Контрольные вопросы для проверки усвоенного материала, расчетные задания
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Термоэлектрокинетическиеявления в жидких электролитах Термоэлектрокинетический эффект возникает при действии х термодинамических сил, те, например, при наличии термоэлектрического и электрокинетического явлений. Если скорость течения жидкости равна нулю – эффект близок к термоэлектрическому, если градиент Диффузия ионов Термодиффузия ионов gradT 17 температуры равен нулю – электрокинетическому. При оптимальных условияхтермоэлектрокинетическая и термоэлектрическаяЭДС близки по порядку величины, но по ряду факторов это новый класс явлений. На основе теории Онзагера[4] можно сделать вывод о существовании класса термоэлектрокинетических эффектов - перенос массы, обусловленный наличием одновременно градиента температуры и переносом электрического заряда - перенос внутренней энергии, обусловленный наличием одновременно переноса массы и переносом электрического заряда - перенос электрического заряда, обусловленный одновременно наличием переноса массы и переноса внутренней энергии (наличием градиента температуры. Установка для измерения термоэлектрокинетическойЭДС состоит из образной трубки, рис. 14 [4], через которую может протекать электропроводящая жидкость, при наличии вертикального градиента температуры. Рис. 14. Схема установки для наблюдения термоэлектрокинетического эффекта Сущность кинетической неоднородности, как это видно из рис, заключается в том, что водном из колен образной трубки скорость течения жидкости совпадает по направлению с градиентом температуры, а в другом колене эти направления противоположны. Таким образом, обусловленные термодиффузией потоки ионов направлены водном колене gradT 18 риса) по течению, а в другом – против течения электропроводящей жидкости (рис. 15, б. Следует ожидать, что термоэлектродвижущая сила будет наибольшей при наибольшем различии подвижностей положительных и отрицательных ионов электролита [6]. Рис. Направления потоков переноса массы, тепла и заряда в левом (аи правом (б) коленах образной трубки Термодиффузия ионов Течение жидкости Термодиффузия ионов Течение жидкости а) б) 19 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМАХ В окружающем нас мире жидкие среды, как правило, представляют собой коллоидные системы. По своему определению такие системы являются гетерогенными и состоят из взвеси или аэрозоля одной фазы в другой. Более общее название таких систем, охватывающее помимо жидкостей, также газы и твердые тела – дисперсные системы. Такие системы состоят из непрерывной фазы или среды, называемой дисперсионной и прерывистой фазы, равномерно распределенной в дисперсионной и называемой дисперсной. Если мы говорим о жидких системах, то это или взвеси мельчайших твердых частиц или мелких пузырьков газа в жидкости. В зависимости от размера взвешенных частиц коллоидные жидкие системы подразделяют на суспензии и коллоидные растворы. К первым относятся грубодисперсные взвеси частицы дисперсной фазы, которой имеют размеры более 1000 нм. Отличительной особенностью таких систем является то, что дисперсные частицы в таких системах можно увидеть в оптический микроскоп. Например, в широко известном явлении броуновского движения броуновские частицы как раз представляют собой дисперсную среду, и поскольку их можно было наблюдать в оптический микроскоп, то данная система представляет собой суспензию. Также отличительной особенностью суспензий является возможность механического разделения двух фаз в поле силы тяжести. Дисперсные системы, в которых размер частиц менее 1000 нм называются уже коллоидными растворами. Внешне они очень похожи на истинные растворы, и частицы твердой фазы уже невозможно различить в оптический микроскоп, по сравнению с суспензиями они более устойчивы к разделению на две фазы. Важную роль в устойчивом существовании частиц твердой фазы в коллоидных растворах играет явление адсорбции – избирательного поглощения поверхностью коллоидных частиц ионов одного знака, присутствующих в жидкости. В результате коллоидные частицы заряжаются электрическими зарядами одного знака, что приводит к их электростатическому отталкиванию и препятствует их агрегации. 20 Существует несколько способов получения коллоидных растворов, однако все их можно подразделить на два пути. 1. Дисперсионный – в этом случае частицы коллоидного размера получают измельчением более крупных частиц. Для этого используют специальные коллоидные мельницы. 