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1 I due apparati per lo studio di una trasformazione isoterma e di una adiabatica sono sostanzialmente uguali, solo che sono fatti com materiale diverso. Vedremo nel seguito la ragione di questa diversità. Entrambi gli apparati sono formati da un cilindro superiore in cui scorre uno stantuffo a tenuta, il cui movimento genera un aumento di pressione nella discesa e una diminuzione della pressione nella salita. Le dimensioni del tubo sono circa 4 cm di diametro interno e 50 cm di altezza. Per evitare che nella discesa la pressione finale sia troppo elevata è stato aggiunto una base cilindrica nella quale sono stati anche sistemati i sensori di pressione e di temperatura, Il volume totale è di circa 1.5 litri mentre quello di base è di circa 0.50 litri. Il diverso materiale usato è richiesto dalla diversa natura delle trasformazioni, Nella trasformazione isoterma (temperatura costante) è necessario avere uno scambio di calore con l'esterno per favorire il ritorno alla temperatura scelta dopo ogni compressione. Per questa ragione il materiale usato è ottone, buon conduttore di calore. Viceversa nella trasformazione adiabatica non ci deve essere scambio di calore con l'esterno durante la compressione, pertanto Il materiale usato è PVC che, oltre a essere un buon isolante termico, ha bassa capacità termica. Il rinforzo metallico di questo strumento permette una compressione veloce da un volume massimo ad uno minimo, in modo da eliminare quasi completamente gli scambi di calore, come richiesto in una compressione adiabatica. Invece nella trasformazione isoterma la variazione di volume è fatta molto lentamente: si riduce gradualmente il volume di una certa quantità e si aspetta il ritorno all equilibrio della temperatura. L'apparecchiatura si può separare nelle due componenti. Il cilindro che contiene lo stantuffo termina con una piastra che permette per chiudere ermeticamente le due parti, per mezzo di un O-ring. Per poter misurare lo spostamento del pistone e quindi la variazione del volume nel cilindro superiore è stato adottato un metodo semplice ma efficace. Naturalmente esistono metodi di misura più sofisticati che possono dare risultati con alta precisione; ma sono molto costosi e, tutto sommato, a noi non serve una precisione estremamente elevata L'idea adottata è quella di far variare una resistenza elettrica - 1 -

2 in maniera proporzionale alla lunghezza percorsa dal pistone. Il moto del pistone fa ruotare, usando una cremagliera, un pignone collegato ad una resistenza variabile (potenziometro), così che ad uno spostamento del pistone corrisponde una rotazione del pignone e quindi una variazione della resistenza. Basta adesso misurare la variazione di tensione ai capi della resistenza: ad ogni posizione del pistone abbiamo una misura di tensione che dovrà, poi, essere trasformata in un valore di volume interno mediante una opportuna operazione di taratura, cioè di confronto dei valori di tensione con la misura diretta delle corrispondenti lun-ghezze misurate con un metro. Vedremo questo metodo nella sezione di taratura del volume. (Si capisce il perché non abbiamo usato un sistema molto raffinato per la misura posizione del pistone. Infatti l operazione di taratura fatta con un metro a nastro ed un calibro a coulisse riduce la precisione ottenibile nella misura diretta del volume e quindi non vale la pena usare tecniche molto più raffinate). Sulle piastra sono sistemati i sensori di temperatura e di pressione. Il sensore di pressione è un ponte resistivo con 4 resistenze strain gauge, cioè che cambiano il loro valore in base alla deformazione subita a causa della pressione; si alimenta il ponte con una tensione stabilizzata, si misura la differenza di potenziale ai capi del ponte e si ottiene così una tensione proporzionale alla pressione. Il sensore di temperatura è un sottilissimo filo di platino che cambia linearmente la sua resistenza in funzione della temperatura, (si chiama PT100 perchè a 0 gradi centigradi la sua resistenza è 100 ohm). Si alimenta la resistenza con una tensione stabilizzata e si misura la caduta di potenziale ai capi del PT100. I collegamenti elettrici del misuratore di temperatura, di pressione e di volume vengono raccolti su una piastrina ed inviati alla parte elettronica che fornirà la tensione stabilizzata (maggiore è la stabilizzazione della tensione in ingresso, minori sono le fluttuazioni, quindi minore è l'errore di misura) per misurare la tensione ai capi della resistenza che rivela la variazione di lunghezza, la tensione ai capi del PT100 e la tensione ai capi del sensore che rivela le variazioni di pressione. Sulla facciata inferiore della piastra si notano due aperture, la più grande è il collegamento con il cilindro che contiene il pistone, quella più piccola è l'ingresso del sensore di pressione; si nota anche il connettore da vuoto BNC (Byonet Neil Concelman) cui è saldato - 2 -

