Forráspont mérése hitelesített hőmérővel

Eszközök

• termisztor (félvezető ellenállás)
• multiméter
• higanyos hőmérő (0 °C - 80 °C méréstartomány)
• kemping gázfőző (a szorgalmi feladathoz)

Mérési feladatok

1. A félvezető ellenálláshőmérő hitelesítése.

A félvezető anyagok ellenállása jól közelíthető az $\setbox0\hbox{$R = A \text e^\frac{B}{T}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ kifejezéssel, ahol $\setbox0\hbox{$A$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a $\setbox0\hbox{$T = \infty$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ értékhez tartozó ún. maradékellenállás, és $\setbox0\hbox{$B > 0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a félvezető anyagára jellemző állandó ($\setbox0\hbox{$B = \Delta E / k$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, ahol $\setbox0\hbox{$\Delta E$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a félvezető tiltott sáv szélessége, $\setbox0\hbox{$k$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ pedig a Boltzmann-állandó).

a) Kösse a termisztort a multiméterre! Öntsön egy pohárba forró (kb. 80 °C-os) vizet, helyezze bele a higanyos hőmérőt és a termisztort! A víz hűlése közben folyamatosan olvassa le a hőmérő által mutatott hőmérsékletet és a termisztor ellenállását!

• Figyeljen arra, hogy a hőmérő üveggömbje és a termisztor egymáshoz közel legyen, minél inkább azonos hőmérsékletű víz vegye őket körbe! A vizet hurkapálcával kevergetheti is. Fémkanalat ne használjon, mert eltörheti a hőmérőt!

• A szobahőmérséklethez közeledve gyorsíthatja a hűlést jeges víz hozzáadásával. Így közel 0 °C-ig mérhet.

b) Végezze el a mérést többször is! Ábrázolja a mért adatokat, és a mérési pontokra illesszen az elméletnek megfelelő görbét! Határozza meg az $\setbox0\hbox{$A$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ és $\setbox0\hbox{$B$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ állandókat!

• Az illesztéshez a hőmérsékletet értelemszerűen K-ben kell mérni!

c) A mérési hibák és az illesztés hibája alapján becsülje meg, hogy 100 °C környékén milyen pontosan tud hőmérsékletet mérni a termisztorral és a multiméterrel!

• A hibabecslést természetesen számításokkal támassza alá!

2. Vizsgálja meg, hogy különböző körülmények között milyen hőmérsékleten kezd el forrni a víz!

a) Egy edénybe töltsön vizet, helyezze bele a multiméterre kötött termisztort, és kezdje el a vizet melegíteni. Figyelje meg, hogy mikor kezd a víz forrni, azaz mikor kezd el hevesen bugyborékolni! Jegyezze fel az ekkor mért ellenállást, majd ebből a kalibráció alapján határozza meg a hőmérsékletet!

• A termisztor a víz közepén helyezkedjen el!

• A víz "gyöngyözése" (amikor az edény oldalán apró buborékok keletkeznek) még nem forrás.

b) Ismételje meg a mérést többször! Mekkora szórást tapasztal, ha ugyanolyan körülmények között mindig ugyanolyan mintát (pl. friss csapvizet vagy palackos desztilált vizet) forral? Mennyire reprodukálható a mérés?

c) Végezzen méréseket különböző mintákon, különböző körülmények között. Elemezze a következő tényezők hatását:

• Friss vizet használ, vagy már korábban felforralt és lehűtött vizet forral újra? (Ha eltérést tapasztal, annak mi lehet az oka?)

• Desztilált vízzel vagy csapvízzel mér? Szennyezők (pl. só, cukor) hatása.

• A hőmérő elhelyezése az edényben.

• A forralás sebessége.

+ (szorgalmi) feladat Végezzen mérést egy kemping gázfőzővel! Ismételje meg a mérést egy (minél magasabb) hegyen! Határozza meg a két mérési helyszín közötti magasságkülönbséget a mérési adatok alapján!

• A mérés egyéb paraméterei lehetőleg legyenek változatlanok!

• A víz forráspontjának nyomásfüggését táblázati adatok alapján határozza meg!

• A légnyomás magasságfüggését nem túl nagy magasságok esetén számíthatja egyszerűen a $\setbox0\hbox{$\Delta p=\Delta h \varrho(T)g$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ aerosztatikai nyomás képlet alapján, ahol a levegő $\setbox0\hbox{$\varrho(T)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ sűrűségét a hőmérséklet és a légnyomás ismeretében az ideális gáz állapotegyenletéből fejezheti ki.

• Hasonlítsa össze az eredményt a földrajzi adatokból ismert magasságokkal!

• Mennyire befolyásolja a mérést az időjárás (és így a légnyomás) változása? Adott magasságon végzett forráspontmérésekből lehet-e időjáráselőjelzéshez használható pontossággal a légnyomásváltozásra következtetni?