Esperienza 15: taratura. della termocoppia. Laboratorio di Fisica 1 (II Modulo) A. Baraldi, M. Riccò. Università di Parma. a.a.

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1 Esperienza 15: taratura Università di Parma della termocoppia a.a. 2011/2012 Laboratorio di Fisica 1 (II Modulo) A. Baraldi, M. Riccò Copyright M.Solzi

2 Obiettivi dell esperienza Scopo dell'esperienza è quello di determinare la curva di calibrazione di una termocoppia curva che descrive la relazione tra la forza elettromotrice (f.e.m.) presente ai capi della termocoppia e la temperatura a cui essa si trova o meglio la differenza di temperatura tra le due giunzioni della termocoppia Nota la curva di taratura la termocoppia può essere utilizzata come termometro per la misura di temperature incognite 2

3 La termocoppia Una termocoppia è un conduttore formato da due metalli differenti (p.es. Cu e Ni) in cui siano presenti due giunzioni Quando le due giunzioni J 1 e J 2 si trovano a temperature differenti ai capi della termocoppia si crea una f.e.m. il cui valore dipende dalle temperature delle due giunzioni Il fenomeno fisico che dà origine alla f.e.m. si chiama effetto Seebeck 3

4 Effetto Seebeck L effetto Seebeck è descritto da tre leggi fondamentali: 1) la f.e.m. che si crea ai capi di una termocoppia dipende esclusivamente dalle temperature delle due giunzioni; 2) qualsiasi metallo inserito lungo un circuito termoelettrico non influenza la f.e.m. risultante se gli estremi di questo metallo sono alla stessa temperatura; 3) se i due conduttori omogenei producono una f.e.m. E quando le due giunzioni sono alle temperature T 1 e T 3, e una f.e.m. F quando sono alle temperature T 2 e T 3, allora - quando le giunzioni sono alle temperature T 1 e T 2 - la f.e.m. prodotta è (E F) 4

5 Taratura della termocoppia Si effettua tenendo una giunzione (p.es. J 1 ) a temperatura fissa T 1 (la temperatura ambiente o una temperatura di riferimento facilmente riproducibile come quella del ghiaccio fondente) e misurando poi la f.e.m della seconda giunzione J 2 al variare della temperatura T 2 Volendo tarare la termocoppia su un determinato intervallo di temperature si scelgono un certo numero di punti fissi (cioè valori noti di temperatura, facilmente riproducibili) possibilmente equi-spaziati in tale intervallo e per questi si misura la f.e.m. prodotta 5

6 Punti fissi Si interpolano quindi i dati sperimentali per ottenere la funzione: f.e.m = f (T 2 ). I punti fissi generalmente utilizzati sono i punti di fusione o di evaporazione di un elemento o composto chimico: punti fissi riproducibili (le temperature di fusione o evaporazione di un elemento o di un composto chimico puro sono fisse cioè non variano p.es. con le condizioni ambientali) consentono di produrre condizioni di temperatura costante per un intervallo di tempo controllabile (durante il passaggio di stato la temperatura rimane costante) 6

7 Punti fissi da riprodurre Elenco di punti fissi materiale Transizione di fase T ( C) Azoto (L) Ebollizione Mercurio (Hg) Fusione Acqua (S: ghiaccio) Fusione 0 Gallio (Ga) Fusione 29.8 Acqua (L) Ebollizione 100 Indio (In) Fusione Termocoppia utilizzata: Chromel-Alumel (tipo K) 7

8 Esecuzione dell esperienza: procedura per azoto e mercurio 1) si immerge la giunzione in azoto liquido leggendo la f.e.m. prodotta 2) si immerge la giunzione in una provetta contenente il mercurio liquido 3) si mette la provetta nell'azoto liquido finché il mercurio non si sia solidificato 4) si estrae quindi la provetta e si legge la f.e.m. quando il mercurio inizia a fondersi 8

9 Esecuzione dell esperienza: procedura per acqua e Gallio Acqua (S): si prepara una miscela di acqua e ghiaccio e si effettua la misura (dopo avere mescolato un po') quando il ghiaccio inizia a fondersi; Gallio: Si pone la provetta contenente Ga solido a scaldare a bagnomaria in un pentolino contenente acqua Acqua (L): si pone un becher contenente acqua distillata a bollire sopra un fornelletto e si misura la f.e.m. NOTA: Per il Gallio: fenomeno del sotto-raffreddamento che si può evidenziare togliendo la provetta dal pentolino con acqua calda e lasciandolo raffreddare 9

10 Esecuzione dell esperienza: procedura per Indio Indio: si pone il crogiolo contenente In sopra il fornelletto attendendo che l In fonda: una volta che sia completamente fuso si toglie il crogiolo dal fornetto e vi si immerge la termocoppia attendendo che inizi la solidificazione 10

11 Risultato della taratura Le coppie di punti così ottenute vengono riportate in grafico rappresentando la f.e.m in funzione della temperatura nota dei punti fissi Occorre valutare l'errore commesso nella lettura della f.e.m. corrispondente alla transizione di fase e individuarne la causa principale. Interpolare i punti con una linea retta e con un polinomio di secondo o terzo grado La curva interpolante i punti sperimentali è la curva caratteristica della termocoppia e può essere utilizzata per ricavare una T incognita (ad es. quella della stanza) una volta misurata la f.e.m. corrispondente 11

12 Note La curva di raffreddamento o riscaldamento (temperatura verso tempo) di una sostanza presenta - in corrispondenza del passaggio di stato tra due fasi un plateau durante il quale la temperatura è costante La lettura della f.e.m deve dunque avvenire in corrispondenza di tale plateau Per accertarsene provare a costruire il grafico della f.e.m. verso il tempo effettuando la lettura della f.e.m. a intervalli regolari di tempo Si possono però creare gradienti termici per esempio per effetto della diversa temperatura delle pareti del recipiente: può essere utile muovere la termocoppia e ripetere la lettura della f.e.m. più volte 12