Descrizione dell`apparato sperimentale

I due apparati per lo studio di una trasformazione isoterma e
di una adiabatica sono sostanzialmente uguali, solo che sono fatti
com materiale diverso. Vedremo nel seguito la ragione di questa
diversità.
Entrambi gli apparati sono formati da un cilindro superiore in
cui scorre uno stantuffo a tenuta, il cui movimento genera un
aumento di pressione nella discesa e una diminuzione della
pressione nella salita.
Le dimensioni del tubo sono circa 4 cm di diametro interno e
50 cm di altezza.
Per evitare che nella discesa la pressione finale sia troppo
elevata è stato aggiunto una base cilindrica nella quale sono stati
anche sistemati i sensori di pressione e di temperatura, Il volume
totale è di circa 1.5 litri mentre quello di base è di circa 0.50 litri. Il
diverso materiale usato è richiesto dalla diversa natura delle
trasformazioni,
Nella trasformazione isoterma (temperatura costante) è
necessario avere uno scambio di calore con l'esterno per favorire il
ritorno alla temperatura scelta dopo ogni compressione. Per questa
ragione il materiale usato è ottone, buon conduttore di calore.
Viceversa nella trasformazione adiabatica non ci deve essere
scambio di calore con l'esterno durante la compressione, pertanto Il
materiale usato è PVC che, oltre a essere un buon isolante termico,
ha bassa capacità termica. Il rinforzo metallico di questo strumento
permette una compressione veloce da un volume massimo ad uno
minimo, in modo da eliminare quasi completamente gli scambi di
calore, come richiesto in una compressione adiabatica.
Invece nella trasformazione isoterma la variazione di volume
è fatta molto lentamente: si riduce gradualmente il volume di una
certa quantità e si aspetta il ritorno all’equilibrio della temperatura.
L'apparecchiatura si può separare nelle due componenti. Il
cilindro che contiene lo stantuffo termina con una piastra che
permette per chiudere ermeticamente le due parti, per mezzo di un
O-ring.
Per poter misurare lo spostamento del pistone e quindi la
variazione del volume nel cilindro superiore è stato adottato un
metodo semplice ma efficace.
Naturalmente esistono metodi di misura più sofisticati che
possono dare risultati con alta precisione; ma sono molto costosi e,
tutto sommato, a noi non serve una precisione estremamente
elevata
L'idea adottata è quella di far variare una resistenza elettrica
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in maniera proporzionale alla lunghezza percorsa dal pistone. Il
moto del pistone fa ruotare, usando una cremagliera, un pignone
collegato ad una resistenza variabile (potenziometro), così che ad
uno spostamento del pistone corrisponde una rotazione del pignone
e quindi una variazione della resistenza. Basta adesso misurare la
variazione di tensione ai capi della resistenza: ad ogni posizione del
pistone abbiamo una misura di tensione che dovrà, poi, essere
trasformata in un valore di volume interno mediante una opportuna
operazione di taratura, cioè di confronto dei valori di tensione con
la misura diretta delle corrispondenti lun-ghezze misurate con un
metro. Vedremo questo metodo nella sezione di taratura del
volume. (Si capisce il perché non abbiamo usato un sistema molto
raffinato per la misura posizione del pistone. Infatti l’operazione di
taratura fatta con un metro a nastro ed un calibro a coulisse riduce
la precisione ottenibile nella misura diretta del volume e quindi
non vale la pena usare tecniche molto più raffinate).
Sulle piastra sono sistemati i sensori di temperatura e di
pressione.
Il sensore di pressione è un ponte resistivo con 4 resistenze
“strain gauge”, cioè che cambiano il loro valore in base alla
deformazione subita a causa della pressione; si alimenta il ponte
con una tensione stabilizzata, si misura la differenza di potenziale ai
capi del ponte e si ottiene così una tensione proporzionale alla
pressione.
Il sensore di temperatura è un sottilissimo filo di platino che
cambia linearmente la sua resistenza in funzione della temperatura,
(si chiama PT100 perchè a 0 gradi centigradi la sua resistenza è
100 ohm). Si alimenta la resistenza con una tensione stabilizzata e
si misura la caduta di potenziale ai capi del PT100.
