT
∆H − RT
viszkozitás ütközések energiája nyomás párolgáshı ellenállás energiaállandó móltört fagyáshı Fizika gyakorlatok
25
Félvezetı ellenállás-hımérık Logaritmikus formában:
B ln R = − + ln R∞ T termisztornál B az energiaállandó, ∆H/kB
Fizika gyakorlatok
26
Félvezetı ellenállás-hımérık B = ln R∞ − ln R T
R2 =e R1
B ln R = − + ln R∞ T
1 1 − B − T2 T1
1 1 ln R2 − ln R1 = − B − T2 T1 Fizika gyakorlatok
27
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
28
Termisztor B ln R = − + ln R∞ T T=0
R= ∞
T = 273,15 K
katalógus-adat
T= ∞
ln R= ln R∞
B = ln R∞ T
R=0, ln R=-∞
Végtelennél nagyobb hımérséklet nem értelmezhetı Fizika gyakorlatok
29
Félvezetı ellenállás-hımérık Az adatok ellenırzése a Steinhart–Hart összefüggéssel (A, B, C helyett A0, A1, A3 is használatos):
1 1 3 = A + B(ln R ) + C (ln R ) T Fizika gyakorlatok
30
Félvezetı ellenállás-hımérık Termisztor lineáris tengelyekkel
ellenállás. ohm
400000 300000 200000 100000 0 0
10
20
30
40
50
60
hımérséklet
helytelen ábra, lineáris léptékezéssel Fizika gyakorlatok
31
Termisztor jelleggörbéje 0
10
20
30
40
13 12.5
300k 200k
12 11.5 11
100k 50k
0.0038
50C°
0.0036
0.0034
0.0032
10.5 10 0.0030
ellenállás logaritmusa
!
Félvezetı ellenállás-hımérık, logaritmikus
hımérséklet reciproka Fizika gyakorlatok
32
Termisztoros mérés kiértékelése hımérséklet, C°
ellenállás, kohm
0
334,002
25
117,4
30
98
35
81,2
40
68,7
45
57,3 Fizika gyakorlatok
33
Termisztoros mérés kiértékelése ellenállás logaritmusa
ellenállás, kohm
12,72
334,002
11,67
117,4
11,49
98
11,30
81,2
11,14
68,7
10,96
57,3 Fizika gyakorlatok
34
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
35
Termisztoros mérés kiértékelése ellenállás, kohm 442,4 334,002 117,3 98 81,2 68,7 57,3 22,1
logaritmusa logaritmus különbsége 13 3 12,72 2,72 11,67 1,67 11,49 1,49 11,30 1,30 11,14 1,14 10,96 0,96 10 0 Fizika gyakorlatok
helyzet, cm 15 13,59 8,36 7,46 6,52 5,69 4,78 0 36
Termisztoros mérés kiértékelése, feliratozás ellenállás, kohm 50 100 150 200 250 300 350
logaritmusa logaritmus különbsége 10,82 0,82 11,51 1,52 11,92 1,92 12,21 2,21 12,43 2,43 12,61 2,61 12,77 2,77 Fizika gyakorlatok
helyzet, cm 4,09 7,56 9,60 11,03 12,15 13,06 13,83 37
Termisztoros mérés kiértékelése hımérséklet
reciproka
C°
K
K-1
0
273,15
0,003661
25
298,15
0,003354
30
303,15
0,003299
35
308,15
0,003245
40
313,15
0,003193
45
318,15
0,003143
Fizika gyakorlatok
38
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 0,003661 0,000531 0,003354 0,000254 0,003299 0,000199 0,003245 0,000145 0,003193 0,000093 0,003143 0,000043 0,003100 0,000000 Fizika gyakorlatok
helye cm 12,00 11,22 5,08 3,97 2,90 1,87 0,86 0,00
39
Félvezetı ellenállás-hımérık, logaritmikus Termisztor jelleggörbéje 10
20
30
40
13 12.5
300k 200k
12 11.5 11
100k 50k
0.0038
50C°
0.0036
0.0034
0.0032
10.5 10 0.0030
ellenállás logaritmusa
0
hımérséklet reciproka Fizika gyakorlatok
40
Hıelemek mérése
U = α1∆Τ + α 2 ∆T + α 3 ∆T ... 2
Fizika gyakorlatok
3
41
Hıelemek mérése t °C 10 14 15 18 20 23 25 28 30
irodalmi mV 0,391
saját mérés mV 0,4
0,589 0,6 0,790 0,9 0,992 1,0 1,196 Fizika gyakorlatok
42
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
43
Fajlagos hıkapacitás mérése a kalorimetria alapegyenlete Qv=Qi a víz által leadott hı Q=cvmv(tv-t) a vizsgált anyag által felvett hı Q=cimi(ti-t)
