4.2.5. Hőmérséklet-szabályozás, a termosztát működése A laboratóriumi kísérleti munka során gyakran szükséges állandó hőmérséklet biztosítása, pl. reakciókinetikai vizsgálatoknál. Erre a célra a legkülönbözőbb termosztátokat készítik, az 12 liter folyadékot tartalmazó minisztátoktól a több 10 liter térfogatú termosztálószekrényekig. Mi itt az egyszerű folyadéktermosztáttal foglalkozunk. A termosztát felépítése, részei Az egyszerű folyadéktermosztát a következő részekből áll, (lásd 4.18. ábra): – hőszigetelt edény a termosztálófolyadékkal (+5) (+80) C intervallumban víz. Nagyobb termosztátoknál ebbe az edénybe meríthető a termosztálandó rendszer (pl. reakcióedény, piknométer, viszkoziméter stb.). – elektromos fűtőbetét (0,22 kW teljesítménnyel); – csőspirál hűtővíz áramoltatására (általában csapvízzel hűtünk); – elektromos keverő az egyenletes hőmérséklet biztosítására. Ugyanez a keverő egy keringetőszivattyút is működtethet, amivel a termosztáton kívül kettős falú edényben lehet áramoltatni az állandó hőmérsékletű termosztálófolyadékot (ún. külső körös termosztát). – szabályozó elektronika és hőmérséklet-érzékelő az állandó hőmérséklet biztosítására (regulátornak is nevezik a szabályozó elektronikát); – egy pontos, általában 0,1 C felbontású folyadékos hőmérő, a termosztát tényleges hőmérsékletének megállapítására. Külső körös termosztát alkalmazásánál célszerű a termosztálóedényben is elhelyezni egy hőmérőt, mivel ott általában eltér a hőmérséklet a termosztát belsejében mérttől. A termosztát működése, hőmérséklet-szabályozás A termosztát működését a szabályozás elvei alapján érthetjük meg, amelyeket az 1.4. fejezetben tárgyaltunk. A termosztát bekapcsolása után be kell állítani az előirányzott hőmérsékletet. Erre a célra régebbi termosztátoknál ún. kapcsoló-hőmérő szolgál, újabbaknál egy skálázott potenciométer. Vegyük azt az esetet, amikor az előirányzott hőmérséklet magasabb a termosztát induló hőmérsékleténél (a labor hőmérsékletnél). Ilyenkor bekapcsolódik a termosztát fűtése és emelkedik a termosztáló közeg hőmérséklete, amint azt a 4.19. ábra szemlélteti. Amikor elérjük a tartandó hőmérsékletet, kikapcsolódik a fűtés, de a termosztát hőmérséklete még egy kicsit emelkedik, mivel az elektromos fűtőbetét melegebb a környezeténél, és így hőt ad át a folyadéknak. Ezután a termosztát hőmérséklete csökken, részben a környezetnek, nagyobb részben a hűtővíznek történő hőátadás miatt. Amikor a 4-1
termosztát hőmérséklete a megkívánt érték alá csökken, ismét bekapcsolódik a fűtés és emelkedik a hőmérséklet.
4.18. ábra
A termosztát vázlatos felépítése Ez a folyamat ciklikusan ismétlődik, így a termosztát hőmérsékletének jellegzetes „járása” van. Célszerű ezt a járást minél szűkebb intervallumon belül tartani. Ennek módját az alábbiakban tárgyaljuk. Ez az eljárás az un. kétpontos szabályozás, vagy bekapcsolt, vagy kikapcsolt állapotban van a fűtés.. A hőmérséklet-szabályozás úgy működik, hogy a mért hőmérsékletértéket (Tmért) összehasonlítjuk a tartandó értékkel (Ttartandó), és ha Tmért < Ttartandó , akkor a beavatkozás a fűtés bekapcsolása. Amennyiben Tmért > Ttartandó , akkor a fűtés kikapcsolása a beavatkozás. Ez az összehasonlítás a régebbi termosztátoknál kontakhőmérővel (kapcsolóhőmérő) történt, az újabb típusoknál elektronikus áramkörrel. A legmodernebb termosztátokban már programozható intelligens áramkörökkel szoftvereres úton történik a szabályozás. A kontakthőmérő (kapcsolóhőmérő) tulajdonképpen egy higanyos hőmérő, aminek a kapillárisába fölülről egy vékony platinaszál nyúlik be. Ennek a Pt drótnak a helyzete (magassága) változtatható 4-2
