TERMOPARA

Termopara to złącze dwóch różnych metali, na którym

powstaje napięcie o niewielkiej wartości - najczęściej

w zakresie miliwoltów - i współczynniku

temperaturowym rzędu 50 µV/°C.

Za pomocą termopar można mierzyć temperaturę od -

270°C do +2700°C z błędem w zakresie 0,5 - 2°C.

TERMOPARA – JAK TO DZIAŁA?

Wartość mierzonego napięcia zależy od temperatury złączy termoelektrycznych jest ona w przybliżeniu proporcjonalna do różnicy temperatur obu złącz.

Złącze odniesienia umieszcza się w stałej temperaturze i na ogół jest to 0°C. Wykorzystuje się do tego kąpiele lodowe lub niewielkie pudełka ze stałą temperaturą wnętrza.

TERMOPARA - JAK TO DZIAŁA?

Zasada działania termopary opiera się na zjawisku

Seebecka, które polega na powstaniu siły

elektromotorycznej i przepływie prądu elektrycznego w

miejscu styku dwóch metali w zamkniętym obwodzie

termoelektrycznym.

T1 T0

VMetal 1

Metal 2Tx T0

Miedź

Konstantan

.

V

Termoogniwo. Termopara.

TERMOPARA - JAK TO DZIAŁA? Jeśli próbkę nagrzać nierównomiernie,

to – na skutek różnicy energii i koncentracji nośników ładunku –zacznie się ich ukierunkowany ruch.

Jeżeli końce próbki znajdują się w temperaturze T1<T2, to na końcu próbki o temperaturze T2 będzie występowała większa koncentracja nośników ładunku, będą one również miały większą energię. W efekcie wystąpi ich dyfuzja w kierunku zimniejszego końca (T1).

Przepływ prądu dyfuzji prowadzi do pojawienia się rozkładu potencjału oraz wystąpienia prądu unoszenia. W warunkach równowagi obie składowe prądu są sobie równe i na zewnątrz obserwuje się tylko różnicę potencjałów między punktami o różnej temperaturze.

ZALETY TERMOPAR:

prostota i niskie

koszty wykonania,

brak zewnętrznego

zasilania,

niewielkie rozmiary

urządzenia ,

duża niezawodność.

PIROMETR

Pirometry stosuje się w metodzie bezdotykowego

pomiaru temperatury. W metodach tych

wykorzystuje się długość fal od 0,4µm do 20 µm

co odpowiada promieniowaniu widzialnemu oraz

podczerwieni. Jeśli na drodze promieniowania

znajduje się materiał to zachodzą w nim zjawiska :

Absorpcji, polegającej na pochłanianiu energii i

zamianie jej na ciepło powodujące podwyższenie

temperatury ciała.

PIROMETR

Refleksji - polegającej na odbiciu promieniowania od powierzchni oraz od struktur wewnętrznych ciała, w taki sposób że promieniowanie zmienia swój kierunek i rozprasza się w otoczeniu. Pirometr dzięki swej budowie może mierzyć temperaturę bez względu na stan skupienia badanego ciała, zaletą jest mały błąd pomiaru oraz pomiary wysokich temperatur.

Przenikania - kiedy promieniowanie przechodzi przez ciało nie zmieniając kierunku.

SCHEMAT PROSTEGO PIROMETRU OPTYCZNEGO

Za pomocą pirometru można

oszacować temperaturę

przez porównanie jasności

świecenia w pewnym

zakresie widmowym

(obserwowanego przez filtr

lub przydymione szkło)

mierzonego ciała i

wyskalowanej żarówki.

PIROMETR:

CIECZE KRIOGENICZNE I ZASADY

BEZPIECZNEGO ICH UŻYTKOWANIA

CIECZE KRIOGENICZNE

ciekły azot

ciekły tlen

ciekły wodór

ciekły hel

Ciecze kriogeniczne są najprostszym środkiem

do uzyskania niskich temperatur

Wszystkie metody chłodzenia poniżej 10 K

wykorzystują ciekły hel

CIEKŁY AZOT

Podstawowa ciecz w kriogenice

Główny składnik atmosfery – 78,09% obj. i 75,5% wagowo

Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie

powietrza:

sprężanie - oczyszczanie -chłodzenie (wymiennik

ciepła) - rozdzielenie na poszczególne składniki

(kolumna rektyfikacyjna) - destylacja (kolumna

niskociśnieniowa)

