Termodynamik
– Experimentell Fysik, F3.
Lärarlag: Rum: Tel. E-post
(domän = ”se nedan”)
Johan Scheers Lärare XXX 772
3177 johan.scheers*
Ronja Thies Labassistent F8101 772 3479 ronja.thies*
Martin Persson Labassistent S1053 786 9126 martin.persson**
* domän = @chalmers.se
**domän = @physics.gu.se
Förstudiesamtal: Soliden, rum XXX (plan 2)
Laborationslokal: Fysik forskarhus, F7205
Här följer några länkar
som du kan ha nytta av.
Allmän information om termoelement:
Thermocouple Measurements
(National Instruments)
Översättningstabeller
för termoelement,
- typ K: http://www.omega.com/temperature/Z/pdf/z204-206.pdf
- typ T: http://www.omega.com/pdf/temperature/Z/pdf/z207.pdf
Glasövergångstemperaturer för diverse polymerer:
CRC Handbook of Chemistry and Physics (http://www.hbcpnetbase.com)
Emissiviteter för vanliga material:
http://www.omega.com/literature/transactions/volume1/emissivitya.html
Övrigt:
Energiläget
2009 (Energimyndigheten)
Energiläget
2009 - OH-bilder (Energimyndigheten)
Animationer och simuleringar som åskådliggör termodynamiska fenomen:
Ideal gas –
molekylmodell: http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/idealGas/idealGas.html
Kinetisk gasteori – 2-dim: http://comp.uark.edu/~jgeabana/mol_dyn/KinThI.html
Mikrovågsugn: http://www.colorado.edu/physics/2000/microwaves/index.html
Tryckkammare: http://jersey.uoregon.edu/vlab/Piston/index.html
Allmänt, termodynamik: http://www.compadre.org/osp/search/search.cfm?gs=232&b=1&qc=Compiled%20Simulation
Allmänt, Fysik: http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl
http://www.compadre.org/osp/search/categories.cfm?t=SimSearch
Till hemsidan för ”Experimentell Fysik”: http://fy.chalmers.se/~f7xiz/TIF090/TIF090.html
UPPGIFT 1. Fasomvandlingar – Värmelagring
(version 7/9 2012)
Bakgrund: Olika material kan karakteriseras av sina
fasomvandlingar som t.ex. kan ske från fast till fast eller från fast till
smält fas. En fasomvandling förknippas ofta med både omvandlingstemperatur och
-entalpi, dvs energi som tillförs eller bortförs vid omvandlingen. Studier av
fasomvandlingar är viktiga eftersom materialets egenskaper ofta ändras
dramatiskt. En vanlig metod för denna typ av materialstudier är s.k.
differentiell svepkalorimetri (Differential Scanning Calorimetry, DSC) och används t.ex. inom metall-, polymer-
och livsmedelsindustri samt biomedicin.
Ett värmelager (eller en värmebuffert) kan minska
effekterna av tillfälliga eller kraftiga temperatursvängningar och kan t.ex.
utgöras av en lämpligt stor vattentank. En nackdel med vatten är dock att
temperaturen varierar med tillförd/bortförd värme. Genom att utnyttja entalpin
i en fasomvandling hos ett material med lämplig omvandlingstemperatur, kan man
kunna erhålla ett värmelager med stabilare temperatur. Glaubersalt och
fixersalt är två exempel på ämnen med förhållandevis stor omvandlingsentalpi.
GRUNDUPPGIFT
Kalibrera DSC-utrustningen och bestäm sedan
fasomvandlingsentalpin för fixersalt (Na2S2O3·5H2O)
eller Glaubersalt (Na2SO4·10H2O). Beräkna även
entropiändringen vid fasomvandlingen! Notera att utrustningens nedre gräns för
temperatursvepet är kylvattnets temperatur!
Litteratur:
Manualer I, ”Perkin-Elmer; Differential Scanning
Calorimeter”.
EXTRAUPPGIFT
Alternativ 1: Studera ett värmelager av Glaubersalt
eller fixersalt. Testa lagringsförmågan på lämpligt sätt och jämför t.ex. med vatten.
Vilka mekanismer kan tänkas bidra till det stora energiinnehållet i
fasomvandlingen? Föreslå en tillämpning och försök dimensionera värmelagret!
(litteraturförslag: Solar Energy 33, 465-467 (1984))
Alternativ 2: Studera issmältning eller vattenkokning vid kemisk (t.ex. salt eller glykol) eller fysikalisk (tryck) påverkan. Kan du beskriva varför fasomvandlingarna påverkas? Försök föreslå en originell tillämpning på fenomenet!
UPPGIFT 2. Fasomvandlingar – Termisk analys
(version 7/9 2012)
Bakgrund: I bakgrunden till uppgift 1 beskrivs fasomvandlingar som förknippas med både omvandlingstemperatur och -entalpi. Två exempel på andra typer av omvandlingar är i) glasövergångar som ofta karakteriserar polymermaterial (plaster) och ii) avdunstning som t.ex. sker under diverse olika torkningsprocesser (framställning av havssalt, färgtorkning etc.).
i) En glasövergång är en fasomvandling mellan ett sprött, glasartat tillstånd och ett mjukare plastiskt tillstånd. Glasövergången är inte förknippad med någon omvandlingsentalpi. Vid dess omvandlingstemperatur, Tg, ändras enbart temperaturberoendet (derivatan!) hos de termodynamiska storheterna, t.ex. volym, värmekapacitet, entalpi och entropi.
ii) Avdunstning är en omvandling av ett ämne från fast eller flytande form till gasfas genom att ämnets molekyler transporteras till omgivningen via sin egen gränsyta. Avdunstning sker i mer eller mindre grad vid alla temperaturer. Vid en torkningsprocess låter man lösningsmedel avdunsta från andra fasta, flytande eller lösta ämnen (se även NE!). Torkningsförloppet kan delas in i olika tidsperioder beroende på gränsytans beskaffenhet, t.ex. våt eller torr gränsyta vilket leder till olika typer av begränsande fysikaliska processer för torkhastigheten.
Termisk analys
kan utgöras av en mängd olika metoder såsom t.ex. DSC (se uppgift 1), DTA
(Differentiell Termisk Analys) eller TG (Termogravimetri).
Med DTA bestäms enkelt temperaturen hos en
fasomvandling (även för glasövergångar) och den används för att identifiera
t.ex. polymerer och mineraler. Principen är mycket enkel: två motkopplade
termoelement där absolut och relativ temperatur mäts för referens- respektive
provmaterial under ett så linjärt temperatursvep som möjligt, se figuren
intill. Termogravimetri är
en metod där man mäter vikten hos en substans som funktion av temperatur
och/eller tid. Man kan då studera t.ex. avdunstning eller torkningsprocesser
där ett lättflyktigt ämne avdunstar från en annan substans.
Figur 1. Principskiss av en
DTA-provhållare.
GRUNDUPPGIFT
Använd DTA-provhållaren för att bestämma
glasövergångstemperaturen för polypropylenglykol
(PPG) eller plexiglas (polymetylmetakrylat = PMMA).
Litteratur:
Manualer I, ”Encyclopedia
of Materials Science and Engineering, Vol 7;
Differential Thermal Analysis”.
EXTRAUPPGIFT
Studera, med hjälp av analysvågen eller annan lämplig mätteknik, avdunstning från t.ex. olika typer av vattenlösningar eller någon annan typ av torkningsförlopp! Försök identifiera olika processer och beskriv bakomliggande orsaker! (litteraturförslag: J. Phys. D: Appl. Phys. 22, 713-716 (1989)
UPPGIFT 3. Värmeledning
(version 7/9 2012)
Bakgrund: Värme kan överföras från en kropp till en annan
eller till omgivningen via ledning, konvektion eller strålning. I
experimentella försök, t.ex. när man ska bestämma ett materials
värmeledningsförmåga, försöker man ofta arrangera mätuppställningen så att den
teoretiska härledningen av temperaturfördelningen i materialet blir hanterbar.
Man kan t.ex. undersöka temperaturfördelningen vid dynamisk jämvikt och ta
hänsyn till (eller minimera) konvektion och strålning. Man kan också studera transienta förlopp som ofta kan ge mer information än
enbart ledningsförmågan.
Behovet av kylning kan vara väldigt viktigt i vissa tillämpningar. Man
utnyttjar ofta konvektion eller cirkulation där ett kylmedium, en gasformig
eller flytande substans, fungerar som en termisk förbindelselänk mellan en
kylreservoar och komponenten man önskar kyla. Ibland kan det vara svårt att
komma åt komponenten på ett effektivt sätt med ett gasformigt eller flytande
kylmedium. Man kan då använda ett fast kylmedium där värmeledning utnyttjas för
kyla en komponent.
Använd Ångströms metod för en lång stav för att bestämma värmeledningsförmågan för aluminium eller koppar. Tänk på hur du ska åstadkomma temperaturvariationen (notera att experimentuppställningen endast har en uppvärmningstråd, dvs ingen kylning).
Litteratur:
Referenslitteratur, ”Danielson and Sidles; Thermal
Diffusivity and Other Non-steady-state Methods”.
EXTRAUPPGIFT
Alternativ 1: Studera på lämpligt sätt en statisk
eller dynamisk temperaturprofil i en stav som förbinder två värmereservoarer!
Litteratur: i) Am. J. Phys. 58, 379-381 (1990) – denna referens
behandlar egentligen material med låg värmediffusivitet
men belyser ändå fenomenet på ett bra sätt även för t.ex. metaller;
ii) Am. J. Phys. 43, 1083-1086 (1975), iii)
”Danielson and Sidles” (se grunduppgiften!).
Alternativ 2: Studera i något sammanhang fenomenet
kylning för någon tillämpning genom att konstruera en enkel uppställning där
man utnyttjar värmetransport (”doppkylare”, luftkylning, peltierkylning
etc). Uppskatta på lämpligt sätt hur effektiv
kylningen är!
UPPGIFT 4. Elektromagnetisk strålning och värme
(version 7/9 2012)
Bakgrund: Att studera ytors förmåga att reflektera, absorbera respektive transmittera infallande elektromagnetisk strålning är tillsammans med ytans emissionsförmåga viktigt för många tillämpningar, t.ex. solfångare.
GRUNDUPPGIFT
Bestäm solabsorptionskoefficient och emissivitet
för två plattor med olika ytbeskaffenhet.
Litteratur: Referenslitteratur, ”Sten Löfving; Studies on Selective Coatings for Solar
Absorbers”.
EXTRAUPPGIFT
Studera andra egenskaper hos elektromagnetisk strålning. T.ex. i) verifiera Stefan-Boltzmanns lag och diskutera eventuella avvikelser, litteraturförslag: Am. J. Phys. 46, 420-423 (1978) eller ii) studera konvektionens inflytande på en plattas temperatur (se grunduppgiften!) eller iii) studera effekter av mikrovågor etc.
OBS. Figurerna som det hänvisas till finns i
slutet av dokumentet!