egy menetes orsó (hosszú csavar) segítségével, ami kívülről mágnessel forgatható. A Pt szálat olyan magasságba kell beállítani, hogy a hőmérséklet-emelkedés során a kapillárisban felfelé mozgó Hg a tartandó hőmérsékleten érje el. Az így létrejövő elektromos kontaktussal vezérelhető a fűtés ki-be kapcsolása. Amikor a Hg eléri a Pt szálat, kikapcsol a fűtés; amikor megszakad a Pt szál és a Hg között a kontaktus, bekapcsolódik a fűtés. A kontakthőmérőn lévő skála csak tájékoztató jellegű (néha több fokot is eltérhet a valóditól), ezért a termosztátban lévő pontos hőmérő segítségével kell a beállítást elvégezni. Az újabb típusú termosztátoknál a Tmért és Ttartandó összehasonlítását egy műveleti erősítő végzi, aminek a kimenőjelével nemcsak ki-be lehet kapcsolni a fűtést, hanem a fűtőteljesítmény is változtatható. Ezeknél a termosztátoknál a hőmérséklet járását (0,05) (0,1) C szűk intervallumra lehet korlátozni, amennyiben a hűtés intenzitását megfelelően állítottuk be. Amikor a termosztát hőmérséklete közeledik a megkívánt értékhez, a szabályozó elektronika az eltéréssel arányosan csökkenti a fűtőteljesítményt. Ennek következtében a termosztát túlmelegedése minimális lesz. A hűtőteljesítményt (hűtővíz áramlási sebessége) nekünk kell beállítani úgy, hogy a fűtés ki-be kapcsolási időaránya kb. 4060 % között legyen. Amikor a fűtés bekapcsolási időaránya nagyobb a megadottnál, csökkenteni kell a hűtővíz áramoltatását; amikor kisebb, növelni (jobban kinyitjuk a vízcsapot). A régebbi termosztátoknál is ugyanígy járunk el a hűtés intenzitásának beállításánál, annyi eltéréssel, hogy a ki-be kapcsolás időarányát 1-2 perc időtartamra kell vonatkoztatni. 4.19. ábra
A termosztát hőmérséklet- idő függvénye
4-3
4.4.
Elektrolitok vezetésének mérése
Az elsőfajú vezetők (elsősorban a fémek) elektromos árammal szembeni viselkedését fajlagos ellenállásukkal jellemezzük. (Mivel a félvezetők határán áthaladó áram nemlineáris függvénye is lehet a feszültségnek, azoknál sokszor az áram-feszültség karakterisztika megadása is szükséges lehet.) A másodfajú vezetőket vagy elektrolitokat inkább a fajlagos vezetésükkel vagy moláris fajlagos vezetésükkel jellemezzük, mert ezek hozhatók kapcsolatba az elektrolitok összetételével és szerkezetével. Egy vezetőszakaszon áthaladó áram és a vezető két végén mérhető feszültség egymással egyenesen arányos. Ezt fejezi ki Ohm törvénye, melyben az arányossági tényezőt ellenállásnak nevezzük. U IR Amennyiben nem egy adott vezetőszakasz tulajdonságaira, hanem egy anyagfajta sajátságaira vagyunk kíváncsiak, akkor célszerűbb az illető anyag fajlagos ellenállását választanunk jellemző paraméterként. Ez már valódi anyagi állandó, mert bár hőmérsékletfüggő, de a mintadarab geometriájától független. A fajlagos ellenállás méréséhez válasszunk olyan elrendezést, amelyben az áram a vizsgált anyagban mindenütt azonos irányban folyik. Tekintsünk az anyagban egy olyan egyenes hasábot, melynek véglapjai az áramra merőlegesek, felszínük A , a hasáb magassága pedig l . Ekkor a hasáb ellenállása és az anyag fajlagos ellenállása közötti összefüggés
R
l A
(4.16.)
(Érdemes ezt az összefüggést összevetni a soros és párhuzamos kapcsolások ellenállására kapott összefüggésekkel!) Vezetés alatt mindig az ellenállás reciprokát értjük:
1 R Hasonlóképp a fajlagos vezetést is a fajlagos ellenállás reciprokaként definiáljuk: 1 G
(4.17.)
(4.18.)
Elektrolitok jellemzésére a moláris fajlagos vezetést használjuk, ami az oldat vezetésének és a koncentrációnak a hányadosa:
V c ahol a moláris vezetés, c a molaritás, V a hígítás.
(4.19.)
