METALLERİN ISISAL VE ELEKTRİKSEL İLETKENLİĞİ

Transkript

1 METALLERİN ISISAL VE ELEKTRİKSEL İLETKENLİĞİ Amaç 1. İlk sıcaklığı 0 o C olan kalorimetre kabındaki sıcaklık artışına, çevre sıcaklığının ve devir pompasının etkisinin, zaman bağlı ölçümü. 2. Metal çubukların ısı kapasitesinin ölçümü. Teori Eğer cisimlerin iki farklı bölgesinde sıcaklık farkı varsa, bu bölgeler arasında ısı iletimi olur. Bu deneyde bir boyutlu, ısı farkı olan metal çubuk kullanılacaktır. Küçük zaman diliminde (), iletilen ısı miktarı (dϼ), isim kesitinin (A) ve yüzeye dik sıcaklık değişiminin ( T x ) fonksiyonu olarak yazılabilir. dq = λ. A T x Burada λ numunenin ısı iletkenlik katsayısıdır. Genellikle cisimdeki ısı dağılımı Boltzmann denklemi ile uyumlu olarak, koordinata ve zamana bağlıdır. T t = λ 2 T p. c x 2 Burada ρ yoğunluk ve c numunenin öz ısısıdır. Eğer numunenin iki ucu arasındaki uzaklık (l) sırasıyla T 1 ve T 2 sabit sıcaklıklarında iki sıvı kabı ile korunursa, belli bir zaman sonra denge durumuna ulaşır. T t = 0

2 Denklem (3) kullanılarak Denklem (2) aşağıdaki gibi elde edilir. T(x) = T 2 T 1 x + T 1 1 T dq 1 T 2 l Şekil 1: Sistemin ısı akı şeması Kalorimetre kanalının içerisindeki soğuk suyun ΔT kadar sıcaklık artışı, devir pompası ve çevre tarafından sağlanana enerjinin hesaplanmasını sağlar. Q = (c w m w + C) T burada T = T T 0 ve T 0, t=0 anındaki sıcaklıktır. Denklem (1) kullanılarak metal çubuktan geçen ısının hesaplanabilmesi için çevre sıcaklık değişimi çıkartılmalıdır. dq rod = dq tot dq emv Isısal iletkenlik değeri λ, değişik zamanlarda ölçülen değerler, Δx ve A=4.9 cm 2 değerleri kullanılarak hesaplanır. Alüminyum ve Bakır için ortalama ısısal iletkenlik değerlerini hesaplayınız.

3 Deneyin yapılışı: 1. Deney setinde (şekil 1.a) gösterilen kalorimetrelerden bir tanesinin (deney setinde aşağıdaki) ısı kapasitesinin ölçülmesi: Oda sıcaklığında kalorimetre kabını tartınız. m kap(kg) Oda sıcaklıını ve kullanılacak (ısıtılmış) suyun sıcaklığını ölçünüz. θ R ( 0 C) θ W ( 0 C) Sıcak su ile kalorimetreyi doldurduktan sonra, kalorimetredeki (mixing) sıcaklığı ölçünüz. θ M ( 0 C) Kullanılan su miktarını hesaplamak için kalorimetreyi tekrar tartınız. m kap+m w(kg) m w(kg) Kalorimetrenin ısı kapasitesini hesaplayınız. 2. Çevre sıcaklığının kalorimetre içindeki (başlangıçta ~0 0 C deki) suyun sıcaklığına etkisi (zamanın fonksiyonu olarak): Kalorimetre içindeki ~0 0 C deki buzsuz suyun 30 dakika boyunca sıcaklığı ölçülerek (Tablo 1) suyun ısınmasında çevre ısısının etkisi hesaplanır. Tablo t (dak.) T ( 0 C)

4 Isısal iletkenliğin hesaplanması: Şekil 1.a da gösterilen deney setini kurunuz. Deney setinde gösterilen (deney setinde aşağıdaki) kalorimetreyi boş tartınız. Metal çubuğun izole edilmiş ucunu diğer kalorimetre kabına (deney setinde yukarıdaki) geçiriniz. Isı akışını taşımak için metal çubuğun ucunu ısı-iletkenlik macunu ile kaplayınız. Metal çubuğu, alt ucu kalorimetrenin içinde olacak şekilde taşıyıcı sisteme tutturunuz. Aşağıdaki kalorimetrenin yüksekliği destekleyici blok yardımı ile değiştirilebilir. Bu yapılırken çubuğun izole edilmemiş ucunun deney süresi boyunca soğuk suyun içinde tamamen batırıldığından emin olunmalıdır. Yüzey sıcaklık probu çubuğa mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir.

5 Çubuk üzerinde bulunan en dıştaki çentikler (aralarındaki mesafe 31.5 cm) çubuktaki sıcaklık farkını ölçmek için kullanılır. Yüzey sıcaklık probu ve çubuk arasındaki ısı akışını taşımak için ısı-iletkenlik macunu kullanınız. Daldırma bir ısıtıcı kullanarak bağlı olarak sıcaklıktaki düşmeyi engellemek üzere yukarıdaki kalorimetreyi iyice doldurunuz. Tekrar su doldurulmasına bağlı olarak sıcaklıktaki düşmeyi engellemek üzere yukarıdaki kalorimetreyi iyice doldurunuz. Aşağıdaki kalorimetrenin içindeki suyu buz yardımı (tül kese içinde) ile 0 0 C de tutunuz. Sıcaklık ölçüm cihazının ayarları: - Ölçüm cihazının ilk ekranı alt kalorimetrenin sıcaklığını ve - İkincisi ise üst ve alt yüzey probları arasındaki diferansiyel ölçümü gösterir. Üst ve alt yüzey probları arasında sabit bir sıcaklık gradyenti sağlandığında (diferansiyel ölçüm boyunca değişim olmadığında), ölçüme başlanabilir. Ölçüme başlanmadan önce aşağıdaki kalorimetreden buzu çıkarınız. Yaklaşık 5 dakika boyunca aşağıdaki kalorimetredeki suyun sıcak sıcaklığını ve diferansiyel sıcaklıktaki değişimi ölçünüz ve Tablo 2 ye kaydediniz. Su doldurulmuş kalorimetreyi tartınız ve suyun kütlesini hesaplayınız. Farklı metallerin ısısal iletkenliği ölçüm sonuçlarından hesaplanabilir. Tablo 2 t (dak.) T ( 0 C) Q ( 0 C) 4. Elektriksel iletkenliğin ölçülmesi: Şekil 1.b ve şekil 2 de gösterilen deney setini kurunuz (dört kontak ölçüm yöntemi). Gerilimi değişken transformatörde 6 volt a ayarlayınız. Amplifikatör gerilim uygulanmadığı durumda sıfıra ayarlanmalıdır.

6 Amplifikatör ayarlarını aşağıdaki gibi seçiniz: - Giriş (input): Low drift - Amplifikasyon (amplification): Zaman sabiti (time constant): 0 Reostayı maksimum değerine ayarlayınız ve deney boyunca değerini yavaşça düşürünüz. Akım ve gerilim değerlerini okuyunuz ve kaydediniz (Tablo 3 bakır için-tablo 4 alüminyum için). Direnç (ve buna bağlı olarak iletkenlik) ölçüm değerlerinden hesaplanabilir. A Al/Cu V Şekil 2: