Raffreddamento ed ebollizione

NOTA: questo esperimento utilizza il riscaldamento a fiamma. Assicurarsi che un estintore sia a portata di mano e che nessun materiale infiammabile sia vicino all'esperimento. Seguire tutte le precauzioni standard per la sicurezza antincendio.

1. Fabbricazione del campione per la tempra (vedi fotografia, Fig. 1)

1. Tagliare una piccola lunghezza (~ 24 mm) di asta di rame di 9,53 mm di diametro. Praticare due piccoli fori (diametro 1,6 mm) circa a metà strada nell'asta vicino alle due estremità. Questi fori saranno i pozzetti delle termocoppie. Poiché i fori e le termocoppie sono relativamente piccoli, possiamo supporre che abbiano un effetto minimo sul comportamento complessivo del trasferimento di calore.
2. Utilizzare resina epossidica ad alta temperatura(ad esempio,JB Kwik) per apporre sonde termocoppia ad alta temperatura nei due fori. Assicurarsi che le punte della sonda della termocoppia siano premute al centro del campione di rame mentre la resina epossidica si imposta.
3. Impostare un contenitore per l'acqua come bagno di spegnimento. Inserire una terza termocoppia di riferimento nel bagno vicino a dove verrà spento il campione.
4. Collegare le tre termocoppie a un sistema di acquisizione dati. Impostare un programma (ad esempio in LabVIEW) per registrare le misurazioni della temperatura transitoria in un foglio di calcolo.

Figura 1: a. Fotografia di un campione di rame strumentato nel bagno d'acqua di raffreddamento.b. Campione di rame riscaldante.

2. Esecuzione dell'esperimento

1. Posizionare un bruciatore Bunsen o un contenitore di combustibile sfregamento accanto al bagno di tempra. Accendi la fiamma.
2. Da una distanza di sicurezza, riscaldare gradualmente il campione sulla fiamma (a ~ 50 ° C consigliato per il primo esperimento). Il campione può essere trattenuto dai conduttori della termocoppia (Fig. 1b).
3. Inizia a registrare i dati della termocoppia da archiviare e immergi il campione nel bagno di spegnimento. Tenere il campione fermo in modo che il trasferimento di calore a convezione forzata sia minimo. Interrompere la registrazione dei dati di temperatura una volta che il campione si avvicina entro pochi gradi dalla temperatura del bagno.
4. Ripetere questa procedura per temperature iniziali del campione progressivamente più elevate (fino a ~ 300 ° C). Per i casi superiori a 100°C, osservare il comportamento di ebollizione dopo aver spento il campione.

3. Analisi dei dati

1. Per le misurazioni della temperatura registrate, registrare la temperatura media del campione in ogni momento come media aritmetica delle due letture della termocoppia incorporata.
2. Calcolare la velocità di raffreddamento del campione ad ogni tempo registrato j come = (T_s,j+1-T_s,j)/(t_j+1-t_j) (i valori saranno negativi). Qui, t_j è il tempo di ogni lettura registrata. Può essere utile attenuare queste curve di velocità di raffreddamento eseguendo una media corrente con una finestra di esempio di 2-3 letture.
3. Calcolare i coefficienti sperimentali di scambio termico h con Eqn. 2 utilizzando la velocità di raffreddamento della fase 3.2 e le temperature del bagno misurato (T_∞) e del campione (T_s). In che modo questi coefficienti di scambio termico si confrontano con i valori previsti (Eqn. 4, vedi Risultati)?
4. Per un caso con temperatura iniziale inferiore a 100 °C, utilizzare la misurazione sperimentale iniziale della temperatura e integrare numericamente Eqn. 2 per prevedere il raffreddamento nel tempo. Usa Eqn. 4 per prevedere il coefficiente di convezione in ogni momento. Confrontare questa curva con i valori misurati. Per la dimensione numerica del passo temporale Δt(ad esempio, 0,1 s), la temperatura può essere integrata come:
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