A moláris fajlagos vezetés annyiban tér el a fizikai kémiában megszokott többi moláris mennyiségtől, hogy nem az anyagmennyiség, hanem a koncentráció egységére való vonatkoztatás eredményeként kapjuk. Az oldatok moláris fajlagos vezetése függ a koncentrációtól, mégis sok, vezetés mérésére visszavezethető probléma megoldása során ezt a függést elhanyagoljuk, és az oldat vezetését az egyes komponensek vezetésének lineáris kombinációjaként számítjuk ki (szigorúan véve ez csak akkor alkalmazható, ha érvényes a független ionvándorlás törvénye). Erre példaként szolgál a 7.1. fejezetben bemutatott mérés. 4-4
Az elektrolitoldatok vezetésének mérésével meghatározhatunk fizikai kémiai állandókat, közvetlen és közvetett koncentrációmérést végezhetünk, különböző reakciók, folyamatok előrehaladását követhetjük (lásd 8. fejezet bevezetését). Vezetésmérést többféle módszerrel végezhetünk, a legelterjedtebb a váltóáramú konduktometria alkalmazása. Váltakozó áram használata a vezetésmérésnél (egyenáram helyett) azért előnyös, mert így elkerülhető, hogy a vezetési cellában elektrolízis induljon meg, és az elektródok polarizálódjanak. A váltakozó áram frekvenciája általában az 1–10 kHz intervallumba esik, de kevésbé igényes mérésekhez akár a hálózati 50 Hz-es váltakozó áramot is felhasználhatjuk. A vezetési cellán átfolyó áramot olyan kicsinek választjuk (10–310–6 A), hogy az áram hőhatása miatt az elektrolit hőmérséklete ne változzon. A konduktométer működési elve A konduktométer működését a 4.22. ábra alapján követhetjük nyomon. A G váltóáramú generátor stabil effektív feszültségű ( U g ) szinuszos feszültségjelet állít elő. Erre a generátorra csatlakoztatjuk a vezetési cellát és a vele sorba kapcsolt mérőellenállást ( Rm ). A vezetési cellában lévő elektrolit ellenállását jelöljük Ro -val (oldat ellenállás) Az U g Ro Rm U g zárt áramkörben I áram jön létre. Ez az áram nyilvánvalóan annál nagyobb, minél nagyobb az elektrolit vezetése. A vezetési cellán átfolyó áram az Ohm-törvényből:
I
Ug
(4.20.)
Ro Rm
4.22. ábra
A konduktométer működési elve Az Rm mérőellenálláson eső feszültség szintén az Ohm-törvényből: U m IRm U g
Rm Ro Rm
(4.21.)
Amennyiben az Rm mérőellenállás értékét úgy választjuk meg, hogy az Rm << Ro nagyságrendi reláció fennálljon, akkor a fenti összefüggés nevezőjében Rm elhanyagolható az Ro mellett, így U m U g Rm
1 Ro
(4.22.) 4-5
A kifejezésben lévő 1 / Ro az elektrolit vezetése, vagyis a mérőellenálláson megjelenő feszültség arányos az elektrolit vezetésével. Az U g Rm mennyiség ismert vezetésű elektrolittal történő méréssel meghatározható, így meghatározhatjuk egy adott elektrolit vezetését. Amikor a konduktométeren méréshatárt váltunk, nem teszünk egyebet, mint a mérőellenállást cseréljük egy másikra, hogy az Rm << Ro nagyságrendi reláció továbbra is fennálljon. Mint már korábban említettük, azért használunk váltakozó áramot a vezetésmérésnél, mert egyenáram hatására a vezetési cellában elektrolízis indulna meg, és az elektródok polarizálódnának. Mivel a vezetési cellán átfolyó áram kicsi (10–310–6 A), hogy az áram hőhatása miatt az elektrolit hőmérséklete ne változzon (lásd korábban), ezért az U m feszültség szintén kicsi (10100 mV), vagyis erősítésre lehet szükségünk a kijelző műszer működtetéséhez. Az egyenirányítás azért szükséges, mert analóg mérőműszerrel csak egyenfeszültséget tudunk közvetlenül mérni. A digitális konduktométer annyiban különbözik a 4.22. ábrán vázolt megoldástól, hogy az U m feszültséget egy A/D konverterrel mérjük. 4.23. ábra
Vezetési cellák A legegyszerűbb esetben a vezetési cella két nagy valódi felületű platinalemezből áll, ezek között van a mérendő elektrolit (4.23. ábra). A platinalemezek többnyire néhány négyzetcentiméter geometriai felülettel rendelkeznek. A mérés szempontjából előnyös, ha a valódi (fizikai) felület lényegesen nagyobb (százszoros, ezerszeres), mint a geometriai, ez platinakorommal történő bevonással érhető el. Elterjedt típus az ún. gyűrűs vezetési cella, amelyben három platinagyűrű van egymás alatt. A két szélsőt összekötik, ez lesz az egyik elektród, a másik pedig a középső. A vezetési cellát harangelektródnak is hívják a formája után. A harangelektród tetején lévő lyukaknak az elektrolit felszíne alatt kell lenni mérés közben, hogy az elektrolit áramlása biztosított legyen. Különösen titrálásoknál és reakciók követésénél fontos ez. file: 4fej-2016.docx
4-6
