3B Scientific Heat Equivalent Apparatus User Manual

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3B SCIENTIFIC®

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U10365 Wärmeäquivalentgerät

U10366 Kupferzylinder

Bedienungsanleitung

9/04 MH

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

®

1

2

56897blbm

Fig.1: Komponenten

Mit dem Wärmeäquivalentgerät kann mechanische Arbeit (Nm) und elektrische Energie (Ws) in Wärme (J) umgewandelt werden. Die Auswertung zeigt die Äquivalenz aller drei Energieformen.

1. Sicherheitshinweise

• Verletzungsgefahr! Das an der Reibschnur 8 be-

festigte Gewicht (ca. 5 kg) kann beim Herabfallen Personen verletzen. Es sollte zur Befestigung auf dem Boden stehen und während der Versuche max. ca. 10 cm angehoben werden.

• Verbrennungsgefahr! Während der Versuche wird

der Reibzylinder (3/ 9) erwärmt. Es ist darauf zu achten, dass die Temperatur nicht über ca. 40 °C ansteigt. Der maximal zulässige Strom im Heizelement beträgt 3 A und darf nicht überschritten werden.

• Stromschlaggefahr! Die maximale Ausgangs-Span-

nung des verwendeten Netzgerätes bei der elektrischen Beheizung darf 40 V nicht überschreiten.

2. Beschreibung, technische Daten

Mit dem Wärmeäquivalentgerät kann die Äquivalenz von mechanischer Reibungsarbeit (Nm), elektrischer Energie (Ws) und Wärme (J) gezeigt werden. Die in Nm

34

1 Träger mit Tabelle zur Umrechnung:

Widerstand → Temperatur

2 Zählwerk 3 Kupferzylinder (U10366) 4 Elektrisches Heizelement 5 Handkurbel 6 Tischklemme 7 Rändelschraube 8 Reibschnur mit Gegengewicht (nicht sichtbar) 9 Aluminiumzylinder bl Temperaturfühler bm Adapterkabel bn Eimer, 5  (nicht sichtbar)

bzw. Ws ermittelten Werte stimmen auf etwa 2% überein. Wird diese Äquivalenz vorausgesetzt, kann die spezifische Wärmekapazität von Aluminium bzw. Kupfer bestimmt werden. Durch die stabile Konstruktion mit einem eingebauten Umdrehungszählwerk und einer doppelt kugelgelagerten Welle sind die Versuche so einfach wie möglich durchführbar. Zur Temperaturmessung kommt ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) zum Einsatz, der sicher in einer Aluminiumhülse untergebracht ist. Die Aluminiumhülse schnappt in die Reibzylinder ein, wodurch sie nicht unbeabsichtigt herausrutschen kann.

Technische Daten der Reibzylinder (ca. Angaben): Durchmesser D: 48 mm Höhe: 50 mm Aluminiumzylinder: Masse mA = 250 g,

spezifische Wärmekapazität

cA = 0,86 kJ/kg K,

Kupferzylinder: mK = 750 g, cK = 0,41 kJ/kg K Elektrischer Anschluss: Buchsen mit 2 mm Durchmesser,

Pluspol „+“ isoliert, Minuspol „–“ an Masse, Verpolung führt nicht zur Zerstörung.

1

3. Bedienung und Wartung

• Das Wärmeäquivalentgerät wird mit der Tisch-

klemme an einer stabilen Arbeitsplatte befestigt. Dann wird die Reibschnur – wie in Fig. 1 gezeigt – 4,5 bis 5,5 mal um den Reibzylinder gelegt, wobei das Gegengewicht hinten und das lose Ende der Schnur vorne herunterhängen sollte.

• Als Gewicht kann der beiliegende Eimer, der mit

Wasser oder Sand etc. gefüllt wird (Gesamtmasse ca. 5 kg), verwendet werden. Das lose Ende der Reibschnur wird mit dem auf dem Boden stehenden Gewicht verbunden, wobei darauf zu achten ist, dass das Gegengewicht bei straffer Schnur nur etwa 5 cm Abstand vom Boden hat. Dadurch wird ein Anheben des Gewichtes während des Versuchs um mehr als ca. 10 cm verhindert.

• Wenn sich jetzt beim Kurbeln zeigt, dass die Schnur

nach rechts läuft und ggf. nicht in der Vertiefung bleibt, dann wird die Schnur so um den Reibzylinder gelegt, dass sich das Schnurende mit dem Gewicht rechts und das Schnurende mit dem Gegengewicht links befindet.

• Der Temperaturfühler wird mit einem Tropfen Öl

benetzt (wichtig!) und gemäß Fig. 1 in den gewähl- ten Reibzylinder gesteckt, bis er merklich einrastet und sich leicht drehen lässt (wird er zu weit oder nicht weit genug hineingeschoben dreht er sich nicht einwandfrei). Die beiden Anschlüsse des Temperaturfühlers werden mit einem Widerstandsmessgerät (Multimeter) verbunden, das im Bereich von 2 kΩ bis 9 kΩ mindestens über eine 3-stellige Anzeige verfügen sollte. Die Umrechnung des gemessenen Widerstands in die Temperatur kann entweder unter Verwendung der Tabelle auf der letzten Seite dieser Anleitung oder mit Hilfe folgender Gleichung erfolgen:

217

T

=−

151

0,13

R

(1)

hier ist R in kΩ einzusetzen, um T in °C zu erhalten. Diese Gleichung stimmt mit den Tabellenangaben des Herstellers von dem NTC-Widerstand im Bereich von 10 - 40 °C auf ± 0,05 °C überein.

• Vor einem Versuch sollte der Reibzylinder um ca.

5 - 10 °C unter Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Dazu kann er entweder in einen Kühlschrank oder in kaltes Wasser gestellt werden, wobei die Temperaturfühler-Bohrung nach oben zeigen muss und die Eintauchtiefe nur etwa 2/3 der Zylinderhöhe betragen darf (Tipp: wird der Reibzylinder in einer Plastiktüte ins Wasser gestellt, muss er nach der Abkühlung nicht abgetrocknet werden).

• Die Temperaturerhöhung während eines Versuchs

sollte solange erfolgen, bis die Reibzylinder-Temperatur ca. 5 - 10 °C über der Umgebungstemperatur liegt. Je genauer die Temperaturdifferenzen (jeweils gegen Umgebungstemperatur) bei der Abkühlung und Erwärmung übereinstimmen, desto geringer ist der Netto-Wärmeaustausch mit der Umgebung.

• Zur elektrischen Beheizung der Reibzylinder liegen

Adapterkabel bei, die auf der einen Seite Stecker mit 2 mm Durchmesser und auf der anderen Seite die üblichen Laborstecker mit 4 mm Durchmesser haben. Zur Stromversorgung sollte ein Netzteil mit regelbarer Spannungs- und Strombegrenzung zum Einsatz kommen, wobei die maximale Spannung des Netzteils 40 V nicht überschreiten darf. Der Pluspol des Netzgerätes wird mit der isolierten Buchse (an dem runden grauen Kunststoffplättchen unter der Buchse zu erkennen) und der Minuspol mit der anderen Buchse verbunden.

• Die Heizelemente an den Reibzylindern verhalten

sich nicht wie Ohmsche Widerstände! Ab ca. 10 V steigt der Strom schnell an, bis er bei ca. 12 V die maximal zulässige Stromstärke von 3 A erreicht. Zur Einstellung eines Betriebspunktes empfiehlt es sich, zunächst die Strombegrenzung auf 2 – 3 A einzustellen und dann die Spannung langsam bis auf ca. 11 V anzuheben, wobei der Strom auf ca. 1 A steigen sollte. Jetzt wird die Strombegrenzung nachgeregelt, bis ca. 0,8 A fließen. Diese Einstellungen werden jetzt nicht mehr verändert; bis zum Versuch wird der Strom einfach durch Abziehen der Kabel unterbrochen. Durch die aktive Strombegrenzung und die nicht Ohmsche Charakteristik bleiben Spannung und Strom trotz Temperaturänderung während eines Versuchs nahezu konstant.

• Wartung: Das Wärmeäquivalentgerät ist prinzipi-

ell wartungsfrei. Zur Reinigung kann es feucht (Wasser mit Spülmittel) abgewischt werden. Lösungsmittel sollten nicht verwendet werden. Auch das Eintauchen in Wasser ist zu vermeiden.

• Die Reibzylinder sollen metallisch blank sein. Falls

sich ein Belag gebildet haben sollte, kann dieser mit einem Metall-Putzmittel beseitigt werden.

• Die Reibschnur kann ggf. gewaschen werden. Als

kostengünstige Ersatzschnur kann geflochtenes Polyamidseil (z. B. Baumarkt) verwendet werden.

4. Versuchsdurchführung und Auswertung

4.1 Umwandlung mechanischer Arbeit in Wärme

4.1.1 Versuchsdurchführung

• Zuerst werden die verschiedenen Massen be-

stimmt: Hauptgewicht (z. B. Eimer mit Wasser) mH = 5,22 kg Gegengewicht (an Reibschnur) mG = 0,019 kg Aluminiumzylinder mA = 0,249 kg

• Weitere Größen, die vorab gemessen werden soll-

ten: Umgebungstemperatur TU = 23,2 °C Durchmesser des Zylinders an der Reibfläche

DR = 45,75 mm

• Nach der Abkühlung des Reibzylinders wird die-

ser an den Träger geschraubt, der Temperaturfühler eingesteckt und die Reibschnur um den Zylinder gelegt (vergl. Abschnitt 3). Nach ein paar Minuten, die zur homogenen Temperaturverteilung verstreichen sollten, beträgt der Wider-

2

stand des Temperaturfühlers R

= 8,00 kΩ (ent-

1

sprechend T1 = 14,60 °C nach Gl. 1).

• Nach Kontrolle der Nullstellung des Zählers wird

der Versuch gestartet, indem die Kurbel gedreht und dadurch das Hauptgewicht vom Boden abgehoben wird. Jetzt senkt sich das Gegengewicht auf den Boden, wodurch die Reibschnur leicht entspannt wird und etwas weniger auf dem Zylinder reibt. Das Hauptgewicht hält jetzt seine Höhe und sollte diese während des ganzen Versuchs beibehalten.

• Nach n = 460 Umdrehungen wird der Versuch

beendet und der Widerstandswert abgelesen:

R

= 3,99 kΩ (T

2

= 30,26 °C). Da die Temperatur

2

direkt nach Versuchsende noch kurz ansteigt (Homogenisierung der Temperaturverteilung), wird als Messwert der Minimalwert des Widerstandes notiert, der einige Sekunden nach Versuchsende erreicht ist. Danach steigt der Widerstand wieder an, da durch Wärmetausch mit der Umgebung die Temperatur des Zylinders fällt.

4.1.2 Versuchsauswertung

• Arbeit W ist definiert als das Produkt von Kraft F

und Weg s W = Fs (2)

• Bei der Reibung wirkt die Kraft

F = mA g (3) (g ist die Erdbeschleunigung) entlang des Weges s = F n π D

r

(4)

• Einsetzen der Gln. 3 und 4 in 2 liefert:

W = m

gn π D

A

= 5,22 x 9,81

R

x 460 x 3,1416 x 0,04575Nm = 3386Nm (5)

• Die im Reibzylinder gespeicherte Wärme ∆Q er-

gibt sich aus der der Temperaturdifferenz (T2– T1) und der in Abschnitt 2 angegebenen spezifischen Wärmekapazität zu:

∆Q = c

(T2– T1) = 0,86 x 0,249

A mA

x (30,26 – 14,60) kJ = 3353 J (6)

• In diesem Beispiel beträgt die Abweichung zwi-

schen mechanischer Arbeit und Wärme nur etwa

1%. Durch unvermeidbare Toleranzen in der Material-zusammensetzung (reines Aluminium ist sehr weich und lässt sich mechanisch kaum bearbeiten, weshalb immer Legierungen zum Einsatz kommen) kann die spezifische Wärmekapazität jedoch merklich schwanken. Sie sollte individuell für jeden Reibzylinder bestimmt werden. Dies ist am einfachsten durch elektrische Beheizung und unter Voraussetzung der Äquivalenz von Wärme und elektrischer Energie durchführbar.

4.2 Umwandlung elektrischer Energie in Wärme

4.2.1 Versuchsdurchführung

• Nach der Abkühlung des Reibzylinders wird dieser

an den Träger geschraubt (gleiche Versuchsbedingungen wie beim Reibungsversuch) und der Temperaturfühler eingesteckt. Nach ein paar Minuten, die zur homogenen Temperaturverteilung verstreichen sollten, beträgt der Widerstand des Temperaturfühlers R

= 8,00 kΩ (entsprechend

1

T1 = 14,60 °C nach Gl. 1).

• Jetzt wird das vorab eingestellte Netzgerät (siehe

Abschnitt 3) an das Heizelement angeschlossen und eine Stoppuhr gestartet. Spannung und Strom (Anzeige am Netzgerät) werden notiert: U = 11,0 V , Ι = 0,510 A

• Nach t = 600 s wird der Versuch beendet und der

Widerstandswert abgelesen:

R

= 3,98 kΩ (T

2

= 30,32 °C).