Fizika gyakorlatok
44
Fajlagos hıkapacitás mérése a kaloriméter annyi hıt vesz fel, mint mk tömegő víz. Ez a kaloriméter vízérték t1 hımérséklető víz betöltése esetén a víz és a kaloriméter együttes hıfelvétele: Q1=cv(mv+mk)(t1-t) t2 hımérséklető m2 tömegő meleg víz hıleadása: Q2=cvm2(t2-t) Fizika gyakorlatok
45
Fajlagos hıkapacitás mérése a hideg és meleg víz adataiból a kaloriméter vízérték (szokásos mértékegysége: g)
t2 − t mk = m2 − m1 t − t1
Fizika gyakorlatok
46
Fajlagos hıkapacitás mérése a kaloriméter annyi hıt vesz fel, mint mk tömegő víz. Ez a kaloriméter vízérték t1 hımérséklető víz betöltése esetén a víz és a kaloriméter együttes hıfelvétele: Q1=cv(mv+mk)(t1-t) helyette a kaloriméter kıkapacitásával számolunk: Ck=cv mv, mértékegysége J/K Fizika gyakorlatok
47
Fajlagos hıkapacitás mérése A számításnál az E–F hımérséklet-különbséget vesszük figyelembe (az ODE terület egyenlı az OGF területtel)
Fizika gyakorlatok
48
Fajlagos hıkapacitás mérése a vízérték ismeretében az ismeretlen hıkapacitás:
mv + mk t v − t ci = cv mi t − ti Fizika gyakorlatok
49
Mérés Roloff készülékkel A forrás nyomása és hımérséklete közötti összefüggést a Clausius–Clapeyron egyenlet írja le
rm 1 ln p = − +B Rm T rm a moláris párolgáshı Rm az általános gázállandó Fizika gyakorlatok
50
Mérés Roloff készülékkel Történelmi okokból a tízes alapú logaritmust használjuk:
rm 1 lg p = − +B 2,3Rm T
vagy
1 lg p = − A + B T Fizika gyakorlatok
51
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
52
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
53
Mérés Roloff készülékkel 5.05
84
86
88
90
Hımérséklet, °C 92 94
96
98
100
102 110000 105000 100000 95000 90000 85000 80000
5.00 4.95 4.90
75000
4.85
70000 65000
4.80
60000
4.75 4.70 2.80E-03
55000
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
54
Néhány magyarázat A következı két ábra a fázisátalakulások jellegét újszerően ábrázolja (kiegészítés a Roloff-kísérlethez és a fagyáspontcsökkenéshez)
Fizika gyakorlatok
55
Vaporising= párolgás, Sublimation=szublimáció (a nyomás bárban értendı)
Fizika gyakorlatok
56
Fizika gyakorlatok 57
Kompresszibilitás a redukált nyomás függvényében (paraméter: a redukált hımérséklet)
Mérés Roloff készülékkel Az ismertetett képletekbıl számítsuk ki a moláris és a specifikus párolgáshıt, és ellenırizzük táblázatból
rm A= 2,3Rm Fizika gyakorlatok
58
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
59
Nedves levegı állapotváltozása
Fizika gyakorlatok
60
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
61
Nedves levegı állapotváltozása
Fizika gyakorlatok
62
Fizika gyakorlatok
63
Nedves levegı állapotváltozása Feladat: • adatok leolvasása a pszichrométerrıl • adatok kiolvasása a digitális adatrögzítıbıl relatív nedvességtartalom harmatpont hımérséklet
• az adatok kiértékelése és ábrázolása Fizika gyakorlatok
64
Fagyáspont csökkenés mérése
Fizika gyakorlatok
65
Fizika gyakorlatok 66
Fagyáspont csökkenés mérése
Fagyáspont csökkenés mérése
Valahol itt lesz a mérés eredménye Fizika gyakorlatok
67
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
68
Fagyáspont csökkenés mérése Készítsük el az olvadás idıfüggvényét!