I collegamenti elettrici del misuratore di temperatura, di
pressione e di volume vengono raccolti su una piastrina ed inviati
alla parte elettronica che fornirà la tensione stabilizzata (maggiore è
la stabilizzazione della tensione in ingresso, minori sono le
fluttuazioni, quindi minore è l'errore di misura) per misurare la
tensione ai capi della resistenza che rivela la variazione di
lunghezza, la tensione ai capi del PT100 e la tensione ai capi del
sensore che rivela le variazioni di pressione.
Sulla facciata inferiore della piastra si notano due aperture, la
più grande è il collegamento con il cilindro che contiene il pistone,
quella più piccola è l'ingresso del sensore di pressione; si nota
anche il connettore da vuoto BNC (Byonet Neil Concelman) cui è saldato
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il sensore di temperatura (PT100).
Sulla parte superiore esterna è sistemato il sensore di
pressione (freccia rossa) e l'uscita del connettore del PT100, inoltre
c’è una piastrina di raccolta cavi elettrici che collegano i tre
sensori, per essere poter essere inviati con un unico cavo multiplo
alla scatola che contiene l'elettronica.
La camera inferiore del sistema in ottone ha dimensioni 11
cm diametro e 5 cm altezza.
Nell’apparato in PVC la camera inferiore ha le dimensione: 7
cm diametro e 6 cm altezza.
Lungo un diametro si trovano due rubinetti e due valvole, una
per l'ingresso del gas e una per l'uscita (notare la freccia di ingresso
o di uscita); questi vengono usati per cambiare il gas oppure per
immettere aria secca.
Infatti per poter cambiare gas oppure per avere aria quasi
priva di umidità, bisogna fare entrare gas asciutto (o altro gas) e poi
farlo uscire dal secondo rubinetto per varie volte (si dice che si fa
un lavaggio). {Lo scopo di questa operazione è quello di diluire al
massimo il gas residuo, oppure diluire al massimo l'umidità dell'aria
all'interno del nostro apparato, in modo tale che all'interno
dell'apparato ci sia solo aria senza umidità oppure gas voluto (es.
argon)}
Ortogonalmente è sistemata un'altra apertura con un tappo a
vite a tenuta: servirà per inserirci un altro dispositivo, (es.
misuratore di pressione o di temperatura allo scopo di tarare i
sensore dell’apparato) L’uso verrà spiegato meglio nella sezione
della taratura.
L'apparato per la trasformazione adiabatica è basato sugli
stessi principi già e descritti per l'apparato per la trasformazione
isoterma. Si vedono la cremagliera, pignone e collegamento con il
potenziometro per la rivelazione della posizione. Nella parte
inferiore della piastra di base sono sistemati i due sensori di
pressione e di temperatura.
Sulla parte inferiore del corpo si vedono le aperture per
connettere l'interno con il sensore di pressione, l'apertura per il
pistone e il PT100.
Sulla parte superiore si vede la piastrina di raccolta dei fili
elettrici provenienti dai sensori e che andranno alla sezione
elettronica, il misuratore di pressione (freccia rossa) e i 2 connettori
a tenuta che collegano il PT100 con l'esterno. Non potendo mettere
un connettore BNC da vuoto a causa dello spessore della piastra è
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stata realizzata una soluzione diversa: sono state messe due viti
metalliche con due O-ring per la tenuta della pressione, il PT100 è
stato saldato internamente a queste due viti e si è realizzato così un
passante elettrico con tenuta della pressione.
La camera inferiore, simile a quella dell'apparato precedente,
è fornita di due rubinetti con valvole che serviranno per cambiare il
gas da usare. Si nota anche la terza apertura con accanto il tappo
fornito di O-ring per la tenuta, la funzione di questa terza apertura
sarà chiarito in seguito.
La parte elettronica è sistemata in una scatola metallica con
connettori dove entrano ed escono i cavi comunicanti con i sensori.
L'elettronica fornisce un riferimento di precisione molto
stabile per la tensione che alimenta i sensori di lunghezza,
pressione e temperatura. La differenza di potenziale ai capi di ogni
sensore viene normalizzata a 0-10 volt tramite amplificatori
differenziali. Il segnale così trattato viene inviato alla scheda di
acquisizione per poterlo analizzare sul computer. La scheda di
acquisizione è una NATIONAL INSTRUMENTS 9161 USB. Il
software utilizzato è LabView della National Instruments. Ogni
scatola ha un una etichetta identificativa poiché sensori e loro
elettronica non sono identici ed è perciò necessario accoppiare ogni
apparato alla elettronica tarata per lui. Chiameremo sistema di
misura, d'ora in avanti, la coppia pompa+elettronica tarata.