2

4.2.2Versuchsauswertung

• Die elektrische Energie E ist das Produkt aus Leis-

tung P und Zeit t. Die Leistung wiederum ist das Produkt aus Spannung und Strom. Demnach gilt:

EUT= = 11,0 x 0,512 x 600 = 3379WsI

(7)

• In diesem Versuch beträgt die zugeführte Wärme ∆Q = c

(T2– T1) = 0,86 x 0,249

A mA

x (30,32 – 14,60) kJ = 3366 J (8)

• Auch hier ist die Übereinstimmung zwischen E und ∆Q sehr gut.

Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur beim Temperaturfühler

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

T

/ °

TT

/ /

7,86 14,97 6,78 18,19 5,70 22,05 4,62 26,84 3,54 33,10 7,84 15,03 6,76 18,26 5,68 22,13 4,60 26,94 3,52 33,24 7,82 15,08 6,74 18,32 5,66 22,21 4,58 27,04 3,50 33,38 7,80 15,14 6,72 18,39 5,64 22,29 4,56 27,14 3,48 33,51 7,78 15,19 6,70 18,45 5,62 22,37 4,54 27,24 3,46 33,65 7,76 15,25 6,68 18,52 5,60 22,45 4,52 27,35 3,44 33,79 7,74 15,31 6,66 18,58 5,58 22,53 4,50 27,45 3,42 33,93 7,72 15,36 6,64 18,65 5,56 22,61 4,48 27,55 3,40 34,07 7,70 15,42 6,62 18,72 5,54 22,69 4,46 27,66 3,38 34,22 7,68 15,47 6,60 18,78 5,52 22,77 4,44 27,76 3,36 34,36

3

CC

C

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

7,66 15,53 6,58 18,85 5,50 22,85 4,42 27,87 3,34 34,50 7,64 15,59 6,56 18,92 5,48 22,94 4,40 27,97 3,32 34,65 7,62 15,64 6,54 18,99 5,46 23,02 4,38 28,08 3,30 34,79 7,60 15,70 6,52 19,05 5,44 23,10 4,36 28,18 3,28 34,94 7,58 15,76 6,50 19,12 5,42 23,19 4,34 28,29 3,26 35,09 7,56 15,81 6,48 19,19 5,40 23,27 4,32 28,40 3,24 35,24 7,54 15,87 6,46 19,26 5,38 23,35 4,30 28,51 3,22 35,39 7,52 15,93 6,44 19,33 5,36 23,44 4,28 28,62 3,20 35,54 7,50 15,99 6,42 19,40 5,34 23,52 4,26 28,72 3,18 35,69 7,48 16,05 6,40 19,46 5,32 23,61 4,24 28,83 3,16 35,84 7,46 16,10 6,38 19,53 5,30 23,69 4,22 28,95 3,14 36,00 7,44 16,16 6,36 19,60 5,28 23,78 4,20 29,06 3,12 36,15 7,42 16,22 6,34 19,67 5,26 23,87 4,18 29,17 3,10 36,31 7,40 16,28 6,32 19,74 5,24 23,95 4,16 29,28 3,08 36,47 7,38 16,34 6,30 19,81 5,22 24,04 4,14 29,39 3,06 36,63 7,36 16,40 6,28 19,88 5,20 24,13 4,12 29,51 3,04 36,79 7,34 16,46 6,26 19,95 5,18 24,21 4,10 29,62 3,02 36,95 7,32 16,52 6,24 20,03 5,16 24,30 4,08 29,74 3,00 37,11 7,30 16,57 6,22 20,10 5,14 24,39 4,06 29,85 2,98 37,28 7,28 16,63 6,20 20,17 5,12 24,48 4,04 29,97 2,96 37,44 7,26 16,69 6,18 20,24 5,10 24,57 4,02 30,09 2,94 37,61 7,24 16,75 6,16 20,31 5,08 24,66 4,00 30,20 2,92 37,78 7,22 16,81 6,14 20,39 5,06 24,75 3,98 30,32 2,90 37,94 7,20 16,88 6,12 20,46 5,04 24,84 3,96 30,44 2,88 38,11 7,18 16,94 6,10 20,53 5,02 24,93 3,94 30,56 2,86 38,29 7,16 17,00 6,08 20,60 5,00 25,02 3,92 30,68 2,84 38,46 7,14 17,06 6,06 20,68 4,98 25,11 3,90 30,80 2,82 38,63 7,12 17,12 6,04 20,75 4,96 25,21 3,88 30,92 2,80 38,81 7,10 17,18 6,02 20,83 4,94 25,30 3,86 31,04 2,78 38,99 7,08 17,24 6,00 20,90 4,92 25,39 3,84 31,17 2,76 39,17 7,06 17,30 5,98 20,97 4,90 25,48 3,82 31,29 2,74 39,35 7,04 17,37 5,96 21,05 4,88 25,58 3,80 31,42 2,72 39,53 7,02 17,43 5,94 21,12 4,86 25,67 3,78 31,54 2,70 39,71 7,00 17,49 5,92 21,20 4,84 25,77 3,76 31,67 2,68 39,90 6,98 17,55 5,90 21,28 4,82 25,86 3,74 31,79 2,66 40,08 6,96 17,62 5,88 21,35 4,80 25,96 3,72 31,92 2,64 40,27 6,94 17,68 5,86 21,43 4,78 26,05 3,70 32,05 2,62 40,46 6,92 17,74 5,84 21,50 4,76 26,15 3,68 32,18 2,60 40,65 6,90 17,81 5,82 21,58 4,74 26,25 3,66 32,31 2,58 40,84 6,88 17,87 5,80 21,66 4,72 26,34 3,64 32,44 2,56 41,04 6,86 17,93 5,78 21,74 4,70 26,44 3,62 32,57 2,54 41,23 6,84 18,00 5,76 21,81 4,68 26,54 3,60 32,70 2,52 41,43 6,82 18,06 5,74 21,89 4,66 26,64 3,58 32,84 2,50 41,63 6,80 18,13 5,72 21,97 4,64 26,74 3,56 32,97 2,48 41,83

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

T

/ °

TT

/ /

CC

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3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com • Technische Änderungen vorbehalten

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U10365 Equivalent of heat apparatus

U10366 Copper cylinder

Instruction sheet

9/04 MH

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Fig.1: Components

The equivalent of heat apparatus allows mechanical work (measured in Nm) and electrical energy (measured in Ws) to be converted into heat (measured in J). The evaluation shows that all three forms of energy are equivalent.

1. Safety instructions

• Risk of injury! The (approx. 5 g) weight attached to

the cord 8can cause injury to persons if it falls on them. It should be placed on the ground to secure it and not be raised more than about 10 cm during the experiment.

• Risk of burning! During the experiments the fric-

tion cylinder (3or 9) is heated. It should be observed that the temperature does not rise above about 40°C. The maximum permissible current through the heating element is 3 A and may not be exceeded.

• Risk of electric shock! The maximum output volt-

age of the power supply used for the electric heating may not be greater than 40 V.

2. Description, technical data

The equivalent of heat apparatus can be used to show the equivalence of mechanical work due to friction

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1 Base with conversion table for

resistance → temperature

2 Counter 3 Copper cylinder (U10366) 4 Electrical heating element 5 Hand crank 6 Table clamp 7 Knurled screw 8 Friction cord with counterweight (not visible) 9 Aluminum cylinder bl Temperature sensor bm Adapter cable bn Bucket, 5  (not shown)

(Nm), electrical energy (Ws) and heat (J). The values measured in Nm or Ws agree to an accuracy of about 2%. If this equivalence is assumed, the specific heat capacity of aluminum and copper can be determined. The stable design with its integrated rotary counter and a dual ball-bearing mounted shaft make experiments as simple as possible to perform. To measure temperature a negative temperature coefficient thermistor (NTC) is used. This is safely contained inside an aluminum sleeve. The aluminum sleeve snaps into the friction cylinder so that it cannot slide out unintentionally.

Technical data for the friction cylinder (approximate values): Diameter D: 48 mm Height: 50 mm Aluminum cylinder: mass mA = 250 g,

specific heat capacity

cA = 0.86 kJ/kg K,

Copper cylinder: mK = 750 g, cK = 0.41 kJ/kg K Electrical connection: sockets of 2 mm diameter,

positive pole “+” isolated, negative pole “–” connected to ground, reversal of polarity does not destroy the equipment.

5

3. Operation and maintenance

• The equivalent of heat apparatus is attached to a

stable workbench using its table clamp. The friction cord is then wrapped around the friction cylinder 4½ to 5½ times with the counterweight suspended at the rear and the loose end of the cord hanging down at the front.

• The bucket provided can be filled with water or sand

etc. (total weight approx. 5 kg) and used as a weight. The loose end of the friction cord is attached to the weight while the latter is resting on the ground. It should be observed that the counterweight should be no more than about 5 cm above the ground when the cord is taut. This prevents the weight being raised by more than about 10 cm during the experiment.

• If it is observed that the cord moves to the right

when the crank is turned or fails to remain in its groove, then the cord should be wrapped around the cylinder so that the end of the cord with the weight is on the right and that with the counterweight is on the left.

• The temperature sensor should be wetted with a

drop of oil (important!) and inserted into the selected friction cylinder according to Fig. 1 until it is felt to snap into place and can be turned easily (if it is inserted too far or not far enough, it is not easy to turn it). The two connections of the temperature sensor are attached to a resistance meter (multimeter) operating in the range 2 kΩ to 9 kΩ with a display accurate to at least three figures. The conversion of the resistance so measured into a corresponding temperature can be performed either with the help of the conversion table on the last page of these instructions or by using the following equation:

217

T

=−

151

0.13

R

(1)

where R must be given in kΩ to obtain T in °C. This equation agrees with the table provided by the NTC thermistor manufacturer in the range from 10 - 40 °C to an accuracy of approximately ± 0.05 °C.

• Before an experiment the friction cylinder should

be cooled to about 5 - 10°C below the ambient temperature. This can be achieved by putting it in a refrigerator or by dipping it in cold water. In the latter case the hole for the temperature sensor should point upwards and the cylinder may only be immersed to a depth of about 2/3 the height of the cylinder (tip: if the friction cylinder is dipped in water inside a plastic bag, it will not need to be dried off again when it has finished cooling).

• The rise in temperature during an experiment

should continue until the friction cylinder’s temperature has been raised to about 5 - 10°C above the ambient temperature. The more precisely the temperature differences for cooling and heating

(with respect to the ambient temperature) are similar, then the smaller is the net exchange of heat with the environment.

• For heating the friction cylinder electrically, adapter

cables are provided with plugs of 2 mm diameter at one end and conventional 4 mm lab plugs at the other. The power should be provided by a power supply where voltage and current limiting can be regulated. The maximum voltage from the power supply may not exceed 40 V. The positive pole of the power supply is connected to the isolated socket (identifiable due to the round, gray plate beneath the socket) and the negative is connected to the other socket.

• The heating elements for the friction cylinders do

not behave like ohmic resistors. From about 10 V the current rises rapidly until it reaches the permitted maximum of 3 A at about 12 V. To calibrate an operating point it is recommended that the current limiting initially be set at 2 – 3 A then the voltage raised until about 11 V, in which case the current should rise to about 1 A. The current limiting is then regulated until about 0.8 A flows. These settings are not altered thereafter until the current is broken simply by pulling out the cables at the time of the experiment. The active current limitation and non-ohmic characteristic mean that the voltage and current remain nearly constant in spite of the temperature change during an experiment.

• Maintenance: the equivalent of heat apparatus in

principle requires no maintenance. It can be wiped clean with soap and water. Solvents should not be used. Immersion in water should also be avoided.

• The friction cylinders should be plain naked metal.

If a coating has formed on them, this can be removed using metal cleaner.

• The friction cord can be washed if necessary. For a

good value alternative, woven nylon cord can be used as a replacement.

4. Experiment procedure and evaluation

4.1 Conversion of mechanical work into heat

4.1.1 Experiment procedure

• First the various masses are measured:

Primary weight (e.g. bucket with water) mH = 5.22 Counterweight (attached to friction cord)

mG = 0.019 kg Aluminum cylinder mA = 0.249 kg

• Other values to be measured in advance:

Ambient temperature TU = 23,2 °C Diameter of cylinder where friction occurs

DR = 45.75 mm

• After cooling the cylinder, it should be screwed to

the base, the temperature sensor should be inserted and the friction cord should be wrapped around it. (cf. Section 3). After a few minutes, that should be ignored for the sake of a homogenous

6

temperature distribution, the resistance of the temperature sensor is R

= 8.00 kΩ (correspond-

1

ing to T1 = 14.60°C by Eq. 1).

• After zeroing the counter, the experiment is be-

gun by turning the crank and thus lifting the primary weight from the ground. This slightly loosens the cord so that it causes less friction on the cylinder. The primary weight no remains at the same height and should remain there for the rest of the experiment.