2. Конденсационный – противоположный дисперсионному. Частицы дисперсионной фазы получаются путем укрупнения частиц истинных растворов (ионов или молекул) до размера коллоидных частиц. Как правило, к данному способу относятся различные химические методы. Таким образом, поскольку в коллоидных растворах дисперсные частицы имеют заряд одного знака, а дисперсионная среда соответственно другой знак, тов таких растворах наблюдаются различные электрические явления. Например, при приложении электрической разности потенциалов к такой системе будет происходить направленное перемещение заряженных коллоидных частиц и дисперсионной среды в противоположные стороны. Для коллоидной системы, в которой дисперсионная среда является жидкостью, а дисперсные частицы – относятся к твердой фазе, будет наблюдаться направленной перемещение дисперсных частиц в электрическом поле. Данное явление носит название электрофореза и широко применяется в настоящее время. В конце прошлого века было открыто, что коллоидные растворы имеют рекордные значения коэффициента Соре, который на 2-3 порядка превышает максимальные значения для ионных электролитных систем. При наличии градиента температуры заряженные коллоидные частицы будут испытывать тепловой дрейф, формируя градиент концентрации T s n n T / , пропорциональный градиенту температуры, где Т – коэффициент Соре. Неоднородное распределение заряженных частиц в жидкой среде вызовет формирование внутреннего электрического поля T E , пропорционального градиенту температуры с коэффициентом пропорциональности , имеющим смысл коэффициента термоэлектродвижущей силы. Коэффициенты Соре и термоэлектродвижущей силы заряженных коллоидных частиц зависят от энтропии переноса заряженных коллоидных частиц S i . Причем абсолютное значение энтропии переноса увеличивается с увеличением размера заряженной частицы, вследствие этого коллоидные 21 растворы обладают рекордными по сравнению с истинными растворами электролитов значениями коэффициента Соре. Так в ряде исследований, наблюдалось интенсивное движение таких коллоидных частиц как двуокись кремния, молекулы ДНК, полистирольные сферы в неоднородном температурном поле. Интерес к термоэлектрическим свойствам коллоидных систем обусловлен, прежде всего, перспективами их применения в термоэлектрохимических генераторах. 22 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Лабораторная работа Изготовление и градуировка термопары Цель работы изучить эффект Зеебека, освоить процедуру изготовления термопары, освоить методику измерений температуры с помощью термопары, определить коэффициент термоЭДС готовой и самостоятельно изготовленной термопар. Приборы и материалы готовая термопара, лабораторная печь, сосуд с водой, сосуд сколотым льдом, ртутный термометр, милливольтметр, набор проводов из различных металлов, принадлежности для пайки. Порядок выполнения работы 1. Подключите готовую медь-константановуютермопару к милливольтметру (рис. 5, б, опустив измерительный спай вводу при комнатной температуре. Зафиксируйте значение температуры. 2. Включите нагреватель. 3. Проведите измерения термоЭДС с определенным шагом, практически не доводя воду до кипения. 4. Постройте градуировочную кривую. Сравните с имеющимися в литературе. Определите коэффициент термоЭДС. 5. Посредством пайки изготовьте термопару из двух предложенных проводов длиной не менее 0,5 м. 6. Соберите схему для градуировки термопары со стабилизацией температуры холодного спая (риса, опустив один спай в стакан сколотым льдом, второй в сосуд с нагреваемой водой. 7. Повторите измерения п.п.3,4. 8. Сравните результаты, полученные по методики компенсации и стабилизации температуры холодного спая. 9. По результатам градуировки определите материалы, выбранных в п проводников. 