3 il sensore di temperatura (PT100). Sulla parte superiore esterna è sistemato il sensore di pressione (freccia rossa) e l'uscita del connettore del PT100, inoltre c è una piastrina di raccolta cavi elettrici che collegano i tre sensori, per essere poter essere inviati con un unico cavo multiplo alla scatola che contiene l'elettronica. La camera inferiore del sistema in ottone ha dimensioni 11 cm diametro e 5 cm altezza. Nell apparato in PVC la camera inferiore ha le dimensione: 7 cm diametro e 6 cm altezza. Lungo un diametro si trovano due rubinetti e due valvole, una per l'ingresso del gas e una per l'uscita (notare la freccia di ingresso o di uscita); questi vengono usati per cambiare il gas oppure per immettere aria secca. Infatti per poter cambiare gas oppure per avere aria quasi priva di umidità, bisogna fare entrare gas asciutto (o altro gas) e poi farlo uscire dal secondo rubinetto per varie volte (si dice che si fa un lavaggio). {Lo scopo di questa operazione è quello di diluire al massimo il gas residuo, oppure diluire al massimo l'umidità dell'aria all'interno del nostro apparato, in modo tale che all'interno dell'apparato ci sia solo aria senza umidità oppure gas voluto (es. argon)} Ortogonalmente è sistemata un'altra apertura con un tappo a vite a tenuta: servirà per inserirci un altro dispositivo, (es. misuratore di pressione o di temperatura allo scopo di tarare i sensore dell apparato) L uso verrà spiegato meglio nella sezione della taratura. L'apparato per la trasformazione adiabatica è basato sugli stessi principi già e descritti per l'apparato per la trasformazione isoterma. Si vedono la cremagliera, pignone e collegamento con il potenziometro per la rivelazione della posizione. Nella parte inferiore della piastra di base sono sistemati i due sensori di pressione e di temperatura. Sulla parte inferiore del corpo si vedono le aperture per connettere l'interno con il sensore di pressione, l'apertura per il pistone e il PT100. Sulla parte superiore si vede la piastrina di raccolta dei fili elettrici provenienti dai sensori e che andranno alla sezione elettronica, il misuratore di pressione (freccia rossa) e i 2 connettori a tenuta che collegano il PT100 con l'esterno. Non potendo mettere un connettore BNC da vuoto a causa dello spessore della piastra è - 3 -

4 stata realizzata una soluzione diversa: sono state messe due viti metalliche con due O-ring per la tenuta della pressione, il PT100 è stato saldato internamente a queste due viti e si è realizzato così un passante elettrico con tenuta della pressione. La camera inferiore, simile a quella dell'apparato precedente, è fornita di due rubinetti con valvole che serviranno per cambiare il gas da usare. Si nota anche la terza apertura con accanto il tappo fornito di O-ring per la tenuta, la funzione di questa terza apertura sarà chiarito in seguito. La parte elettronica è sistemata in una scatola metallica con connettori dove entrano ed escono i cavi comunicanti con i sensori. L'elettronica fornisce un riferimento di precisione molto stabile per la tensione che alimenta i sensori di lunghezza, pressione e temperatura. La differenza di potenziale ai capi di ogni sensore viene normalizzata a 0-10 volt tramite amplificatori differenziali. Il segnale così trattato viene inviato alla scheda di acquisizione per poterlo analizzare sul computer. La scheda di acquisizione è una NATIONAL INSTRUMENTS 9161 USB. Il software utilizzato è LabView della National Instruments. Ogni scatola ha un una etichetta identificativa poiché sensori e loro elettronica non sono identici ed è perciò necessario accoppiare ogni apparato alla elettronica tarata per lui. Chiameremo sistema di misura, d'ora in avanti, la coppia pompa+elettronica tarata. Per poter ottenere risultati attendibili è necessario togliere l umidità dal gas usato. Per questo lo faremo passare attraverso un gel di silice (forma porosa e granulare di biossido di silicio, SiO2 con straordinarie proprietà assorbenti (disidratante)). Il gel di silice è contenuto in un cilindro che viene connesso attraverso un tubo al rubinetto di ingresso dell apparato. Il pistone in aspirazione riceve aria secca, in compressione scarica la miscela dal secondo rubinetto. Riempiendo e vuotando il cilindro per più volte (lavaggio) siamo sicuri che il gas interno è secco, o per lo meno che la concentrazione di molecole di acqua disciolte nel gas è estremamente bassa, quindi ininfluente per la buona riuscita dell esperimento. I rubinetti alle estremità del contenitore servono a tenere isolato il gel di silice dall umidità atmosferica e devono essere sempre chiusi altrimenti il gel degrada, {per ripristinare la sua funzione disidratante è necessario mettere i cristalli di gel in forno - 4 -