• After n = 460 turns the experiment is halted and

the resistance value read off: R

= 3.99 kΩ

2

(T2 = 30.26 °C). Since the temperature continues to rise for a short time after the experiment is completed (homogenizing the temperature distribution), the minimum value of the resistance is noted as the measured value. This is reached a few seconds after the end of the experiment. After that the resistance increases again since heat is exchanged with the environment to cool the cylinder down to a lower temperature.

4.1.2 Experiment evaluation

• Work W is defined as the product of force F and

displacement s W = Fs (2)

• The force of friction acting is

F = mA g (3) (g is the acceleration due to gravity) in the direction of the displacement s = n π D

r

(4)

• Placing Equations 3 and 4 into Equation 2 gives:

W = m

gnπ D

A

= 5.22 x 9.81

R

x 460 x 3.1416 x 0.04575 Nm = 3386 Nm (5)

• The heat stored in the friction cylinder ∆Q is

determined from the temperature difference (T2– T1) and the specific heat capacity given in Section 2:

∆Q = c

(T2– T1) = 0.86 x 0.249

A mA

x (30.26 – 14.60) kJ = 3353 J (6)

• In this example the disagreement between the mechanical work and the heat energy is found to be no more than about 1%. Due to unavoidable tolerances relating to the composition of materials (aluminum is very soft and almost impossible to work mechanically, so that it is always alloyed), the specific heat capacity can fluctuate quite noticeably. The specific heat capacity is most easily calculated by heating it electrically using the equivalence between heat and electrical energy.

4.2 Conversion of electrical energy into heat

4.2.1 Experiment procedure

• After cooling the friction cylinder it should be screwed into the base (the same experimental conditions as for the friction experiment) and the temperature sensor inserted. After a few minutes that should be ignored for the sake of homogenous distribution of temperature, the resistance of the temperature sensor is R

= 8.00 kΩ (corre-

1

sponding to T1 = 1460 °C by Eq. 1).

• Now the power supply that has been configured in advance (see Section 3) should be connected to the heating element and a stopwatch started. Voltage and current (as displayed by the power supply) should be noted: U = 11.0 V, I = 0.510 A

• After t = 600 s the experiment is halted and the resistance of the sensor is read off: R

= 3.98 kΩ

2

(T2 = 30.32 °C).

4.2.2Experiment evaluation

• The electrical energy E is the product of power P and time t. The power is the product of voltage and current. Therefore:

EUT= = 11,0 x 0,512 x 600 = 3379WsI

(7)

• In this experiment, the heat added is ∆Q = c

(T2– T1) = 0.86 x 0.249

A mA

x (30.32 - 14.60) kJ = 3366J (8)

• The agreement between E and ∆Q is very good in this instance as well.

Relationship between resistance and temperature of the temperature sensor

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

T

/ °

TT

/ /

7.86 14.97 6.78 18.19 5.70 22.05 4.62 26.84 3.54 33.10

7.84 15.03 6.76 18.26 5.68 22.13 4.60 26.94 3.52 33.24

7.82 15.08 6.74 18.32 5.66 22.21 4.58 27.04 3.50 33.38

7.80 15.14 6.72 18.39 5.64 22.29 4.56 27.14 3.48 33.51

7.78 15.19 6.70 18.45 5.62 22.37 4.54 27.24 3.46 33.65

7.76 15.25 6.68 18.52 5.60 22.45 4.52 27.35 3.44 33.79

7.74 15.31 6.66 18.58 5.58 22.53 4.50 27.45 3.42 33.93

7.72 15.36 6.64 18.65 5.56 22.61 4.48 27.55 3.40 34.07

7.70 15.42 6.62 18.72 5.54 22.69 4.46 27.66 3.38 34.22

7.68 15.47 6.60 18.78 5.52 22.77 4.44 27.76 3.36 34.36

7

CC

C

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

7.66 15.53 6.58 18.85 5.50 22.85 4.42 27.87 3.34 34.50

7.64 15.59 6.56 18.92 5.48 22.94 4.40 27.97 3.32 34.65

7.62 15.64 6.54 18.99 5.46 23.02 4.38 28.08 3.30 34.79

7.60 15.70 6.52 19.05 5.44 23.10 4.36 28.18 3.28 34.94

7.58 15.76 6.50 19.12 5.42 23.19 4.34 28.29 3.26 35.09

7.56 15.81 6.48 19.19 5.40 23.27 4.32 28.40 3.24 35.24

7.54 15.87 6.46 19.26 5.38 23.35 4.30 28.51 3.22 35.39

7.52 15.93 6.44 19.33 5.36 23.44 4.28 28.62 3.20 35.54

7.50 15.99 6.42 19.40 5.34 23.52 4.26 28.72 3.18 35.69

7.48 16.05 6.40 19.46 5.32 23.61 4.24 28.83 3.16 35.84

7.46 16.10 6.38 19.53 5.30 23.69 4.22 28.95 3.14 36.00

7.44 16.16 6.36 19.60 5.28 23.78 4.20 29.06 3.12 36.15

7.42 16.22 6.34 19.67 5.26 23.87 4.18 29.17 3.10 36.31

7.40 16.28 6.32 19.74 5.24 23.95 4.16 29.28 3.08 36.47

7.38 16.34 6.30 19.81 5.22 24.04 4.14 29.39 3.06 36.63

7.36 16.40 6.28 19.88 5.20 24.13 4.12 29.51 3.04 36.79

7.34 16.46 6.26 19.95 5.18 24.21 4.10 29.62 3.02 36.95

7.32 16.52 6.24 20.03 5.16 24.30 4.08 29.74 3.00 37.11

7.30 16.57 6.22 20.10 5.14 24.39 4.06 29.85 2.98 37.28

7.28 16.63 6.20 20.17 5.12 24.48 4.04 29.97 2.96 37.44

7.26 16.69 6.18 20.24 5.10 24.57 4.02 30.09 2.94 37.61

7.24 16.75 6.16 20.31 5.08 24.66 4.00 30.20 2.92 37.78

7.22 16.81 6.14 20.39 5.06 24.75 3.98 30.32 2.90 37.94

7.20 16.88 6.12 20.46 5.04 24.84 3.96 30.44 2.88 38.11

7.18 16.94 6.10 20.53 5.02 24.93 3.94 30.56 2.86 38.29

7.16 17.00 6.08 20.60 5.00 25.02 3.92 30.68 2.84 38.46

7.14 17.06 6.06 20.68 4.98 25.11 3.90 30.80 2.82 38.63

7.12 17.12 6.04 20.75 4.96 25.21 3.88 30.92 2.80 38.81

7.10 17.18 6.02 20.83 4.94 25.30 3.86 31.04 2.78 38.99

7.08 17.24 6.00 20.90 4.92 25.39 3.84 31.17 2.76 39.17

7.06 17.30 5.98 20.97 4.90 25.48 3.82 31.29 2.74 39.35

7.04 17.37 5.96 21.05 4.88 25.58 3.80 31.42 2.72 39.53

7.02 17.43 5.94 21.12 4.86 25.67 3.78 31.54 2.70 39.71

7.00 17.49 5.92 21.20 4.84 25.77 3.76 31.67 2.68 39.90

6.98 17.55 5.90 21.28 4.82 25.86 3.74 31.79 2.66 40.08

6.96 17.62 5.88 21.35 4.80 25.96 3.72 31.92 2.64 40.27

6.94 17.68 5.86 21.43 4.78 26.05 3.70 32.05 2.62 40.46

6.92 17.74 5.84 21.50 4.76 26.15 3.68 32.18 2.60 40.65

6.90 17.81 5.82 21.58 4.74 26.25 3.66 32.31 2.58 40.84

6.88 17.87 5.80 21.66 4.72 26.34 3.64 32.44 2.56 41.04

6.86 17.93 5.78 21.74 4.70 26.44 3.62 32.57 2.54 41.23

6.84 18.00 5.76 21.81 4.68 26.54 3.60 32.70 2.52 41.43

6.82 18.06 5.74 21.89 4.66 26.64 3.58 32.84 2.50 41.63

6.80 18.13 5.72 21.97 4.64 26.74 3.56 32.97 2.48 41.83

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

T

/ °

TT

/ /

CC

C

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3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Germany • www.3bscientific.com • Technical amendments are possible

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3B SCIENTIFIC3B SCIENTIFIC

3B SCIENTIFIC®

3B SCIENTIFIC3B SCIENTIFIC

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

U10365 Dispositif de mesure de l’équivalent de chaleur

U10366 Cylindre en cuivre

Instructions d’utilisation

9/04 MH

®

1

2

56897blbm

Fig.1: Composants

Le dispositif de mesure de l’équivalent de chaleur permet de convertir le travail mécanique (Nm) et l’énergie électrique (Ws) en chaleur (J). L’évaluation présente l’équivalence des trois formes d’énergie.

1. Consignes de sécurité

• Risque de blessure ! En tombant, le poids (env. 5 kg)

fixé au cordon 8 peut blesser des gens. Pour être fixé, il doit reposer sur le sol et ne pas être soulevé de plus de 10 cm pendant les expériences.

• Risque de brûlure ! Le cylindre (3 ou 9) est ré-

chauffé pendant les expériences. Veiller à ce que la température ne dépasse pas env. 40 °C. Le courant maximum admissible dans l’élément chauffant s’élève à 3 A et ne doit pas être dépassé.

• Risque de choc électrique ! La tension de sortie

maximale du bloc d’alimentation utilisé lors du réchauffement électrique ne doit pas dépasser 40 V.

2. Description, caractéristiques techniques

Ce dispositif de mesure permet d’indiquer l’équivalence du travail de frottement mécanique (Nm), de l’énergie électrique (Ws) et de la chaleur (J). Les valeurs déterminées en Nm et Ws coïncident à env. 2%. Cette équivalence étant sous-entendue, on peut déter-

34

1 Support avec tableau pour la conversion

Résistance → Temperature

2 Compteur 3 Cylindre en cuivre (U10366) 4 Elément chauffant électrique 5 Manivelle 6 Bride de fixation de table 7 Vis moletée 8 Cordon de frottement avec contrepoids (non visible) 9 Cylindre en aluminium bl Palpeur de température bm Câble adaptateur bn Seau de 5  (non visible)

miner la capacité thermique spécifique de l’aluminium et du cuivre. Grâce à la construction robuste avec un compte-tours intégré et un arbre à double roulement à billes, les expériences peuvent être réalisées très simplement. Pour mesurer la température, on utilise une résistance à coefficient de température négatif (NTC), qui est rangée sûrement dans un boîtier en aluminium. Ce boîtier s’encoche dans le cylindre et ne peut donc pas en ressortir par inadvertance.

Caractéristiques techniques des cylindres de frottement (approx.) : Diamètre D : 48 mm Hauteur : 50 mm Cylindre en aluminium : masse mA = 250 g,

capacité thermique spécifique

cA = 0,86 kJ/kg K,

Cylindre en cuivre : mK = 750 g,

cK = 0,41 kJ/kg K

Connexion électrique : douilles de 2 mm de

diamètre, pôle « + » isolé, pôle « – » à la masse, une inversion de polarité n’entraîne pas de destruction.

9

3. Manipulation et entretien

• Le dispositif de mesure de l’équivalent de chaleur

est vissé à une plaque de travail stable à l’aide de la bride de fixation. Puis, comme le montre la figure 1, le cordon est placé 4,5 à 5,5 fois autour du cylindre, le contrepoids devant pendre à l’arrière et l’extrémité libre du cordon pendre à l’avant.

• Comme poids, on peut utiliser le seau fourni, rem-

pli d’eau ou de sable, etc. (masse totale d’env. 5 kg). L’extrémité libre du cordon est reliée au poids se trouvant au sol. Lorsque le cordon est tendu, veiller à ce que le contrepoids ne soit pas distant de plus de 5 cm du sol, pour empêcher que le poids ne se soulève de plus de 10 cm pendant l’expérience.

• Si à présent, la manivelle étant actionnée, le cor-

don va à droite et, le cas échéant, ne reste pas dans sa rainure, il faudra le placer autour du cylindre de telle manière que l’extrémité du cordon avec le poids se trouve à droite et l’extrémité avec le contrepoids à gauche.

• Humidifier le palpeur avec une goutte d’huile (im-

portant !) et l’enficher dans le cylindre sélectionné

(cf. la figure 1), jusqu’à ce qu’il s’encoche et se laisse tourner facilement (s’il est trop ou pas assez enfoncé, il ne tourne pas correctement). Les deux connexions du palpeur sont reliées à un dispositif de mesure de résistance (multimètre) disposant d’un affichage à au moins trois chiffres dans une gamme entre 2 et 9 kΩ. La résistance mesurée peut être convertie en température soit à l’aide du tableau de la dernière page de ce manuel d’utilisation, soit avec l’équation suivante :

217

T

=−

151

0,13

R

(1)

Dans ce cas, R doit être en kW pour obtenir T en °C. Cette équation coïncide à ± 0,05 °C près aux indications du tableau du constructeur de la résistance NTC dans une gamme entre 10 et 40 °C.

• Avant toute expérience, le cylindre doit refroidir à

env. 5 - 10 °C à température ambiante. A cet effet, on peut le placer au réfrigérateur ou dans de l’eau froide, le trou du palpeur devant être orienté vers le haut et la profondeur de plongée représenter environ 2/3 seulement de la hauteur du cylindre (astuce : si le cylindre est mis dans l’eau dans un sachet plastique, il est inutile de le sécher après son refroidissement).

• La température pendant une expérience doit aug-

menter, jusqu’à ce que la température du cylindre soit supérieure d’env. 5 - 10 °C à la température ambiante. Plus les différences de température (avec la température ambiante) coïncident lors du refroidissement et du réchauffement, plus l’échange net de chaleur avec l’environnement est faible.

• Des câbles d’adaptation, qui présentent d’un côté

des fiches de 2 mm de diamètre et de l’autre des fiches de laboratoire de 4 mm, servent au réchauffement électrique des cylindres. Pour l’alimentation électrique, utiliser un bloc d’alimentation à limitation de courant et de tension réglable, la ten-

sion maximale du bloc ne devant pas dépasser 40 V. Le pôle positif du bloc d’alimentation est relié à la douille isolée (pastille ronde en plastique gris sous la douille) et le pôle négatif à l’autre douille.

• Les éléments chauffants sur les cylindres ne se com-

portent pas comme des résistances ohmiques ! A partir d’env. 10 V, le courant augmente rapidement, jusqu’à atteindre à env. 12 V l’intensité maximale admissible de 3 A. Pour régler un point de service, il est recommandé d’ajuster d’abord la limitation de courant à 2 - 3 A, puis d’accroître lentement la tension à env. 11 V, le courant devant monter à env. 1 A. A présent, affiner la limitation de courant, jusqu’à obtenir env. 0,8 A. Ces réglages ne seront plus modifiés par la suite ; pour couper le courant avant de procéder à l’expérience, il suffit de retirer les câbles. Par la limitation active du courant et la propriété non ohmique, la tension et le courant restent pratiquement constants pendant l’expérience, bien que la température varie.

• Entretien : fondamentalement, le dispositif ne né-

cessite aucun entretien. Pour le nettoyer, on peut l’essuyer avec de l’eau et un produit de rinçage. Il est conseillé e ne pas utiliser de solvant. Eviter également de le plonger dans de l’eau.

• Les cylindres doivent être en métal luisant. Si un

revêtement devait s’être formé, on l’essuiera avec un produit de nettoyage pour métaux.

• Le cas échéant, le cordon pourra être lavé. Comme

remplacement peu coûteux pour le cordon, on peut utiliser une corde tressée en polyamide (disponible dans tout magasin de bricolage).

4. Réalisation et évaluation des expériences

4.1 Conversion du travail mécanique en chaleur

4.1.1 Réalisation de l’expérience

• Tout d’abord, il s’agit de déterminer les différen-

tes masses : Poids principal (par ex. seau d’eau) mH = 5,22 kg Cylindre en aluminium mA = 0,249 kg

• Autres grandeurs devant être mesurées au préa-

lable : Température ambiante TU = 23,2 °C Diamètre du cylindre sur la surface de frottement

DR = 45,75 mm

• Une fois refroidi, le cylindre est vissé au support,

le palpeur enfiché et le cordon placé autour du cylindre (cf. paragraphe 3). Après quelques minutes, qui doivent s’écouler pour obtenir une répartition homogène de la température, la résistance du palpeur s’élève à R

= 8,00 kΩ (conformément

1

à T1 = 14,60 °C d’après l’équation 1).

• Après avoir contrôlé la position zéro du compteur,

démarrer l’expérience en tournant la manivelle pour soulever ainsi le poids principal. A présent, le contrepoids redescend sur le sol, ce qui détend légèrement le cordon qui frotte moins contre le cylindre. A présent, le poids principal conserve sa hauteur et devra la garder pendant toute la durée de l’expérience.

10

• Après n = 460 rotations, conclure l’expérience et

lire la résistance : R

= 3,99 kΩ (T

2

= 30,26 °C).

2

Comme la température augmente encore un peu directement après conclusion de l’expérience (homogénéisation de la répartition de la température), on note comme valeur de mesure la résistance maximale qui est atteinte quelques secondes après la fin de l’expérience. Ensuite, la résistance se remet à augmenter, car la température du cylindre retombe par l’échange de chaleur avec l’environnement.

4.1.2 Evaluation de l’expérience

• Le travail W est défini comme le produit de la force

F et du parcours s W = Fs (2)

• Lors du frottement, la force

F = mA g (3) (g représente l’accélération de la pesanteur) agit le long du parcours s = F nπ D

r

(4)

• On utilise les équations 3 et 4 dans l’équation 2

pour obtenir : W = m

gnπ D

A

= 5,22 x 9,81

R

x 460 x 3,1416 x 0,04575 Nm = 3386 Nm (5)

• La chaleur accumulée dans le cylindre ∆Q résulte

de la différence de température (T2– T1) et de la capacité thermique spécifique indiquée au paragraphe 2 :

∆Q = c

(T2– T1) = 0,86 x 0,249

A mA

x (30,26 – 14,60) kJ = 3353J (6)

• Dans cet exemple, l’écart entre le travail et la cha-

leur ne présente qu’environ 1%. En raison de tolérances inévitables dans la composition du matériau (l’aluminium pur est très mou et ne peut guère être traité mécaniquement, aussi utilise-ton toujours des alliages), la capacité thermique

spécifique peut néanmoins varier sensiblement. Il est recommandé de la déterminer individuellement pour chaque cylindre. La méthode la plus simple est un réchauffement électrique, sous-entendu d’avoir une équivalence entre la chaleur et l’énergie électrique.

4.2 Conversion de l’énergie électrique en chaleur

4.2.1 Réalisation de l’expérience

• Une fois refroidi, le cylindre est vissé au support (mêmes conditions qu’au cours de l’expérience sur le frottement) et le palpeur enfiché. Après quelques minutes, qui doivent s’écouler pour obtenir une répartition homogène de la température, la résistance du palpeur s’élève à R

= 8,00 kΩ (con-

1

formément à T1 = 14,60 °C d’après l’équation 1).

• A présent, le bloc d’alimentation préréglé (cf. paragraphe 3) est branché à l’élément chauffant et un chronomètre démarré. Noter la tension et le courant (affichage sur le bloc d’alimentation) : U = 11,0 V , Ι = 0,510 A

• Après t = 600 s, conclure l’expérience et lire la résistance :

R

= 3,98 kΩ (T

2

= 30,32 °C).

2

4.2.2Evaluation de l’expérience

• L’énergie électrique E est le produit de la puis- sance P et du temps t. La puissance est quant à elle le produit de la tension et du courant. On a alors l’équation suivante :

EUT= = 11,0 x 0,512 x 600 = 3379WsI

(7)

• Au cours de cette expérience, la chaleur amenée s’élève à

∆Q = c

(T2– T1) = 0,86 x 0,249

A mA

x (30,32-14,60) kJ = 3366J (8)

• Encore une fois, E et ∆Q coïncident très bien.

Rapport entre la résistance et la température avec un palpeur de température

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

T

/ °

TT

/ /

7,86 14,97 6,78 18,19 5,70 22,05 4,62 26,84 3,54 33,10 7,84 15,03 6,76 18,26 5,68 22,13 4,60 26,94 3,52 33,24 7,82 15,08 6,74 18,32 5,66 22,21 4,58 27,04 3,50 33,38 7,80 15,14 6,72 18,39 5,64 22,29 4,56 27,14 3,48 33,51 7,78 15,19 6,70 18,45 5,62 22,37 4,54 27,24 3,46 33,65 7,76 15,25 6,68 18,52 5,60 22,45 4,52 27,35 3,44 33,79 7,74 15,31 6,66 18,58 5,58 22,53 4,50 27,45 3,42 33,93 7,72 15,36 6,64 18,65 5,56 22,61 4,48 27,55 3,40 34,07 7,70 15,42 6,62 18,72 5,54 22,69 4,46 27,66 3,38 34,22 7,68 15,47 6,60 18,78 5,52 22,77 4,44 27,76 3,36 34,36

11

CC

C

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

7,66 15,53 6,58 18,85 5,50 22,85 4,42 27,87 3,34 34,50 7,64 15,59 6,56 18,92 5,48 22,94 4,40 27,97 3,32 34,65 7,62 15,64 6,54 18,99 5,46 23,02 4,38 28,08 3,30 34,79 7,60 15,70 6,52 19,05 5,44 23,10 4,36 28,18 3,28 34,94 7,58 15,76 6,50 19,12 5,42 23,19 4,34 28,29 3,26 35,09 7,56 15,81 6,48 19,19 5,40 23,27 4,32 28,40 3,24 35,24 7,54 15,87 6,46 19,26 5,38 23,35 4,30 28,51 3,22 35,39 7,52 15,93 6,44 19,33 5,36 23,44 4,28 28,62 3,20 35,54 7,50 15,99 6,42 19,40 5,34 23,52 4,26 28,72 3,18 35,69 7,48 16,05 6,40 19,46 5,32 23,61 4,24 28,83 3,16 35,84 7,46 16,10 6,38 19,53 5,30 23,69 4,22 28,95 3,14 36,00 7,44 16,16 6,36 19,60 5,28 23,78 4,20 29,06 3,12 36,15 7,42 16,22 6,34 19,67 5,26 23,87 4,18 29,17 3,10 36,31 7,40 16,28 6,32 19,74 5,24 23,95 4,16 29,28 3,08 36,47 7,38 16,34 6,30 19,81 5,22 24,04 4,14 29,39 3,06 36,63 7,36 16,40 6,28 19,88 5,20 24,13 4,12 29,51 3,04 36,79 7,34 16,46 6,26 19,95 5,18 24,21 4,10 29,62 3,02 36,95 7,32 16,52 6,24 20,03 5,16 24,30 4,08 29,74 3,00 37,11 7,30 16,57 6,22 20,10 5,14 24,39 4,06 29,85 2,98 37,28 7,28 16,63 6,20 20,17 5,12 24,48 4,04 29,97 2,96 37,44 7,26 16,69 6,18 20,24 5,10 24,57 4,02 30,09 2,94 37,61 7,24 16,75 6,16 20,31 5,08 24,66 4,00 30,20 2,92 37,78 7,22 16,81 6,14 20,39 5,06 24,75 3,98 30,32 2,90 37,94 7,20 16,88 6,12 20,46 5,04 24,84 3,96 30,44 2,88 38,11 7,18 16,94 6,10 20,53 5,02 24,93 3,94 30,56 2,86 38,29 7,16 17,00 6,08 20,60 5,00 25,02 3,92 30,68 2,84 38,46 7,14 17,06 6,06 20,68 4,98 25,11 3,90 30,80 2,82 38,63 7,12 17,12 6,04 20,75 4,96 25,21 3,88 30,92 2,80 38,81 7,10 17,18 6,02 20,83 4,94 25,30 3,86 31,04 2,78 38,99 7,08 17,24 6,00 20,90 4,92 25,39 3,84 31,17 2,76 39,17 7,06 17,30 5,98 20,97 4,90 25,48 3,82 31,29 2,74 39,35 7,04 17,37 5,96 21,05 4,88 25,58 3,80 31,42 2,72 39,53 7,02 17,43 5,94 21,12 4,86 25,67 3,78 31,54 2,70 39,71 7,00 17,49 5,92 21,20 4,84 25,77 3,76 31,67 2,68 39,90 6,98 17,55 5,90 21,28 4,82 25,86 3,74 31,79 2,66 40,08 6,96 17,62 5,88 21,35 4,80 25,96 3,72 31,92 2,64 40,27 6,94 17,68 5,86 21,43 4,78 26,05 3,70 32,05 2,62 40,46 6,92 17,74 5,84 21,50 4,76 26,15 3,68 32,18 2,60 40,65 6,90 17,81 5,82 21,58 4,74 26,25 3,66 32,31 2,58 40,84 6,88 17,87 5,80 21,66 4,72 26,34 3,64 32,44 2,56 41,04 6,86 17,93 5,78 21,74 4,70 26,44 3,62 32,57 2,54 41,23 6,84 18,00 5,76 21,81 4,68 26,54 3,60 32,70 2,52 41,43 6,82 18,06 5,74 21,89 4,66 26,64 3,58 32,84 2,50 41,63 6,80 18,13 5,72 21,97 4,64 26,74 3,56 32,97 2,48 41,83

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

T

/ °

TT

/ /

CC

C

CC

3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Allemagne • www.3bscientific.com • Sous réserve de modifications techniques

12

3B SCIENTIFIC3B SCIENTIFIC

3B SCIENTIFIC®

3B SCIENTIFIC3B SCIENTIFIC

U10365 Apparecchio per l’equivalente termico

U10366 Cilindro di rame

Istruzioni per l’uso

9/04 MH

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

®

1

2

56897blbm

Fig.1: Componenti

Con l’apparecchio per l’equivalente termico il lavoro meccanico (Nm) e l’energia elettrica (Ws) possono essere trasformati in calore (J). L’analisi mostra l’equivalenza tra tutte e tre le forme energetiche.

1. Norme di sicurezza

• Pericolo di lesioni! Il peso fissato al cordone d’at-

trito 8 (circa 5 kg), in caso di caduta, può ferire eventuali persone. Dovrebbe essere fissato sul pavimento ed essere sollevato durante gli esperimenti di max. circa 10 cm.

• Pericolo di ustioni! Durante gli esperimenti il cilin-

dro di attrito (3 o 9) si surriscalda. Fare attenzione che la temperatura non superi indicativamente i 40 °C. La corrente max. ammessa nell’elemento termico è di 3 A e non deve essere superata.

• Pericolo di scosse elettriche! In caso di riscaldamen-

to elettrico, la tensione max. in uscita dell’alternatore utilizzato non deve superare i 40 V.

2. Descrizione, dati tecnici

Con l’apparecchio per l’equivalente termico può essere mostrata l’equivalenza tra lavoro meccanico di attrito (Nm), energia elettrica (Ws) e calore (J). I valori determinati in Nm e/o Ws corrispondono indicativa-

34

1 Supporto con tabella per la conversione:

resistenza → temperatura

2 Contatore 3 Cilindro di rame (U10366) 4 Elemento termico elettrico 5 Manovella 6 Morsetto da tavolo 7 Vite a testa zigrinata 8 Cordone d’attrito con contrappeso (non visibile) 9 Cilindro di alluminio bl Sensore di temperatura bm Cavo adattatore bn Secchio, 5  (non visibile)

mente al 2%. Se viene premessa questa equivalenza, può essere determinata la capacità termica specifica dell’alluminio e/o del rame. La struttura stabile, dotata di un contatore di giri incorporato e di un albero con doppio cuscinetto a sfere, rende possibile un’esecuzione semplicissima degli esperimenti. Per la misurazione della temperatura viene impiegata una resistenza con coefficiente di temperatura negativo (NTC), che viene racchiusa in modo sicuro in un involucro di alluminio. L’involucro di alluminio si chiude a scatto nel cilindro di attrito, da dove non può inavvertitamente scivolare fuori.

Dati tecnici dei cilindri di attrito (indicazioni approssimative): Diametro D: 48 mm Altezza: 50 mm Cilindro di alluminio: peso mA = 250 g,

capacità termica specifica

cA = 0,86 kJ/kg K,

Cilindro di rame: mK = 750 g, cK = 0,41 kJ/kg K Collegamento elettrico: jack con diametro di

2 mm, polo positivo “+” isolato, Polo negativo “–” sul peso, l’inversione di polarità non comporta alcuna distruzione.

13

3. Uso e manutenzione

• L’apparecchio per l’equivalente termico viene fis-

sato con il morsetto da tavolo su un piano di lavoro stabile. Successivamente la corda d’attrito, come mostrato in fig. 1, viene avvolta intorno al cilindro di attrito per 4,5-5,5 volte: in tal modo il contrappeso dovrebbe pendere verso il basso dal dietro e l’estremità libera della corda dal davanti.

• Come peso può essere utilizzato il secchio fornito

in dotazione, dopo essere stato riempito con acqua, sabbia, ecc. (peso totale circa 5 kg). L’estremità libera della corda d’attrito viene legata al peso che si trova sul pavimento; fare attenzione che, in caso di corda tesa, il contrappeso ha una distanza di soli 5 cm circa dal pavimento. In tal modo durante l’esperimento risulta impossibile sollevare il peso di oltre 10 cm circa.

• Se ora azionando la manovella si nota che la corda

scorre verso destra e, se necessario, non rimane nell’incavo, la corda viene avvolta intorno al cilindro di attrito in modo che l’estremità della stessa a cui è attaccato il peso si trovi a destra e l’estremità con il contrappeso a sinistra.

• Il sensore di temperatura viene inumidito con una

goccia di olio (importante!) e inserito nel cilindro di attrito selezionato, come da fig. 1, fino a scattare in sede in modo percettibile e può essere ruotato facilmente (se viene inserito eccessivamente o insufficientemente, non ruota liberamente). I due attacchi del sensore di temperatura vengono collegati a un ohmmetro (multimetro), che nel range compreso tra 2 kΩ e 9 kΩ deve essere dotato di almeno un display a 3 cifre. La resistenza misurata può essere convertita in temperatura sia utilizzando la tabella presente sull’ultima pagina di queste istruzioni che con l’ausilio della seguente equazione:

217

T

=−

0,13

R

151

(1)

dove R deve essere inserito in kΩ, per ottenere T in °C. Questa equazione ha una corrispondenza di ± 0,05 °C con le indicazioni della tabella del costruttore della resistenza NTC nel range compreso tra 10 e 40 °C.

• Prima di eseguire un esperimento il cilindro di attrito

dovrebbe essere raffreddato di circa 5-10 °C a temperatura ambiente. A tale scopo può essere collocato in un frigorifero o in acqua fredda: il foro del sensore di temperatura deve essere rivolto verso l’altro e la profondità di immersione può essere pari solamente ai 2/3 circa dell’altezza del cilindro (consiglio: se il cilindro di attrito viene posto in acqua dopo essere stato inserito in una busta di plastica, dopo il raffreddamento non è necessario asciugarlo).

• L’incremento della temperatura durante un espe-

rimento dovrebbe proseguire fino a che la temperatura del cilindro di attrito supera di circa 5-10 °C la temperatura ambiente. Tanto maggiore è la corrispondenza tra le differenze di temperatura (ciascuna rispetto alla temperatura ambiente) durante il raffreddamento e il riscaldamento, quanto in-

feriore è lo scambio termico netto con l’ambiente.

• Per il riscaldamento elettrico dei cilindri di attrito

vengono forniti cavi adattatori, che su un lato sono dotati di connettori con diametro di 2 mm e sull’altro lato di comuni connettori da laboratorio con diametro di 4 mm. Per l’alimentazione elettrica dovrebbe essere utilizzato un alternatore con limitazione di tensione e di corrente regolabile, per cui non deve essere superata la tensione max. dell’alternatore pari a 40 V. Il polo positivo dell’alimentatore viene collegato al jack isolato (sulla piastrina rotonda grigia di plastica presente sotto il jack) e il polo negativo con l’altro jack.

• Gli elementi termici dei cilindri di attrito non si

comportano come le resistenze ohmiche! A partire da circa 10 V la corrente sale rapidamente fino a raggiungere, con circa 12 V, l’intensità di corrente max. ammessa di 3 A. Per impostare un punto d’esercizio si consiglia di impostare innanzitutto la limitazione di corrente su 2 - 3 A, quindi di aumentare lentamente la tensione fino a circa 11 V, pertanto la corrente dovrebbe salire a circa 1 A. Ora la limitazione di corrente viene nuovamente regolata, fino a quando scorrono circa 0,8 A. Queste impostazioni ora non vengono più modificate; fino all’esperimento la corrente viene interrotta semplicemente estraendo i cavi. Grazie alla limitazione attiva di corrente e alle caratteristiche non ohmiche la tensione e la corrente rimangono praticamente costanti durante un esperimento, nonostante la variazione di temperatura.

• Manutenzione: l’apparecchio per l’equivalente ter-

mico in linea di principio non richiede manutenzione. Per quanto riguarda la pulizia, può essere pulito a umido (acqua con detergente). Non impiegare solventi. Evitare di immergere l’apparecchio in acqua.

• I cilindri di attrito devono essere in metallo lucido.

Se si dovesse essere formato uno rivestimento, è possibile rimuoverlo con un detergente per metalli.

• La corda di attrito può eventualmente essere lava-

ta. Come corda sostitutiva economica può essere impiegata una fune di poliammide intrecciata (ad es. per il mercato dell’edilizia).

4. Esecuzione dell’esperimento e analisi

4.1 Trasformazione di lavoro meccanico in calore

4.1.1 Esecuzione dell’esperimento

• Innanzitutto vengono stabiliti i diversi pesi:

peso principale (ad es. secchio con acqua)

mH = 5,22 kg

contrappeso (sulla corda di attrito) mG = 0,019 kg cilindro di alluminio mA = 0,249 kg

• Ulteriori grandezze che devono essere misurate

in precedenza: temperatura ambiente TU = 23,2 °C diametro del cilindro sulla superficie di attrito

DR = 45,75 mm

• Dopo il raffreddamento del cilindro di attrito,

quest’ultimo viene avvitato al supporto, viene in-

14

serito il sensore di temperatura e viene avvolta la corda di attrito intorno al cilindro (cfr. paragrafo

3). Dopo alcuni minuti, che dovrebbero permettere una distribuzione omogenea della temperatura, la resistenza del sensore di temperatura è pari a R

= 8,00 kΩ (corrispondenti a T

1

= 14,60 °C

1

in base all’equazione 1).

• Dopo avere verificato l’azzeramento del contato-

re viene avviato l’esperimento, ruotando la manovella e sollevando in tal modo il peso principale dal pavimento. Ora il contrappeso si abbassa sul pavimento e in tal modo viene leggermente tolto tensionamento alla corda di attrito e viene prodotto meno attrito sul cilindro. Il peso principale mantiene ora la sua altezza, che dovrebbe rimanere la stessa durante tutto l’esperimento.

• Dopo n = 460 giri l’esperimento viene terminato

e viene letto il valore della resistenza: R2 = 3,99 kΩ (T

= 30,26 °C). Poiché la temperatura aumenta

2

ancora per poco, subito dopo la fine dell’esperimento (omogeneizzazione della distribuzione della temperatura), viene annotato come valore misurato il valore minimo della resistenza, che viene raggiunto pochi secondi dopo la fine dell’esperimento. Dopo di che la resistenza torna ad aumentare, poiché in seguito allo scambio di calore con l’ambiente scende la temperatura del cilindro.

4.1.2 Analisi dell’esperimento

• Il lavoro W è definito come il prodotto della forza

F e del percorso s W = Fs (2)

• In caso di attrito agisce la forza

F = mA g (3) (g è l’accelerazione terrestre) lungo il percorso s = F nπ D

r

(4)

• Inserendo le equazioni 3 e 4 nella 2 si ottiene:

W = m

gnπ D

A

= 5,22 x 9,81

R

x 460 x 3,1416 x 0,04575 Nm = 3386 Nm (5)

• Il calore immagazzinato nel cilindro di attrito ∆Q

si ottiene dalla differenza di temperatura (T2– T1) e della capacità termica specifica indicata nel paragrafo 2:

∆Q = c

(T2– T1) = 0,86 x 0,249

A mA

x (30,26 – 14,60) kJ = 3353 J (6)

• In questo esempio la deviazione tra il lavoro meccanico e il calore è pari solamente a circa l’1%. A causa di tolleranze inevitabili presenti nella composizione del materiale (l’alluminio puro è estremamente morbido ed è difficilmente lavorabile meccanicamente, pertanto utilizzare sempre leghe) la capacità termica specifica può tuttavia oscillare notevolmente. Deve essere determinata singolarmente per ogni cilindro di attrito. Ciò può essere eseguito nel modo più semplice mediante il riscaldamento elettrico e presupponendo l’equivalenza tra valore ed energia elettrica.

4.2 Conversione dell’energia elettrica in calore

4.2.1 Esecuzione dell’esperimento

• Dopo il raffreddamento del cilindro di attrito, quest’ultimo viene avvitato al supporto (stesse condizioni dell’esperimento relativo all’attrito) e viene inserito il sensore di temperatura. Dopo alcuni minuti, che dovrebbero permettere una distribuzione omogenea della temperatura, la resistenza del sensore di temperatura è pari a

R

= 8,00 kΩ (corrispondenti a T

1

= 14,60 °C in

1

base all’equazione 1).

• Ora l’alimentatore precedentemente impostato (ved. paragrafo 3) viene collegato all’elemento termico e viene avviato un cronometro. Annotare tensione e corrente (display sull’alternatore): U = 11,0 V, Ι = 0,510 A

• Dopo t = 600 s l’esperimento viene terminato e viene letto il valore della resistenza:

R

= 3,98 kΩ (T

2

= 30,32 °C).

2

4.2.2Analisi dell’esperimento

• L’energia elettrica E è il prodotto ottenuto dalla potenza P e dal tempo t. A sua volta la potenza è il prodotto derivante da tensione e corrente. Pertanto vale:

EUT= = 11,0 x 0,512 x 600 = 3379WsI

(7)

• In questo esperimento il calore alimentato è pari a ∆Q = c

(T2– T1) = 0,86 x 0,249

A mA

x (30,32-14,60) kJ = 3366 J (8)

• Anche in questo caso la corrispondenza tra E e ∆Q è ottima.