23 Лабораторная работа Изучение эффекта Пельтье Цель работы изучить эффект Пельтье, ознакомиться с устройством термоэлектрического модуля Пельтье и принципами его функционирования, освоить методику расчета характеристик модуля, определить коэффициент Пельтье. Приборы и материалы элементы Пельтье промышленного и лабораторного изготовления, регулируемый источник ЭДС, амперметр, ограничительное сопротивление, термопара(тепловизор). Методика и техника измерений В качестве исследуемых применены термоэлектрический модуль, изготовленный в лаборатории кафедры физики СПбГУТиД и серийно изготовленные модули TEC-12704/12706 различной мощности. При пропускании тока через модуль в горячей и холодной частях будет выделяться джоулево тепло и тепло,обусловленное эффектом Пельтье: ПДж, ПДж) при этом величина Дж пропорциональна квадрату тока и всегда положительно, а П линейно зависит от него и изменяет знак при изменении направления тока. В случае теплового равновесия в установившемся режиме джоулево тепло одинаково для обеих частей и разность температур определяется только теплом Пельтье. Оно в свою очередь пропорционально числу спаев в термоэлектрическом модуле n (в исследуемых устройствах – 127 шт I П n Q П (12) Если оснастить одну из поверхностей модуля радиатором с интенсивным воздушным охлаждением, то температуру этой поверхности можно принять равной комнатной T 0 . Между второй поверхностью и окружающей средой возникает разность температур ΔT и происходит теплообмен за счет теплопроводности ив установившемся режиме уравнение теплового баланса примет вид П) где λ – коэффициент теплопроводности. Джоулево тепло распределяется поровну между поверхностями, тов) имеем деление на 2. Величину ΔT в работе предлагается измерять непосредственно тепловизором, либо с помощью термопары с известными 24 характеристиками (линейными для небольшого интервала измеряемых температур T U (14) Подставляя (13) в (14) получаем для напряжения термопары , 2 П) те. измеряемая величина ΔT выражается квадратичной функцией тока BI AI I T 2 ) ( Зависимость (15), построенная экспериментально, позволяет отыскать значение искомого коэффициента ПельтьеП посредством аппроксимации параболической зависимостью на ПЭВМ. Порядок выполнения работы 1. Подключите исследуемый модуль к источнику питания через ограничительное сопротивление. Включите вентилятор. 2. Увеличивайте ток через модуль от нуля с шагом 0,2 А. После каждого изменения тока дожидайтесь установления теплового равновесия (не менее 1 мини фиксируйте значение напряжения термопары. 3. Доведя значение тока до максимально разрешенного (в паспорте к модулю, повторите измерения при противоположной полярности включения модуля. 4. Постройте зависимость ) (I T с помощью пакета для численного анализа на ПЭВМ. Получите значение коэффициента Пельтье. 5. Повторить п.п.1-4 наследующем элементе Пельтье. Сравнить полученные результаты. 25 Лабораторная работа Использование термоэлектрического генератора для измерения тепловой мощности Цель работы изучить устройство термоэлектрического генератора, освоить методику измерений слабых тепловых потоков. Приборы и материалы элементы Пельтье промышленного или лабораторного изготовления, нагрузочное сопротивление, вольтметр. Методика и техника измерений В качестве исследуемых применены термоэлектрический модуль, изготовленный в лаборатории кафедры физики СПбГУТиД [5] и серийно изготовленные модули TEC-12704/12706 различной мощности. Одна из пластин (нижняя) находится на массивном радиаторе, то. ее температура практически равна комнатной. При создании разности температур на поверхностях термоэлектрического генератора (ТЭГ), в нем возникает ЭДС, пропорциональная ΔT: ) ( 2 1 1 T T T U (16) Для исследуемого элемента КВ / 10 3 , что позволяет вычислить возникающую разность температур. Схема измерений в режиме холостого хода ив режиме согласованной нагрузки R=r приведена на рисунке Рис. 16. Схема включения ТЭГ, R – сопротивление нагрузки, r – внутреннее сопротивление ТЭГ. ТЭГ К R = r V 26 Величина КПД генератора определяется по формуле [1] и для малых разностей температур не превышает 10 -2 : , 2 ) 1 2 2 ( 0 ) ( 4 2 2 1 0 1 4 1 2 1 U T Z U T U T T Z T T (17) где Z 0 – термоэлектрическая добротность полупроводникового материала для данного диапазона температур (К, Т – комнатная температура температура холодильника, Т температура нагревателя. Замыкание ключа К переводит генератор в режим согласованной нагрузки R=r, (для исследуемого ТЭГ R = 3 Ом. Полезная мощность выражается через показания вольтметра 2 2 R U P (18) Зная КПД, можно оценить полную мощность, производимую за счет теплоотдачи 2 2 2 п) Подставляя (17) в (19), получаем ) 2 ( ) ( 16 1 2 1 1 2 2 п) Порядок выполнения работы 1. Измерить температуру T 2 в лаборатории. (Примем ее за температуру радиатора, на котором установлен ТЭГ). 2. При разомкнутом ключе, касаясь поверхности генератора пальцем, измерить. Повторить измерения несколько раз, дожидаясь остывания поверхности. (Касания осуществлять осторожно, чтобы не допустить механических повреждений ТЭГ). 