TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/7 1B16A. LÄMPÖLAAJENEMINEN JA ILMAN SUHTEELLINEN KOSTEUS A. LÄMPÖLAAJENEMINEN Pituuden lämpötilakertoimen määrittäminen vesihauteen avulla 1. Työn tavoite Tutkitaan aineen lämpölaajenemista määrittämällä pituuden lämpötilakerroin. 2. Teoriaa Lämpötilan muutos Δ t aiheuttaa kappaleen pituuteen l muutoksen Δ l. Muutoksen suuruuteen vaikuttaa ko. materiaalin pituuden lämpötilakerroin α siten, että tietyllä lämpötilavälillä huoneenlämpötilan ympäristössä Δl = α l Δt. (1) 3. Työn suoritus Pituuden lämpötilakerroin määritetään annetulle aineelle, ellei valvoja toisin määrää. Tutkittavana kappaleena on putki. Sen lämpötilaa muutetaan termostaattihauteen avulla lämmitetyllä vedellä. Putken toinen pää lukitaan telineen runkoon. Vastakkaiseen päähän kiinnitetyn laatan siirtymä mitataan mittakellolla. Kiinnitys Mitattava putki Mittakello Telineen jäähdytys Lämpölaajenemisen mittauslaite Työn suoritusohjeita: Putki kiinnitetään ensin telineeseen, sitten asetetaan mittakellon anturi nojaamaan putken toisessa päässä olevaan laattaan ja vasta sitten letkut kumpaankin päähän. Mittakellon nollaus suoritetaan nollaamalla kummatkin osoittimet. Mittakellon yhteydessä on säätöruuvi tätä tarkoitusta varten. Sen jälkeen käynnistetään termostaattihaude. Termostaattihauteen käytöstä on erillinen ohje pöydällä. Lämpötila havai-
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 2/7 taan termostaattihauteen näytöstä. Lähtölämpötilaksi voidaan valita huoneenlämpötila tai sitä matalampi lämpötila. Koska jäähdyttäminen suoritetaan vesijohtoverkon avulla, on järkevää valita aluksi sellainen lämpötila, joka on selvästi, esim. 5 astetta korkeampi kuin vesijohtoveden lämpötila. Mittaus suoritetaan aina kahteen suuntaan. Ensin putkea lämmitetään ja tehdään havainnot 5 6 eri lämpötilassa suunnilleen tasaisin välein. Korkein sallittu lämpötila on aina 7 C, muoveilla 6 C. Samaten jäähdytettäessä havainnot tehdään yhtä monessa eri lämpötilassa. 3.1 Käytännön vihjeitä: Kun lämmitetään, ulkoinen vesikierto on pysäytetty, mutta jäähdytettäessä kannattaa ensin asettaa termostaattiin tavoitelämpötila ja sen jälkeen käyttää tehokasta ulkoista vesikiertoa. Kun termostaatin lämpötila on sama kuin tavoitelämpötila, pysäytetään ulkoinen vesikierto ja hetken kuluttua tavoitelämpötila on saavutettu. Näin menetellen tavoitelämpötila saavutetaan nopeiten. Putken vaihto suoritetaan aina matalassa lämpötilassa. Jos tutkittava putki on lasia, on käytettävä suojakäsineitä. Termostaattihaude ja telineen rungon jäähdytys pysäytetään putken vaihdon ajaksi. Letkujen ollessa vielä kiinni putki irroitetaan telineestä, nostetaan pystyyn ja letku irroitetaan ylöspäin sojottavasta mitattavan putken yläpäästä. Veden annetaan valua takaisin termostaattihauteeseen ja vasta sitten irroitetaan letku putken alapäästä. 4. Virheen arviointi ja tulokset Työselostuksessa havainnot merkitään millimetripaperille koordinaatistoon, jossa akseleina ovat lämpötila ja pituuden muutos. Kuvaaja tasoitetaan (suora) ja α lasketaan kulmakertoimesta. Kummatkin kuvaajat voidaan piirtää samaan koordinaatistoon. Arvioi työtä tehdessäsi eri suureiden virheiden suuruudet ja mieti erikseen, mikä on pituuden l virhe kiinnitysmekanismista johtuen! Huomaa kuitenkin erityisesti, että d ( Δ t) = 2dt (Miksi?). Kertoimen α suhteellisen virheen yläraja lasketaan seuraavasti: dα α ( Δ ) d d l l dt 2 + + 2 Δl l Δt (2) Tuloksena ilmoitetaan kummallekin aineelle pituuden lämpötilakerroin virherajoineen sekä kirjallisuusvertailuarvo.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 3/7 B. ILMAN SUHTEELLINEN KOSTEUS 1. Työn tavoite 2. Teoriaa Työn tässä osassa perehdytään erilaisiin ilman kosteuden mittaamismenetelmiin. Täysin kuiva ilma ei sisällä lainkaan vesihöyryä. Vesihöyryllä tarkoitetaan molekyylimuodossa eli kaasumaisessa muodossa olevaa yhdistettä H 2 O. Se on näkymätöntä. Vesihöyryn määrä ilmoitetaan sen tiheyden avulla, eli höyrynä olevan veden massa jaettuna ilmamäärän tilavuudella. Absoluuttisella kosteudella tarkoitetaan ilmassa todella olevan vesihöyryn tiheyttä (tunnus ρ h ). Tietyssä lämpötilassa ilmassa voi olla vain rajallinen määrä vesihöyryä. Tätä suurinta mahdollista vesihöyryn määrää kutsutaan maksimikosteudeksi, jonka tunnus on ρ h max (t). Maksimikosteus riippuu siis lämpötilasta. Maksimikosteus lämpötilan funktiona löytyy kirjallisuudesta sekä graafisena kuvaajana että taulukkona. Suhteellisella kosteudella tarkoitetaan absoluuttisen kosteuden suhdetta maksimikosteuteen. Sen tunnus on ϕ (%) tai R. ρh ϕ = ρ t (3) hmax () Ilmassa oleva vesihöyry aiheuttaa tietyn paineen, vesihöyryn osapaineen p h. Samaten kuin edellä, maksimikosteus vastaa osapaineen suurinta mahdollista arvoa p h max (t) eli kylläisen vesihöyryn painetta. Suhteellinen kosteus saadaan näin ollen myös osapaineitten suhteena: ϕ = ph p t (4) hmax () Maksimikosteus pienenee lämpötilan laskiessa. Kostean ilman jäähtyessä sen absoluuttinen kosteus pysyy kutakuinkin samana. Se merkitsee, että suhteellinen kosteus kasvaa. Lämpötilaa, jossa suhteellinen kosteus on 1 %, eli vesihöyry on kylläistä, kutsutaan kastepisteeksi. Jos lämpötila laskee vielä senkin alapuolelle, vesihöyry alkaa tiivistyä pisaroiksi. Jos kastepiste on nollan alapuolella, on odotettavissa hallaa. Hygrometrejä on eri tyyppisiä: - mekaanisia, - sähköisiä ja - kastepisteen määritykseen perustuvia Psykrometri on kuivan ja kostean lämpömittarin yhdistelmä
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 4/7 Hiushygrometri: 5 2 8 ϕ (%) hius Mekaanisen hygrometrin anturina on esim. ihmisen hius. Hius on kosteana pidempi kuin kuivana. Ikävä kyllä hiuksen pituus riippuu myös lämpötilasta. Niinpä hiushygrometrin tarkkuus ei ole kovinkaan hyvä, ja sen kalibrointi muun kuin yhden suhteellisen kosteuden arvon mukaan on mahdotonta. Mekaanisen kosteusmittarin etuna ovat sen rakenteen yksinkertaisuus ja hinnan halpuus. Sähköisen kosteusmittarin anturissa on hygroskooppista suolaa (esim. Li-kide), jonka resistanssi ja permittiivisyys muuttuvat kosteuden mukaan. Vaisalan kosteusmittari: anturi näyttölaite Sähköiset kosteusmittarit ovat rakenteeltaan monimutkaisempia ja hinnaltaan kalliimpia kuin mekaaniset. Ne pystytään kalibroimaan lisälaitteen avulla näyttämään oikein sekä kuivassa että kosteassa ilmassa. Kastepisteen mittaus tapahtuu seuraavasti: Jäähdytetään kirkaspintaista kappaletta tavalla tai toisella (esim. Peltier-kenno on sopiva tähän tarkoitukseen). Tietyssä lämpötilassa kiiltävälle pinnalle alkaa tiivistyä kosteutta eli se muuttuu himmeäksi. Tämän lämpötilan ja kosteustaulukon avulla saadaan suhteellinen kosteus eli kastepisteessä vallitsevan kosteuden ja huoneenlämpötilassa olevan maksimikosteuden suhde.