Correlazione tra resistenza e temperatura nel sensore di temperatura

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

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R

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RR

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ΩΩ

TT

/ /

T

/ °

TT

/ /

7,86 14,97 6,78 18,19 5,70 22,05 4,62 26,84 3,54 33,10 7,84 15,03 6,76 18,26 5,68 22,13 4,60 26,94 3,52 33,24 7,82 15,08 6,74 18,32 5,66 22,21 4,58 27,04 3,50 33,38 7,80 15,14 6,72 18,39 5,64 22,29 4,56 27,14 3,48 33,51 7,78 15,19 6,70 18,45 5,62 22,37 4,54 27,24 3,46 33,65 7,76 15,25 6,68 18,52 5,60 22,45 4,52 27,35 3,44 33,79 7,74 15,31 6,66 18,58 5,58 22,53 4,50 27,45 3,42 33,93 7,72 15,36 6,64 18,65 5,56 22,61 4,48 27,55 3,40 34,07 7,70 15,42 6,62 18,72 5,54 22,69 4,46 27,66 3,38 34,22 7,68 15,47 6,60 18,78 5,52 22,77 4,44 27,76 3,36 34,36

15

CC

C

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

7,66 15,53 6,58 18,85 5,50 22,85 4,42 27,87 3,34 34,50 7,64 15,59 6,56 18,92 5,48 22,94 4,40 27,97 3,32 34,65 7,62 15,64 6,54 18,99 5,46 23,02 4,38 28,08 3,30 34,79 7,60 15,70 6,52 19,05 5,44 23,10 4,36 28,18 3,28 34,94 7,58 15,76 6,50 19,12 5,42 23,19 4,34 28,29 3,26 35,09 7,56 15,81 6,48 19,19 5,40 23,27 4,32 28,40 3,24 35,24 7,54 15,87 6,46 19,26 5,38 23,35 4,30 28,51 3,22 35,39 7,52 15,93 6,44 19,33 5,36 23,44 4,28 28,62 3,20 35,54 7,50 15,99 6,42 19,40 5,34 23,52 4,26 28,72 3,18 35,69 7,48 16,05 6,40 19,46 5,32 23,61 4,24 28,83 3,16 35,84 7,46 16,10 6,38 19,53 5,30 23,69 4,22 28,95 3,14 36,00 7,44 16,16 6,36 19,60 5,28 23,78 4,20 29,06 3,12 36,15 7,42 16,22 6,34 19,67 5,26 23,87 4,18 29,17 3,10 36,31 7,40 16,28 6,32 19,74 5,24 23,95 4,16 29,28 3,08 36,47 7,38 16,34 6,30 19,81 5,22 24,04 4,14 29,39 3,06 36,63 7,36 16,40 6,28 19,88 5,20 24,13 4,12 29,51 3,04 36,79 7,34 16,46 6,26 19,95 5,18 24,21 4,10 29,62 3,02 36,95 7,32 16,52 6,24 20,03 5,16 24,30 4,08 29,74 3,00 37,11 7,30 16,57 6,22 20,10 5,14 24,39 4,06 29,85 2,98 37,28 7,28 16,63 6,20 20,17 5,12 24,48 4,04 29,97 2,96 37,44 7,26 16,69 6,18 20,24 5,10 24,57 4,02 30,09 2,94 37,61 7,24 16,75 6,16 20,31 5,08 24,66 4,00 30,20 2,92 37,78 7,22 16,81 6,14 20,39 5,06 24,75 3,98 30,32 2,90 37,94 7,20 16,88 6,12 20,46 5,04 24,84 3,96 30,44 2,88 38,11 7,18 16,94 6,10 20,53 5,02 24,93 3,94 30,56 2,86 38,29 7,16 17,00 6,08 20,60 5,00 25,02 3,92 30,68 2,84 38,46 7,14 17,06 6,06 20,68 4,98 25,11 3,90 30,80 2,82 38,63 7,12 17,12 6,04 20,75 4,96 25,21 3,88 30,92 2,80 38,81 7,10 17,18 6,02 20,83 4,94 25,30 3,86 31,04 2,78 38,99 7,08 17,24 6,00 20,90 4,92 25,39 3,84 31,17 2,76 39,17 7,06 17,30 5,98 20,97 4,90 25,48 3,82 31,29 2,74 39,35 7,04 17,37 5,96 21,05 4,88 25,58 3,80 31,42 2,72 39,53 7,02 17,43 5,94 21,12 4,86 25,67 3,78 31,54 2,70 39,71 7,00 17,49 5,92 21,20 4,84 25,77 3,76 31,67 2,68 39,90 6,98 17,55 5,90 21,28 4,82 25,86 3,74 31,79 2,66 40,08 6,96 17,62 5,88 21,35 4,80 25,96 3,72 31,92 2,64 40,27 6,94 17,68 5,86 21,43 4,78 26,05 3,70 32,05 2,62 40,46 6,92 17,74 5,84 21,50 4,76 26,15 3,68 32,18 2,60 40,65 6,90 17,81 5,82 21,58 4,74 26,25 3,66 32,31 2,58 40,84 6,88 17,87 5,80 21,66 4,72 26,34 3,64 32,44 2,56 41,04 6,86 17,93 5,78 21,74 4,70 26,44 3,62 32,57 2,54 41,23 6,84 18,00 5,76 21,81 4,68 26,54 3,60 32,70 2,52 41,43 6,82 18,06 5,74 21,89 4,66 26,64 3,58 32,84 2,50 41,63 6,80 18,13 5,72 21,97 4,64 26,74 3,56 32,97 2,48 41,83

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

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/ k / k

ΩΩ

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/ °

C

TT

/ /

CC

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/ k / k

ΩΩ

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/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

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/ /

Ω

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

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/ °

TT

/ /

CC

C

CC

3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Germania • www.3bscientific.com • Con riserva di modifiche tecniche

16

3B SCIENTIFIC3B SCIENTIFIC

3B SCIENTIFIC®

3B SCIENTIFIC3B SCIENTIFIC

U10365 Equipo de equivalencia térmica

U10366 Cilindro de cobre

Instrucciones de uso

9/04 MH

34

Fig.1: Componentes

1

2

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

56897blbm

®

1 Soporte con tabla de conversión:

Resistencia → Temperatura

2 Contador 3 Cilindro de cobre (U10366) 4 Elemento eléctrico de calefacción 5 Manivela 6 Abrazadera de mesa 7 Tornillo moleteado 8 Cuerda de fricción con contrapeso (no visible) 9 Cilindro de aluminio bl Sensor de temperatura bm Cable de adaptación bn Cubo 5  (no visible)

Con el equipo de equivalencia térmica se puede convertir el trabajo mecánico (Nm) y la energía eléctrica (Ws) en calor (J). La evaluación muestra la equivalencia de las tres formas de energía.

1. Aviso de seguridad

• ¡Peligro de heridas! La pesa (aprox. 5 kg), sostenida

por la cuerda de fricción 8, podría herir a alguna persona en caso de que se desprenda. Para su fijación, debe encontrarse sobre el suelo y, durante la experimentación, elevarse un máximo aproximado de 10 cm.

• ¡Peligro de quemaduras! Durante la experimenta-

ción, los cilindros de fricción (3 ó 9) se calientan. Se debe observar que la temperatura no ascienda más allá de 40 °C. La máxima corriente permitida para el elemento de calefacción es de 3 A y no se debe sobrepasar.

• ¡Peligro de shock eléctrico! La máxima tensión de

salida de la fuente de alimentación empleada para la calefacción eléctrica no debe sobrepasar los 40 V.

2. Descripción, datos técnicos

Por medio del equipo de equivalencia térmica se puede mostrar la equivalencia entre el trabajo mecánico de fricción (Nm), la energía eléctrica (Ws) y el calor (J). Los valores determinados, en Nm y Ws, concuerdan aproximadamente en un 2%. Si se presupone esta equivalencia, se puede determinar la capacidad térmica del aluminio o del cobre.

Los experimentos se pueden llevar a cabo de la manera más sencilla posible gracias a la construcción estable del equipo, el cual posee un contador de revoluciones incorporado y un eje sobre doble rodamiento de bolas. Para la medición de temperatura se emplea una resistencia con coeficiente negativo de temperatura (NTC), la cual se encuentra asegurada dentro de una cápsula de aluminio. La cápsula de aluminio se inserta en los cilindros de fricción tomando en cuenta que no resbale hacia fuera de manera no intencionada. Datos técnicos de los cilindros de fricción (datos aproximados): Diámetro D: 48 mm Altura: 50 mm Cilindro de aluminio: peso mA = 250 g,

capacidad térmica específica

cA = 0,86 kJ/kg K,

Cilindro de cobre: mK = 750 g, cK = 0,41 kJ/kg K Conexión eléctrica: clavijero de 2 mm de diámetro,

polo positivo «+» aislado, polo negativo «–» puesto a tierra, la permutación de los polos no conduce a daños.

3. Servicio y mantenimiento

• El equipo de equivalencia térmica se fija a una pla-

ca de trabajo estable por medio de la abrazadera de mesa. A continuación, se enrolla la cuerda de fricción – como se muestra en la Fig. 1 – de 4,5 a 5,5 veces alrededor del cilindro de fricción; en este caso, el contrapeso debe pender de la parte posterior y el extremo suelto de la cuerda por delante.

17

• A manera de pesa se puede emplear el cubo, in-

cluido en el suministro, llenándolo con agua o arena, etc. (peso total, aproximadamente 5 kg). El extremo suelto de la cuerda de fricción se ata al peso que se encuentra sobre el suelo, durante lo cual se debe observar que el contrapeso, con la cuerda tensada, se encuentre a una distancia de 5 cm del suelo. De esta manera se evita que, durante el experimento, el peso se eleve más allá de aprox. 10 cm.

• Si ahora, al accionar la manivela, se observa que la

cuerda se mueve hacia la derecha y, dado el caso, permanece en la hendidura, entonces se debe colocar la cuerda alrededor del cilindro de fricción de manera que el extremo de la cuerda que sostiene el peso se encuentre a la derecha, y el que sostiene el contrapeso a la izquierda.

• El sensor de temperatura se debe humedecer con

una gota de aceite (¡importante!), y se lo debe colocar, según se muestra en la Fig. 1, en el cilindro de fricción seleccionado, hasta que se enclave notoriamente y se lo pueda hacer girar con facilidad (si se lo inserta demasiado profundamente o no lo suficiente, no gira con soltura). Ambas conexiones del sensor de temperatura se conducen a un instrumento de medición de resistencia (multímetro), el cual debe disponer, por lo menos, de un display de tres dígitos, en un rango de 2 kΩ a 9 kΩ. La conversión de la resistencia medida en temperatura se puede realizar empleando la tabla adjunta a la última página de estas instrucciones, o por medio de la siguiente ecuación:

217

T

=−

151

0,13

R

(1).

Aquí se debe introducir una R en kΩ, para obtener T en °C. Esta ecuación concuerda en ± 0,05 °C con la tabla de indicaciones del fabricante de la resistencia NTC, en un rango de 10 a 40 °C.

• Antes de realizar el experimento, el cilindro de fric-

ción se debe enfriar aproximadamente de 5 a 10 °C por debajo de la temperatura ambiente. Para el efecto, se lo puede guardar en una nevera o sumergirlo en agua fría, tomando en cuenta que la perforación del sensor de temperatura apunte hacia arriba y que la profundidad de inmersión sólo sea de 2/3 de la altura del cilindro (Consejo: si se introduce el cilindro dentro de una bolsa de plástico, antes de sumergirlo en agua, no será necesario secarlo después del enfriamiento).

• El aumento de temperatura, durante un experimen-

to, debe proseguir hasta que la temperatura del cilindro de fricción se encuentre aprox. entre 5 a 10 °C por encima de la temperatura ambiente. Mientras más exactas sean las diferencias de temperatura durante el enfriamiento y el calentamiento (correspondientemente, con relación a la temperatura ambiente), menor será el intercambio neto de calor con el ambiente.

• Para el calentamiento eléctrico de los cilindros de

fricción se dispone de cables de adaptación, los cuales poseen, en un extremo, un conector de 2 mm

de diámetro y, en el otro, los convencionales conectores de laboratorio de 4 mm de diámetro. Para la alimentación de corriente se debe emplear una fuente de alimentación con limitación de tensión y corriente regulable, observándose que no se sobrepase una tensión máxima de la fuente de alimentación de 40 V. El polo positivo de la fuente de alimentación se conecta al clavijero aislado (reconocible por la plaquita redonda gris de plástico que se encuentra debajo del clavijero) y el polo negativo con el otro clavijero.