5 ad oltre 100 gradi centigradi per espellere l umidità`assorbita)}. Abbiamo visto che nella base è stata fatta una apertura normalmente chiusa da un tappo a tenuta; vediamo, adesso, a che cosa serve. Levando il tappo di tenuta possiamo inserire nel foro varie strumentazioni per poter eseguire la taratura dei sensori (pressione o temperatura): la taratura deve essere fatta per il complesso sensore-elettronica, cioè dobbiamo tarare il sistema per poter trasformare la tensione misurata in una unità di misura adatta alla variabile studiata (gradi Kelvin per la temperatura o Pascal per la pressione). Le parti elettroniche delle varie copie degli apparati non sono tutte perfettamente uguali, per cui è stato messa una etichetta sia all apparato che alla parte elettronica, Per poter ottenere una curva tensione-pressione o tensionetemperatura è necessario misurare la pressione o la temperatura direttamente all interno dell apparato. Per fare questa misura consideriamo la terza apertura della base, togliamo il tappo e inseriamo un dispositivo che possa connettere la base con il misuratore di pressione esterno già tarato. Ad ogni variazione della posizione del pistone, l elettronica acquisisce il dato di tensione dato dal sensore, il pressometro fornisce il valore della pressione in quel momento. Il misuratore della pressione è pressometro differenziale DIGITRON 2002P che dà la pressione interna con riferimento alla pressione esterna; sarà necessario, quindi, conoscere la pressione atmosferica, che verrà misurata con un barometro a mercurio di tipo Fortin. Bisogna fare attenzione alle unità di misura della pressione (il misuratore è in millibar mentre il Fortin in millimetri di mercurio) ed esprimerle tutte in Pascal. Per misurare la temperatura interna del gas e procedere alla taratura del complesso PT100+elettronica è stato progettato un tappo a tenuta che porta sulla punta un altro PT100, che verrà inserito nella apertura. La geometria del dispositivo è tale che i due PT100 sono molto vicini, in modo da leggere la stessa temperatura del gas e ridurre gli errori sistematici. Il PT100 di prova è letto da uno strumento tarato che fornisce la temperatura direttamente in gradi Celsius. Al variare della temperatura il software opportunamente programmato acquisice la tensione del PT100 interno e la temperatura del sensore di prova. Si ottiene, così, una curva tensione-temperatura, curva di taratura per poter trasformare - 5 -

6 le tensioni in gradi centigradi e quindi in gradi Kelvin. Come facciamo cambiar la temperatura? E stato progettato un riscaldatore sul quale si posiziona l apparato metallico. Il riscaldatore è alimentato in corrente alternata con tensione variabile data da un VARIAC (trasformatore variabile da zero a 220 Volt). All aumentare della tensione aumenta la temperatura riscaldando il gas contenuto all interno. Due parole di commento per l apparato per la trasformazione adiabatica,che è in PVC (Polivilcloruro) e non si può riscaldare direttamente. Poichè lo scopo è quello di tarare la componente elettronica, è stato usato, per riscaldare il gas, l apparato metallico ed è stata usata la parte elettronica propria dell apparato per la trasformazione adiabatica