Zastosowanie - zamrażanie żywności, obróbka metali, przechowywanie materiału biologicznego,

rozdrabnianie tworzyw sztucznych

CIEKŁY AZOT - WŁAŚCIWOŚCI

bezbarwny

bez zapachu

bez smaku

niepalny

obojętny chemicznie

CIEKŁY AZOT - WŁAŚCIWOŚCI

temperatura wrzenia 77,2 K (-195,8 °C )

temperatura topnienia 63,2 K (-210,0 °C )

temperatura krytyczna 126,2 K (-118,56 °C )

ciśnienie krytyczne 34,0 bar

gęstość gazu 1,2506 g/l

gęstość cieczy 0,808 kg/l

współczynnik ekspansji 696

CIEKŁY TLEN

Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie

powietrza

Skroplony w 1883 r. – Olszewski i Wróblewski

Zastosowanie – m.in. paliwo rakietowe, obecnie

nie stosuje się do chłodzenia – bardzo

reaktywny

Temperatura wrzenia wyższa niż temp. Wrzenia

azotu – wzbogacanie ciekłego powietrza w tlen

CIEKŁY TLEN - WŁAŚCIWOŚCI

bez zapachu

bez smaku

Paramagnetyczny

bezbarwny – gaz

niebieski kolor cieczy związany z budową

cząsteczki – zawiera dwa niesparowane

elektrony

CIEKŁY TLEN - WŁAŚCIWOŚCI

temperatura wrzenia - 90,1 K (-182,97 °C )

temperatura topnienia - 54,75 K (-218,40 °C )

temperatura krytyczna - 154,6 K (-118,56 °C )

ciśnienie krytyczne - 50,4 bar

gęstość gazu - 1,429 g/l

gęstość cieczy - 1,14 kg/l

współczynnik ekspansji - 853

CIEKŁY WODÓR

Najpowszechniej występujący pierwiastek we

Wszechświecie

Na Ziemi - w stanie wolnym w górnych warstwach

atmosfery (0,9%),w stanie związanym w wodzie

Izotopy:

stabilne: wodór H, deuter D (ok. 6400:1)

niestabilny: tryt T

Najlżejszy – gęstość w każdym stanie skupienia

mniejsza niż innych substancji

CIEKŁY WODÓR

Wytwarzanie:

z gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie

naftowej - konwersja katalityczna w obecności pary

wodnej

CH4 + 2H2O → CO + 3H2 + Q1

CO + H2O → CO2 + H2 + Q2

Q1, Q2 – ciepło wydzielone w reakcjach

elektroliza wody

2H2O → 2H2 +O2

CIEKŁY WODÓR - SKRAPLANIE

temperatura krytyczna ok. 200 K – przy

chłodzeniu metodą Joule’a-Thomsona należy

schłodzić do ok. 120 K

oczyszczenie z innych gazów, szczególnie tlenu

po skropleniu uniemożliwić kontakt z

powietrzem lub tlenem – możliwy wybuch.

CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI

Bezbarwny

bez zapachu

bez smaku

Palny

nietoksyczny

CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI

temperatura wrzenia 20,3 K (-252,8 °C )

temperatura topnienia 14 K (-259,2 °C )

temperatura krytyczna 33,2 K (-240,0 °C )

ciśnienie krytyczne 13,2 bar

gęstość gazu 0,084 g/l

gęstość cieczy 0,071 kg/l

współczynnik ekspansji 845

CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI

Wodór gazowy – 75% ortowodoru (spiny

protonów zgodne), 25% parawodoru (spiny

protonów przeciwne) w temp. 300 K

Koncentracja równowagowa tych dwóch

składników zależy od temperatury – ze

spadkiem temperatury wzrasta koncentracja

parawodoru

W cieczy (20,4 K) jest 99,8% parawodoru

CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI

Bezpośrednio po skropleniu – 25% parawodoru

Zmiana stężenia parawodoru w czasie:

Xp = (0,25 + 0,00855*t)/(1 + 0,00855*t)

po 100 godzinach ok. 0,595 parawodoru

po 1000 godzinach ok. 0,92

CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI

Przemianie orto-para towarzyszy wydzielanie ciepła – w ciekłym wodorze występuje parowanie wywołane konwersją.