• ¡Los elementos de calefacción de los cilindros de

fricción no se comportan como resistencias óhmicas! A partir de aprox. 10 V, la corriente asciende rápidamente hasta que con 12 V alcanza la máxima intensidad de corriente permitida de 3 A. Para el ajuste de un punto de operación, se recomienda regular, en primer lugar, un límite de corriente de 2 a 3 A y, a continuación, elevar lentamente la tensión hasta aprox. 11 V, con lo cual la corriente debe aumentar hasta aprox. 1 A. Ahora fluye la corriente limitada, regulada posteriormente, hasta aprox. 0,8 A. Estos ajustes ya no se vuelven a modificar: hasta que se realice el experimento, se interrumpe la corriente retirando sencillamente el cable de la red. Por medio de la limitación activa de corriente y su característica no resistiva, la tensión y la corriente permanecen casi constantes durante el experimento a pesar de la variación de temperatura.

• Mantenimiento: En principio, el equipo de equi-

valencia térmica no necesita mantenimiento. Para su limpieza se lo puede frotar con un paño húmedo (agua con agente de limpieza.) No se deben emplear soluciones para tal efecto. También se debe evitar el sumergimiento en agua.

• Los cilindros de fricción deben presentar un blan-

co metálico. En el caso de que se haya formado alguna capa, ésta se puede eliminar con algún agente de limpieza de metales.

• Dado el caso, se puede lavar la cuerda de fricción.

Como cuerda de recambio módica se puede emplear una cuerda trenzada de poliamida (p. ej. de las adquiribles en ferreterías).

4. Ejecución y evaluación del experimento

4.1 Transformación de trabajo mecánico en calor

4.1.1 Ejecución del experimento

• Primero se determinan los diferentes pesos:

Peso principal (p. ej. cubo lleno de agua)

mH = 5,22 kg

Contrapeso (en la cuerda de fricción) mG = 0,019 kg Cilindro de aluminio mA = 0,249 kg

• Otras magnitudes que se deben medir previamente:

Temperatura ambiente TU = 23,2 °C Diámetro del cilindro en la superficie de fricción

DR = 45,75 mm

• Después de que el cilindro de fricción se haya

enfriado, se lo atornilla a la placa soporte, se inserta el sensor de temperatura y se enrolla la cuer-

18

da de fricción alrededor del cilindro (véase apartado 3). Tras un par de minutos, los cuales deben transcurrir para que se produzca una repartición homogénea de la temperatura, la resistencia del sensor de temperatura es de R

= 8,00 kΩ

1

(correspondientemente, T1 = 14,60 °C, de acuerdo con la ecuación 1).

• Después del control del ajuste a cero del contador,

se inicia el experimento, para lo cual se da vuelta a la manivela con lo que el peso principal se eleva del suelo. Ahora el contrapeso se asienta en el suelo, con lo que la cuerda de fricción se tensa levemente y ejerce algo de fricción sobre el cilindro. El peso principal se mantiene ahora en su altura y debe permanecer así durante todo el experimento.

• Después de n = 460 revoluciones finaliza el expe-

rimento y se lee el valor de la resistencia:

R

= 3,99 kΩ (T

2

= 30,26 °C). Dado que directa-

2

mente tras la finalización del experimento la temperatura asciende levemente (homogeneización de la distribución de la temperatura), se anota como valor de medida el valor mínimo de resistencia que se alcanzó unos segundos después de la finalización del experimento. Después, la resistencia vuelve a ascender, dado que la temperatura del cilindro desciende debido al intercambio de calor con el medio ambiente.

4.1.2 Evaluación del experimento

• El trabajo W se define como el producto de la fuer-

za F y el desplazamiento s W = Fs (2)

• Durante la fricción actúa la fuerza

F = mAg (3) (siendo g la aceleración terrestre) a lo largo del desplazamiento s = F nπ D

r

(4)

• La introducción de las ecuaciones 3 y 4 en 2 con-

duce a: W = m

gnπ D

A

=5,22 x 9,81

R

x 460 x 3,1416 x 0,04575 Nm = 3386 Nm (5)

• El calor almacenado en el cilindro de fricción ∆Q

se obtiene a partir de la diferencia de temperatura (T2– T1) y la capacidad térmica específica indicada en el apartado 2:

∆Q = c

(T2– T1) = 0,86 x 0,249

A mA

x (30,26 – 14,60) kJ = 3353 J (6)

• En este ejemplo, la discrepancia entre el trabajo mecánico y el calor es de solamente 1%. No obstante, debido a las tolerancias inevitables en la composición del material (el aluminio puro es muy suave y es apenas posible procesarlo mecánicamente, por lo que siempre se emplean aleaciones) se pueden presentar discrepancias notables en la capacidad térmica especifica. Ésta se debe determinar individualmente para cada cilindro de fricción. La manera más sencilla de hacerlo se basa en el calentamiento eléctrico y en la equivalencia del calor y la energía eléctrica.

4.2 Transformación de la energía eléctrica en calor

4.2.1 Ejecución del experimento

• Después del enfriamiento del cilindro de fricción, se lo atornilla al soporte (iguales condiciones de experimentación que en el experimento de fricción) y se inserta el sensor de temperatura. Tras un par de minutos, los cuales deben transcurrir para que se produzca una repartición homogénea de la temperatura, la resistencia del sensor de temperatura es de R

= 8,00 kΩ

1

(correspondientemente, T1 = 14,60 °C, de acuerdo con la ecuación 1).

• Ahora se conecta la fuente de alimentación previamente ajustada (véase apartado 3) al elemento de calefacción y se inicia el conteo con un cronómetro. Se anota la tensión y la corriente (indicación en la fuente de alimentación): U = 11,0 V , Ι = 0,510 A

• Después de t = 600 s finaliza el experimento y se lee el valor de la resistencia:

R

= 3,98 kΩ (T

2

= 30,32 °C).

2

4.2.2 Evaluación del experimento

• La energía eléctrica E es el producto de la poten- cia P y el tiempo t. La potencia, por su parte, es el producto de la tensión y la corriente. De acuerdo a lo anterior, es válido:

EUT= = 11,0 x 0,512 x 600 = 3379WsI

(7)

• En este experimento, el calor suministrado es de ∆Q = c

(T2– T1) = 0,86 x 0,249

A mA

x (30,32-14,60) kJ = 3366 J (8)

• También aquí la concordancia entre E y ∆Q es bas- tante buena.

Relación entre resistencia y temperatura en los sensores de temperatura

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

T T

/ /

T

T T

/ °

/ /

CC

C

CC

Ω

ΩΩ

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

T T

/ /

T

T T

/ °

/ /

CC

C

CC

Ω

ΩΩ

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

T T

/ /

T

T T

/ °

/ /

CC

C

CC

Ω

ΩΩ

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

Ω

ΩΩ

T T

T

T T

/ /

/ °

/ /

7,86 14,97 6,78 18,19 5,70 22,05 4,62 26,84 3,54 33,10 7,84 15,03 6,76 18,26 5,68 22,13 4,60 26,94 3,52 33,24 7,82 15,08 6,74 18,32 5,66 22,21 4,58 27,04 3,50 33,38 7,80 15,14 6,72 18,39 5,64 22,29 4,56 27,14 3,48 33,51 7,78 15,19 6,70 18,45 5,62 22,37 4,54 27,24 3,46 33,65 7,76 15,25 6,68 18,52 5,60 22,45 4,52 27,35 3,44 33,79 7,74 15,31 6,66 18,58 5,58 22,53 4,50 27,45 3,42 33,93 7,72 15,36 6,64 18,65 5,56 22,61 4,48 27,55 3,40 34,07 7,70 15,42 6,62 18,72 5,54 22,69 4,46 27,66 3,38 34,22 7,68 15,47 6,60 18,78 5,52 22,77 4,44 27,76 3,36 34,36

19

CC

C

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

T T

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

7,66 15,53 6,58 18,85 5,50 22,85 4,42 27,87 3,34 34,50 7,64 15,59 6,56 18,92 5,48 22,94 4,40 27,97 3,32 34,65 7,62 15,64 6,54 18,99 5,46 23,02 4,38 28,08 3,30 34,79 7,60 15,70 6,52 19,05 5,44 23,10 4,36 28,18 3,28 34,94 7,58 15,76 6,50 19,12 5,42 23,19 4,34 28,29 3,26 35,09 7,56 15,81 6,48 19,19 5,40 23,27 4,32 28,40 3,24 35,24 7,54 15,87 6,46 19,26 5,38 23,35 4,30 28,51 3,22 35,39 7,52 15,93 6,44 19,33 5,36 23,44 4,28 28,62 3,20 35,54 7,50 15,99 6,42 19,40 5,34 23,52 4,26 28,72 3,18 35,69 7,48 16,05 6,40 19,46 5,32 23,61 4,24 28,83 3,16 35,84 7,46 16,10 6,38 19,53 5,30 23,69 4,22 28,95 3,14 36,00 7,44 16,16 6,36 19,60 5,28 23,78 4,20 29,06 3,12 36,15 7,42 16,22 6,34 19,67 5,26 23,87 4,18 29,17 3,10 36,31 7,40 16,28 6,32 19,74 5,24 23,95 4,16 29,28 3,08 36,47 7,38 16,34 6,30 19,81 5,22 24,04 4,14 29,39 3,06 36,63 7,36 16,40 6,28 19,88 5,20 24,13 4,12 29,51 3,04 36,79 7,34 16,46 6,26 19,95 5,18 24,21 4,10 29,62 3,02 36,95 7,32 16,52 6,24 20,03 5,16 24,30 4,08 29,74 3,00 37,11 7,30 16,57 6,22 20,10 5,14 24,39 4,06 29,85 2,98 37,28 7,28 16,63 6,20 20,17 5,12 24,48 4,04 29,97 2,96 37,44 7,26 16,69 6,18 20,24 5,10 24,57 4,02 30,09 2,94 37,61 7,24 16,75 6,16 20,31 5,08 24,66 4,00 30,20 2,92 37,78 7,22 16,81 6,14 20,39 5,06 24,75 3,98 30,32 2,90 37,94 7,20 16,88 6,12 20,46 5,04 24,84 3,96 30,44 2,88 38,11 7,18 16,94 6,10 20,53 5,02 24,93 3,94 30,56 2,86 38,29 7,16 17,00 6,08 20,60 5,00 25,02 3,92 30,68 2,84 38,46 7,14 17,06 6,06 20,68 4,98 25,11 3,90 30,80 2,82 38,63 7,12 17,12 6,04 20,75 4,96 25,21 3,88 30,92 2,80 38,81 7,10 17,18 6,02 20,83 4,94 25,30 3,86 31,04 2,78 38,99 7,08 17,24 6,00 20,90 4,92 25,39 3,84 31,17 2,76 39,17 7,06 17,30 5,98 20,97 4,90 25,48 3,82 31,29 2,74 39,35 7,04 17,37 5,96 21,05 4,88 25,58 3,80 31,42 2,72 39,53 7,02 17,43 5,94 21,12 4,86 25,67 3,78 31,54 2,70 39,71 7,00 17,49 5,92 21,20 4,84 25,77 3,76 31,67 2,68 39,90 6,98 17,55 5,90 21,28 4,82 25,86 3,74 31,79 2,66 40,08 6,96 17,62 5,88 21,35 4,80 25,96 3,72 31,92 2,64 40,27 6,94 17,68 5,86 21,43 4,78 26,05 3,70 32,05 2,62 40,46 6,92 17,74 5,84 21,50 4,76 26,15 3,68 32,18 2,60 40,65 6,90 17,81 5,82 21,58 4,74 26,25 3,66 32,31 2,58 40,84 6,88 17,87 5,80 21,66 4,72 26,34 3,64 32,44 2,56 41,04 6,86 17,93 5,78 21,74 4,70 26,44 3,62 32,57 2,54 41,23 6,84 18,00 5,76 21,81 4,68 26,54 3,60 32,70 2,52 41,43 6,82 18,06 5,74 21,89 4,66 26,64 3,58 32,84 2,50 41,63 6,80 18,13 5,72 21,97 4,64 26,74 3,56 32,97 2,48 41,83

T

T T

/ °

/ /

CC

C

CC

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

T T

/ /

T

T T

/ °

/ /

CC

C

CC

Ω

ΩΩ

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

T T

/ /

T

T T

/ °

/ /

CC

C

CC

Ω

ΩΩ

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

T T

/ /

T

T T

/ °

/ /

CC

C

CC

Ω

ΩΩ

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

Ω

ΩΩ

T T

T

T T

/ /

/ °

/ /

CC

C

CC

3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Alemania • www.3bscientific.com • Se reservan las modificaciones técnicas

20

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3B SCIENTIFIC®

3B SCIENTIFIC3B SCIENTIFIC

U10365 Aparelho para o equivalente térmico

U10366 Cilindro de cobre

Manual de instruções

9/04 MH

34

Fig.1: componentes

1

2

PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

56897blbm

®

1 Suporte com tabela de conversão:

resistência → temperatura

2 Contador 3 Cilindro de cobre (U10366) 4 Elemento aquecedor elétrico 5 Manivela 6 Pinça de fixação 7 Tornillo moleteado 8 Corda com contrapeso (não visível) 9 Cilindro de alumínio bl Sensor térmico bm Cabo adaptador bn Balde, 5  (não visível)

Com o aparelho para o equivalente térmico pode-se transformar trabalho mecânico (Nm) e energia elétrica (Ws) em calor (J). A análise mostra a equivalência das três formas de energia.