Fizika gyakorlatok
69
Fagyáspont csökkenés mérése
∆H ln X = R
1 1 − T T 0
X az oldószer móltörtje az oldott anyagban R a gázállandó T0 a tiszta oldószer fagyáspontja Fizika gyakorlatok
70
Fagyáspont csökkenés mérése
oldószer mol X= , oldószer + oldott anyag mol X az oldószer móltörtje Fizika gyakorlatok
71
Fagyáspont csökkenés mérése
∆T = Ek x Ek a krioszkópos állandó x az oldott anyag mólaránya az oldószerben Fizika gyakorlatok
72
Fagyáspont csökkenés mérése
oldott anyag mol x= , oldószer mol
Fizika gyakorlatok
73
Fagyáspont csökkenés mérése 2
RT Ek = ∆H sl Ek a krioszkópos állandó T a tiszta oldószer fagyáspontja ∆Hsl a szilárd–folyadék átalakulás hıje (a fagyáshı) Fizika gyakorlatok
74
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, m3 anyagmennyiségével, mol darabszámával, db Fizika gyakorlatok
75
A gyakoribb összetétel mérı mennyiségek: • tömegtört • térfogattört • anyagmennyiség-koncentráció
Sőrőség: a komponens tömege osztva a komponens térfogatával , kg/m3 Tömegkoncentráció: a komponens tömege osztva az egész elegy térfogatával, kg/m3 Fizika gyakorlatok
76
Hogy is van ez?
300kg 0,3kg 0,3kg 300g 30g = = = = 3 1m 1l 1000ml 1000ml 100ml Az nem baj, hogy „háromszáz” helyett azt mondják, hogy „harminc százalék”. A baj az, hogy ugyanezt mondják a tömegtört esetén is!
300kg 0,3kg 0,3kg 300g 30g = = = = 1000kg 1kg 1000g 1000g 100g Végezzük el az átszámításokat a fagyáspont méréséhez használt oldatoknál! Fizika gyakorlatok
77
Fagyáspont csökkenés mérése Klasszikus: Raoult-koncentráció:
K 1,862 mol/kg K kg K 103,358 ⋅ 0,018015 = 1,862 mol/mol mol mol/kg
K 192 , figyelembe véve a disszociációt mol/mol Fizika gyakorlatok
78
Hıvezetési együttható mérése Adott a térben az az irány, amelyben maximális a t2-t1-bıl számított grádiens. Az erre merıleges A keresztmetszeten áthaladó hıáramból számítjuk a hıáramsőrőséget
Fizika gyakorlatok
79
Hıvezetési együttható mérése A hıáramsőrőség hagyományos jelölése
az elsı félévben megszokott jelölési móddal:
Φ q= A
jQ =
JQ A
A a keresztmetszet, amelyben a hı áramlik Fizika gyakorlatok
80
Hıvezetési együttható mérése a hımérsékleti grádiens (a hıáramlás irányában l távolságon mérjük a hımérsékletkülönbséget)
T2 − T1 gradT = l Fizika gyakorlatok
81
Hıvezetési együttható mérése a hıáramsőrőség és a hımérsékleti grádiens ismeretében a hıvezetési együttható már számítható
q = −λ ⋅ gradT
Fizika gyakorlatok
82
Hıvezetési együttható mérése a sőrőség és a hıkapacitás ismeretében kiszámítjuk a hımérséklet vezetési együtthatót:
a=
λ ρ ⋅ cp Fizika gyakorlatok
83
mérés Fitch módszerével
Fizika gyakorlatok
84
mérés Fitch módszerével t1 − t dt λ minta A = cCu mCu l dτ baloldalt a mintán áthaladó; jobboldalt a réztömb hıkapacitásában elnyelt hımennyiség; feltételezzük, hogy egyenlıek (hıszigetelt térben mérjük) Fizika gyakorlatok
85
mérés Fitch módszerével Integrálás után adódik:
t0 − t1 λA = ln τ t − t1 l cCu mCu feladat: ábrázolni a logaritmusos tagot az idı függvényében Fizika gyakorlatok
a képletekben t a hımérséklet, görög τ az idı t 0 − t1 ln t − t1 86
Fizika gyakorlatok
87