Per poter ottenere risultati attendibili è necessario togliere
l’umidità dal gas usato. Per questo lo faremo passare attraverso un
gel di silice (forma porosa e granulare di biossido di silicio, SiO2
con straordinarie proprietà assorbenti (disidratante)).
Il gel di silice è contenuto in un cilindro che viene connesso
attraverso un tubo al rubinetto di ingresso dell’ apparato. Il pistone
in aspirazione riceve aria secca, in compressione scarica la miscela
dal secondo rubinetto.
Riempiendo e vuotando il cilindro per più volte (lavaggio)
siamo sicuri che il gas interno è secco, o per lo meno che la
concentrazione di molecole di acqua disciolte nel gas è
estremamente bassa, quindi ininfluente per la buona riuscita
dell’esperimento.
I rubinetti alle estremità del contenitore servono a tenere
isolato il gel di silice dall’umidità atmosferica e devono essere
sempre chiusi altrimenti il gel degrada, {per ripristinare la sua
funzione disidratante è necessario mettere i cristalli di gel in forno
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ad oltre 100 gradi centigradi per espellere l’umidità`assorbita)}.
Abbiamo visto che nella base è stata fatta una apertura
normalmente chiusa da un tappo a tenuta; vediamo, adesso, a che
cosa serve.
Levando il tappo di tenuta possiamo inserire nel foro varie
strumentazioni per poter eseguire la taratura dei sensori (pressione
o temperatura): la taratura deve essere fatta per il complesso
sensore-elettronica, cioè dobbiamo tarare il sistema per poter
trasformare la tensione misurata in una unità di misura adatta alla
variabile studiata (gradi Kelvin per la temperatura o Pascal per la
pressione).
Le parti elettroniche delle varie copie degli apparati non
sono tutte perfettamente uguali, per cui è stato messa una etichetta
sia all’apparato che alla parte elettronica,
Per poter ottenere una curva tensione-pressione o tensionetemperatura è necessario misurare la pressione o la temperatura
direttamente all’interno dell’apparato.
Per fare questa misura consideriamo la terza apertura della
base, togliamo il tappo e inseriamo un dispositivo che possa
connettere la base con il misuratore di pressione esterno già tarato.
Ad ogni variazione della posizione del pistone, l’elettronica
acquisisce il dato di tensione dato dal sensore, il pressometro
fornisce il valore della pressione in quel momento. Il misuratore
della pressione è pressometro differenziale DIGITRON 2002P che
dà la pressione interna con riferimento alla pressione esterna; sarà
necessario, quindi, conoscere la pressione atmosferica, che verrà
misurata con un barometro a mercurio di tipo Fortin. Bisogna fare
attenzione alle unità di misura della pressione (il misuratore è in
millibar mentre il Fortin in millimetri di mercurio) ed esprimerle
tutte in Pascal.
Per misurare la temperatura interna del gas e procedere alla
taratura del complesso PT100+elettronica è stato progettato un
tappo a tenuta che porta sulla punta un altro PT100, che verrà
inserito nella apertura. La geometria del dispositivo è tale che i due
PT100 sono molto vicini, in modo da leggere la stessa temperatura
del gas e ridurre gli errori sistematici. Il PT100 di prova è letto da
uno strumento tarato che fornisce la temperatura direttamente in
gradi Celsius. Al variare della temperatura il software
opportunamente programmato acquisice la tensione del PT100
interno e la temperatura del sensore di prova. Si ottiene, così, una
curva tensione-temperatura, curva di taratura per poter trasformare
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le tensioni in gradi centigradi e quindi in gradi Kelvin.
Come facciamo cambiar la temperatura? E’ stato progettato
un riscaldatore sul quale si posiziona l’apparato metallico. Il
riscaldatore è alimentato in corrente alternata con tensione variabile
data da un VARIAC (trasformatore variabile da zero a 220 Volt).
All’aumentare della tensione aumenta la temperatura riscaldando il
gas contenuto all’interno.
Due parole di commento per l’apparato per la trasformazione
adiabatica,che è in PVC (Polivilcloruro) e non si può riscaldare
direttamente. Poichè lo scopo è quello di tarare la componente
elettronica, è stato usato, per riscaldare il gas, l’apparato metallico
ed è stata usata la parte elettronica propria dell’apparato per la
trasformazione adiabatica.
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