1. Indicações de segurança

• Perigo de ferimento! O peso (aprox. 5 kg) que se

encontra preso na corda 8pode ferir alguém se cair. Ele deve estar apoiado no chão na hora de fixa-lo, e durante as experiências ele nunca deve ser levantado a mais de uns 10 cm do chão.

• Perigo de queimaduras! Durante as experiências,

o cilindro de atrito (3 ou 9) é aquecido. Deve-se prestar atenção para que a temperatura não ultrapasse os 40 °C. A corrente máxima admitida no elemento aquecedor é de 3 A e não deve ser ultrapassada

• Perigo de choque elétrico! A tensão de saída máxi-

ma do aparelho de alimentação elétrica utilizado no aquecimento elétrico não deve passar dos 40 V.

2. Descrição, dados técnicos

Com o aparelho de equivalente térmico pode-se demonstrar a equivalência entre trabalho mecânico de atrito (Nm), energia elétrica (Ws) e calor (J). Os valores obtidos em Nm ou em Ws coincidem até aprox. 2%. Se esta equivalência é tomado preceito, então pode-se

determinar a capacidade térmica do alumínio ou do cobre. Graças a construção robusta com um contador de rotações integrado e um eixo de duplo rolamento, as experiências são tão simples quanto possível de serem realizadas. Para a medição da temperatura, é utilizada uma resistência com coeficiente térmico negativo (NTC), o qual está seguro dentro de uma cápsula de alumínio. A cápsula de alumínio prende no cilindro de atrito, pelo qual ela não pode escorregar involuntariamente. Dados técnicos dos cilindros de atrito (dados aproximativos): Diâmetro D: 48 mm Altura: 50 mm Cilindro de alumínio: massa mA = 250 g,

capacidade térmica específica

cA = 0,86 kJ/kg K,

Cilindro de cobre: mK = 750 g, cK = 0,41 kJ/kg K Conexão elétrica: tomadas com diâmetro de

2 mm, pólo positivo “+” isolado, pólo negativo “–” na massa, troca de pólos não leva à destruição.

3. Utilização e manutenção

• O aparelho para o equivalente térmico é fixado à

mesa de trabalho com uma pinça de fixação. Depois, enrola-se a corda de 4,5 a 5,5 vezes no cilin-

21

dro de atrito, como indicado na Fig.. 1, sendo que o contrapeso deve estar pendurado atrás e a extremidade solta da corda na frente.

• Como contrapeso, pode ser utilizado o balde for-

necido, o qual é preenchido com água ou areia, por exemplo, (massa total aprox. 5 kg). a extremidade solta da corda é ligada ao peso que se encontra no chão, sendo que deve-se prestar atenção para que o contrapeso com a corda tensa não se encontre a mais do que uns 5 cm do chão. Assim evita-se que o peso suba mais do que 10 cm durante a experiência.

• Se ao acionar a manivela constata-se que a corda

foge para a direita e eventualmente não fica na ranhura, então deve-se colocar a corda no cilindro de atrito de modo a que a extremidade ligada ao peso esteja à direita e a extremidade com o contrapeso se encontre à esquerda.

• O sensor de temperatura deve ser lubricado com

uma gota de óleo (importante!) e deve ser logo, como indicado na Fig.. 1, introduzido no cilindro de atrito escolhido até que ele encaixe sensivelmente e possa ser levemente girado (se não for introduzido à profundidade suficiente ou profundamente demais, ele não gira livremente). Ambos contatos do sensor de temperatura são conectados com uma aparelho de medição de resistência (multímetro) que deveria ter um display de no mínimo 3 dígitos na faixa de 2 kΩ até 9 kΩ. A conversão da resistência medida em temperatura pode ser efetuada por meio da tabela que se encontra na última página deste manual ou com a ajuda da seguinte equação:

217

T

=−

151

0,13

R

(1)

aqui deve-se aplicar R em kΩ para se obter aT em °C. Esta equação coincide com os dados da tabela do fabricante por resistência NTC na faixa de 10 a 40 °C em ± 0,05 °C.

• Antes de uma experiência, o cilindro de atrito deve

ser esfriado em aprox. 5 a 10 °C abaixo da temperatura ambiente. Para tal este pode ser colocado na geladeira ou em água fria, sendo que a perfuração para o sensor de temperatura deve estar para acima e só 2/3 do cilindro devem ser submergidos (dica: se o cilindro de atrito for colocado na água num saco plástico, este não precisará ser secado após o resfriamento).

• O aumento da temperatura do cilindro de atrito

durante uma experiência não deve passar de uma temperatura de aprox. 5 a 10 °C acima da temperatura ambiente. Quanto mais precisamente coincidirem as diferença de temperatura (em relação à temperatura ambiente correspondente) no aquecimento e no resfriamento, quanto menor será a troca de calor com o meio ambiente.

• Para o aquecimento elétrico do cilindro encontram-

se cabos adaptadores com tomadas de 2 mm de diâmetro de um lado e tomadas comuns de laboratório de 4 mm de diâmetro. Para a alimentação

elétrica deve-se utilizar um aparelho de alimentação com limite regulável de tensão e de corrente, sendo que tensão máxima do aparelho de alimentação elétrica não deve passar de 40 V. O pólo positivo do aparelho de alimentação elétrica deve ser conectado com a tomada isolada (reconhecível na plaquinha de plástico redonda cinza abaixo da tomada) e o pólo negativo na outra tomada.

• Os elementos aquecedores dos cilindros de atrito

não se comportam como resistência ôhmicas! A partir de aprox. 10 V a corrente aumenta rapidamente até que atinja a aprox. 12 V a corrente máxima admitida de 3 A. Para o ajuste do ponto operacional, recomenda-se primeiro ajustar o limite de corrente a 2 ou 3 A e logo aumentar a tensão a aprox. 11 V, sendo que a corrente deveria subir para aprox. 1 A. Agora pode-se ajustar o limite de corrente, aprox. 0,8 A flúem. Estes ajustes não serão mais modificados, até a experiência, a corrente é interrompida puxando o cabo de alimentação. Graças ao limite de corrente ativo e não o característico ôhmico, a tensão e a corrente ficam praticamente constantes apesar das mudanças de temperatura.

• Manutenção: Em princípio, o aparelho para o equi-

valente térmico não requer manutenção. Para a limpeza pode-se utilizar um pano úmido (água com detergente caseiro). Não se deve utilizar solventes. A imersão na água também deve ser evitada.

• Os cilindros de atrito devem estar com o metal lim-

po. Caso tenha se formado um depósito, este pode ser retirado com um produto de para metais.

• A corda pode ser lavada caso for necessário. Como

alternativa econômica para uma corda de reposto pode-se utilizar uma corda de poliamida (na loja de materiais).

4. Execução e análise da experiência

4.1 Transformação de trabalho mecânico em calor

4.1.1 Execução da experiência

• Primeiro determinam-se as diferentes massas:

peso principal (por ex. balde com água)

mH = 5,22 kg

contrapeso (na corda) mG = 0,019 kg Cilindro de alumínio mA = 0,249 kg

• Outras grandezas que devem ser medidas com

antecedência: temperatura ambiente TU = 23,2 °C diâmetro do cilindro na superfície de atrito

DR = 45,75 mm

• Após o esfriamento do cilindro de atrito este é

aparafusado no suporte, o sensor de temperatura é colocado e a corda é enrolada no cilindro (comparar parágrafo 3). Após alguns minutos, que devem passar para que a temperatura se distribua de forma homogênea, a resistência do sensor de temperatura é de R

= 8,00 kΩ (equivalente a

1

T1 = 14,60 °C conforme equação 1).

• Após controlar o ponto zero do contador, é inicia-

22

da a experiência acionando a manivela e assim é levantado o peso principal do chão. Agora o contrapeso desce ao chão, pelo que a corda se distende levemente e exerce menos atrito sobre o cilindro. O peso principal mantém a sua altura e deveria mantê-la durante toda a duração da experiência.

• Após n = 460 rotações a experiência é finalizada

e o valor da resistência é lido: R

= 3,99 kΩ

2

(T2 = 30,26 °C). Já que a temperatura ainda aumenta por uns instantes após o encerramento da experiência (homogeneização da distribuição da temperatura), anota-se como valor de medição o valor mínimo da medição de resistência obtido vários segundos após ter encerrado a experiência. Depois, a resistência volta a subir, já que por causa da troca de calor com o ambiente, a temperatura do cilindro cai.

4.1.2 Análise da experiência

• O trabalho W é definido como produto da força F

e o percurso s W = Fs (2)

• No atrito, age a força

F = mAg (3) (g é a força de gravidade) ao longo percurso s = F nπ D

r

(4)

• A aplicação das equações 3 e 4 em 2 produz:

W = m

gnπ D

A

=5,22 x 9,81

R

x 460 x 3,1416 x 0,04575 Nm = 3386 Nm (5)

• O calor ∆Q acumulado no cilindro resulta da di-

ferença de temperatura (T2– T1) e a capacidade térmica específica indicada no parágrafo 2 em:

∆Q = c

(T2– T1) = 0,86 x 0,249

A mA

x (30,26 – 14,60) kJ = 3353 J (6)

• Neste exemplo, o desvio entre o trabalho mecâni-

co e o calor não passa de aprox. 1%. Por causa de tolerâncias inevitáveis da composição do (o alumínio puro é muito mole e é quase impossível de

se trabalhar mecanicamente, por isso sempre são utilizadas ligas) a capacidade térmica específica pode variar sensivelmente. Ela deve ser determinada para cada cilindro de atrito individualmente. O modo mais fácil de fazer isto é por meio de aquecimento elétrico e com a premissa da equivalência do calor e da energia elétrica.

4.2 Transformação da energia elétrica em calor

4.2.1 Execução da experiência

• Após o esfriamento do cilindro de atrito, este é aparafusado no suporte (mesmas condições experimentais que na experiência do atrito) e o sensor de temperatura é instalado. Após alguns minutos, que devem passar para que a temperatura se distribua de forma homogênea, a resistência do sensor de temperatura é de R

= 8,00 kΩ

1

(equivalente a T1 = 14,60 °C conforme equação

1).

• Agora o aparelho de alimentação elétrica, que já foi ajustado, (veja parágrafo 3) é conectado ao elemento aquecedor e um cronômetro é lançado. Tensão e corrente (indicações no aparelho de alimentação) são anotadas: U = 11,0 V , Ι = 0,510 A

• Depois de t = 600 s a experiência é concluída e o valor da resistência é lido:

R

= 3,98 kΩ (T

2

= 30,32 °C).

2

4.2.2Análise da experiência

• A energia elétrica E é o produto da potência P e do tempo t. A potência, é o produto da tensão e da corrente. Portanto, é válido:

EUT= = 11,0 x 0,512 x 600 = 3379WsI

(7)

• Nesta experiência, o calor aportado é de ∆Q = c

(T2– T1) = 0,86 x 0,249

A mA

x (30,32-14,60) kJ = 3366 J (8)

• Também aqui, a coincidência entre E é ∆Q muito boa.

Relação entre resistência e temperatura no sensor de temperatura

RR

/ k / k

ΩΩ

TT

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

CC

T

/ °

C

TT

/ /

CC

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

T T

/ /

T

T T

/ °

/ /

CC

C

CC

Ω

ΩΩ

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

T T

/ /

T

T T

/ °

/ /

CC

C

CC

Ω

ΩΩ

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

T T

/ /

T

T T

/ °

/ /

CC

C

CC

Ω

ΩΩ

R R

R

R R

/ k/ k

/ k

/ k/ k

ΩΩ

Ω

ΩΩ

T T

T

T T

/ /

/ °

/ /

7,86 14,97 6,78 18,19 5,70 22,05 4,62 26,84 3,54 33,10 7,84 15,03 6,76 18,26 5,68 22,13 4,60 26,94 3,52 33,24 7,82 15,08 6,74 18,32 5,66 22,21 4,58 27,04 3,50 33,38 7,80 15,14 6,72 18,39 5,64 22,29 4,56 27,14 3,48 33,51 7,78 15,19 6,70 18,45 5,62 22,37 4,54 27,24 3,46 33,65 7,76 15,25 6,68 18,52 5,60 22,45 4,52 27,35 3,44 33,79 7,74 15,31 6,66 18,58 5,58 22,53 4,50 27,45 3,42 33,93 7,72 15,36 6,64 18,65 5,56 22,61 4,48 27,55 3,40 34,07 7,70 15,42 6,62 18,72 5,54 22,69 4,46 27,66 3,38 34,22 7,68 15,47 6,60 18,78 5,52 22,77 4,44 27,76 3,36 34,36

23

CC

C

CC

RR

/ k / k

ΩΩ

T T

/ /

R

/ k

Ω

RR

/ k / k

ΩΩ

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