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 5/7 Laitteisto: Virtalähde LM 35 _ + Peltier-kenno max. 7 A Jäähdytysvesi DVM U t Viemäriin - 18 kω + V 9V 9V Melko suuren (n. 7 A) sähkövirran avulla siirretään lämpöä Peltier-kennon ylemmältä levyltä alemmalle ja veden avulla jäähdytetään alempaa levyä. Lämpötilan mittaamiseen käytetään elektronista lämpötila-anturia (LM 35), joka ilmaisee lämpötilan o jännitteen funktiona seuraavasti: t( C) = 1 U t (V). Siten digitaalisen yleismittarin avulla lämpötila saadaan suoraan celsiusasteina. Tietyssä lämpötilassa ylemmän, kirkkaan levyn pintaan alkaa tiivistyä vesihöyryä ja levyn pinta muuttuu himmeäksi. Havaitaan tämä himmeneminen mahdollisimman aikaisessa vaiheessa ja etsitään taulukosta tätä kastepisteen arvoa vastaava maksimikosteus. Sen ja huoneenlämpötilan maksimikosteuden suhteesta saadaan laskettua suhteellinen kosteus. Psykrometrissä eli haihdutusperiaatteella toimivassa kosteusmittarissa oleva kostea lämpömittari osoittaa haihtumisen vuoksi matalampaa lämpötilaa (t ) kuin kuiva lämpömittari (t). Lämpötilojen eroista saadaan taulukon avulla selville suhteellinen kosteus. Tämä mittaus voidaan toteuttaa myös kahden irrallisen lämpömittarin avulla seuraavasti: kaksi ohuissa langoissa riippuvaa lämpömittaria statiivi toisen mittarin alapäässä kostutettu paperi V 1.29
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 6/7 Ennen havaintojen tekoa heilautetaan kosteaa mittaria hieman, jotta saataisiin se irti synnyttämästään vesihöyrypilvestä. Havaitaan mittareiden lämpötilat ja lasketaan ensin ilmassa olevan vesihöyryn osapaine kokeellisesta kaavasta ( ) p = p A t t p, (5) h hmax missä p on vallitseva ilmanpaine ja A=8 1-4 / C. Huomaa: Kaikki paineet ovat yksikössä kpa. Ilman suhteellinen kosteus saadaan yhtälöstä ϕ = p p (6) h () t hmax 3. Työn suoritus Kosteus ilmoitetaan useimmiten prosentteina. Mitataan fysiikan laboratorion ilman suhteellinen kosteus määräajoin, esim. 5 min välein ja seurataan sen muuttumista ajan funktiona. Havaitaan ilman kosteus kahdella hiushygrometrillä, psykrometrillä, kahden lämpömittarin keinolla ja kastepistemenetelmällä. Kastepistemittaus tehdään kahteen kertaan, työvuoron alkuvaiheessa ja lopussa. Lämpötilat kannattaa havaita, jos mahdollista, asteen osien tarkkuudella. Työvuoron alussa käynnistetään ilmankostutin ja todetaan, onko sillä vaikutusta näin suuren tilan ilman kosteuteen näin lyhyessä ajassa. Työselostukseen piirretään graafinen esitys, jossa eri menetelmien kuvaajat ovat selvästi eri merkinnöillä varustettuina ajan funktiona. Ilman kosteustaulukko on seuraavalla sivulla.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 7/7 Taulukko. Kylläisen vesihöyryn tiheys ja paine eri lämpötiloissa. Väliarvot saadaan interpoloimalla. t ( C) ρ hmax (g/m 3 ) p hmax (kpa) -1 2,15,27-5 3,24,41 4,85,61 1 5,19,66 2 5,56,71 3 5,95,76 4 6,36,81 5 6,8,87 6 7,26,93 7 7,75 1, 8 8,27 1,7 9 8,82 1,15 1 9,41 1,23 11 1, 1,31 12 1,7 1,4 13 11,3 1,5 14 12,1 1,6 15 12,8 1,71 16 13,6 1,82 17 14,5 1,94 18 15,4 2,6 19 16,3 2,2 2 17,3 2,34 21 18,3 2,5 22 19,4 2,64 23 2,6 2,81 24 21,8 2,98 25 23, 3,17 26 24,4 3,36 27 25,8 3,57 28 27,2 3,78 29 28,8 4,1 3 3,4 4,24 35 39,6 5,63 4 51,1 7,37 6 13 19,9 8 293 47,4 1 598 11,3