3. Определить значение температуры человеческого тела (пальца. 4. Повторить измерения п. 2 для замкнутого ключа, измеряя значения U 2 5. Определить полезную мощность ТЭГ. 27 6. Измерив площадь чувствительной площадки, определить величину измеренного теплового потока. 7. Принимая человека за абсолютно черное тело площадью порядкам, по закону Стефана-Больцмана оценить тепловой поток от поверхности пальца. Сравнить с п. 28 Лабораторная работа №4. Измерение коэффициента термоЭДСв водных растворах электролитов Цель работы изучить термоэлектрический эффект в электролитах, освоить методику измерений коэффициента термоЭДСв водных растворах электролитов, определить коэффициент термоЭДС. Приборы и материалы:U-образная трубка, нагреватель, источник питания, микровольтметр с подключением к PC, терморезистор, бесконтактный термометр, электроды (металлические или хлорсеребряные [7]), дистиллированная вода, электролиты. Рис. Положение нагревателя на образной трубке Методика и техника измерений 1. Заполнить образную трубку раствором электролита, поместить ее в песочную баню. Установить в открытые концы электроды. 2. Подать напряжение на нагреватель, находящийся на колене U- образной трубки (U=5 В, I=0,5 А. 3. Измерять напряжение с помощью микровольтметра и разности температур с помощью терморезистора и бесконтактного термометра. 4. Построить график зависимости термоЭДС от величины разности температур E=f( T). 5. Используя график вычислить коэффициент термоЭДС для данного раствора. 29 Лабораторная работа №5. Термоэлектрокинетический эффект в вязких электропроводящих средах Цель работы изучить термоэлектрокинетическийэффект в электролитах, освоить методику измерений коэффициента термоэлектрокинетическойЭДСв водных растворах электролитов, определить значениетермоэлектрокинетическойЭДС для различных концентраций ионов электролита. Приборы и материалы:U-образная трубка, нагреватель, источник питания, микровольтметр с подключением к ПЭВМ, перистальтический насос, терморезистор, бесконтактный термометр, электроды (металлические или хлорсеребряные [7]), дистиллированная вода, электролиты. Рис. Схема установки для измерения термоэлектрокинетическойЭДС. электролит, нагреватель, образная трубка, электроды, 5- электроизмерительный прибор, 6 – перистальтический насос. Методика и техника измерений 1. Заполнить образную трубку раствором электролита, поместить ее в песочную баню. Установить в открытые концы электроды. 5 1 2 3 4 grad T 6 30 2. Произвести измерение напряжения между электродами в случае термодинамического равновесия, чтобы оценить величину электрохимическойЭДС (фоновой ЭДС. 3. Установить стационарный градиент температуры между областью изгиба и концами образной трубки. 4. Установить определенную скорость протекания электролита 5. Произвести минимизацию разности температур на входе и выходе U- образной трубки с помощью дополнительного нагревателя. 6. Получить величину термоэлектрокинетическойЭДС в данных условиях эксперимента вычитанием фоновой ЭДС из установившегося стационарного сигнала. 31 Лабораторная работа № 6. Термоэлектрический эффект в коллоидных растворах. Цель работы изучить термоэлектрокинетическийэффект в заряженных коллоидных растворах, освоить методику приготовления водных коллоидных растворов,определить значениетермоэлектрическойЭДС для различных концентраций дисперсных частиц. Приборы и материалы:U-образная трубка, нагреватель, источник питания, микровольтметр с подключением к ПЭВМ, терморезистор, электроды металлические или хлорсеребряные [7]), дистиллированная вода, химические реактивы, электрическая плитка. Методика и техника измерений 1. Получить гидрофобный коллоидный раствор гидроокиси железа Fe(OH) 3 . Для этого в химическом стакане на электроплитке доведите до кипения 200 мл дистиллированной воды. Затем в кипящую воду по каплям добавьте 20 мл предварительно подготовленного 2-x % - го раствора хлорного железа FeCl 3 . В результате реакции гидролиза и последующей адсорбции, образующиеся в растворе молекулы Fe(OH) 3 захватывают ионы и заряжаются положительно. 2. Заполнить образную трубку предварительно охлажденным коллоидным раствором гидроокиси железа (III), поместить ее в песочную баню. Установить в открытые концы электроды рис. 3. Подать напряжение на нагреватель, находящийся на колене U- образной трубки ( |