Straty cieczy: ok. 18% po 24 h i ponad 40% po 100h

Konwersja wodoru w trakcie skraplania –katalizatory, np. węgiel aktywowany, tlenki metali

Parawodór ulega rekonwersji w temp. ok. 1000 °C w obecności katalizatora

Konwersja orto-para wodoru zawartego w metalach w ultraniskich temperaturach

CIEKŁY WODÓR - ZASTOSOWANIA

Paliwo rakietowe

Ogniwa paliwowe – w reakcji z tlenem powstaje woda

Produkcja metanolu, amoniaku, nawozów sztucznych, polimerów

Przemysł spożywczy – utwardzanie tłuszczów (produkcja margaryny)

Metalurgia – redukcja rud metali, atmosfera ochronna przy spawaniu

CIEKŁY HEL

Najlepiej przebadana ciecz oprócz wody

1868 – odkrycie helu w widmie Słońca przez Pierra Jansena

20 października 1868 r. Norman Lockyerzaobserwował tę samą żółtą linię w widmie Słońca

1895 – odkrycie helu na ziemi (William Ramsey)

10 lipca 1908 – skroplenie helu (H. KamerlinghOnnes)

1947 – pierwsza komercyjna skraplarka helowa (Collins) – rozwój badań niskotemperaturowych

CIEKŁY HEL

Obecnie uzyskiwany wyłącznie z gazu ziemnego

Dwa stałe izotopy: 4He i 3He

3He: 1-2·10-7 He z gazu ziemnego i ok. 1,3·10-6 He w atmosferze

Zawartość He w powietrzu: 0,724·10-4 % wag., 5,239·10-4 % obj.

3He uzyskuje się w reakcjach jądrowych jako produkt uboczny

wytwarzania trytu

CIEKŁY HEL – WYKRES FAZOWY

CIEKŁY HEL – WYKRES FAZOWY

WYBRANE WŁASNOŚCI GAZÓW

KRIOGENICZNYCH

M – masa cząsteczkowa, TN – normalna temperatura wrzenia przy p=1bar, ΔHv – ciepło

parowania, ρ - gęstość, V-objętość, TC – temperatura krytyczna, PC – ciśnienie krytyczne

Indeksy: 1-ciecz w TN, 2-gaz w TN, 3-gaz przy 1 bar i 273 K, c – w punkcie krytycznym,

ZASADY BEZPIECZEŃSTWA PRZY

PRACY Z CIECZAMI KRIOGENICZNYMI

CIECZE KRIOGENICZNE – BHP

Zagrożenia związane z cieczami kriogenicznymi

Bardzo niska temperatura cieczy i par

Bardzo duży współczynnik ekspansji

Zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu

Zagrożenie pożarowe

BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I

PAR

Szybkie i głębokie odmrożenia podobne do oparzeń

Szczególnie narażone delikatne tkanki

Niebezpieczne zimne pary

Odzież: osłonięte całe ciało

niezbyt obcisła – możliwość szybkiego zdjęcia

spodnie bez mankietów i otwartych kieszeni

buty z cholewami nie są zalecane – nogawki na zewnątrz

w razie potrzeby osłona na twarz

BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I

PAR

Niebezpieczny kontakt z zimnymi przedmiotami

(szczególnie metale)

przymarznięcie do ciała

nie nosić biżuterii

Rękawice odpowiednio luźne – specjalne

kriogeniczne lub skórzane

ruchość materiałów

BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I

PAR. PIERWSZA POMOC

Odmrożonego miejsca nie ogrzewać gwałtownie

Nie trzeć

Nie ogrzewać na sucho, zamrożony obszar

umieścić w wodzie o temperaturze ok. 40°C

Wezwać lekarza

Dłuższe przebywanie w zimnych parach może

doprowadzić do wychłodzenia całego organizmu

– również ogrzewać powoli

BHP. WSPÓŁCZYNNIK EKSPANSJI

Z jednego litra cieczy kriogenicznej powstaje

kilkaset litrów gazu

Ciecze kriogeniczne nie mogą być

przechowywane w szczelnie zamkniętych

naczyniach – niebezpieczeństwo rozerwania

Zbiorniki ciśnieniowe – zwykle dwa zawory

bezpieczeństwa

Zbiorniki otwarte – luźno dopasowany korek

BHP. ZMNIEJSZENIE ZAWARTOŚCI TLENU W

POWIETRZU

Gazy z cieczy kriogenicznych:

Bezbarwne

bez zapachu

bez smaku

brak oznak, że dany gaz jest w powietrzu

Nie są toksyczne ale ich obecność zmniejsza zawartość tlenu – należy zapewnić odpowiednią wentylację

Minimalna zawartość tlenu w powietrzu – 19,5%

Przy zawartości tlenu poniżej 15%– może nastąpić uduszenie