tiểu luận đề tài tính chất nhiệt của kim loại

Nhiệt kế thực chất sử dụng sự thay đổi điện trở trong một đoạn dây để đo nhiệt độ.Điều này cho ta thấy điện trở suất liên quan đến mật độ số n của các điện tử tự do trong vật liệu và thờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HCMKHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

TIỂU LUẬN

Đề tài: TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA KIM LOẠI MÔN HỌC: Vật Liệu Điện - Điện Tử 4 Nguyễn Minh Tiền 19161173

Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 21 Tháng 5 năm 2022

Nhận xét của giáo viên

MỤC LỤC

I.LỜI MỞ ĐẦU………4

II.NỘI DUNG………5

II.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ trong kim loại ……….…

2.2 Sự sản sinh ra sức nhiệt điện động trong tiếp xúc……… 8

2.2.1 Hiện tượng tiếp xúc và sức nhiệt điện động………8

2.2.2 Hiện tượng nhiệt điện……….….9

2.3 Phân loại và nguyên lí hoạt động của cảm biến nhiệt độ……… 10

TÀI LIỆU THAM KHẢO………24

I LỜI MỞ ĐẦU

Kim loại và hợp kim của chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, cũng như các thiệt bị, đồ dùng trong cuộc sống Tuy nhiên trong sản xuất cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn kim loại và hợp kim thích hợp, đảm bảo chất lượng và kinh tế của sản phẩm Muốn vậy phải nắm bắt được các tính chất cơ bản của chúng Trong đó có tính nhiệt rất quan trọng ảnh hưởng tới quá trình lâu bền của kim loại hôm nay nhóm minh sẽ trình bày cho các bạn biết thế nào là tính nhiệt trong kim loại cũng như 2 ứng dụng ngẫu nhiệt điện và lưỡng kim điện.

II NỘI DUNG

2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ trong kim loại2.1.1 Điện trở suất

Điện trở là thước đo mức độ mạnh mẽ của kim loại cản trở dòng điện đi qua Khi các electron đi qua kim loại, chúng phân tán khi va chạm với cấu trúc kim loại khi kim loại bị đốt nóng, các electron hấp thụ nhiều năng lượng hơn và chuyển động nhanh hơn Điều này dẫn đến sự tán xạ nhiều hơn, do đó làm tăng lượng điện trở Nhiệt kế thực chất sử dụng sự thay đổi điện trở trong một đoạn dây để đo nhiệt độ.

Điều này cho ta thấy điện trở suất liên quan đến mật độ số n của các điện tử tự do trong vật liệu và thời gian thư giãn t sự thay đổi điện trở suất của cật liệu theo nhiệt độ là khác nhau ở các vật liệu khác nhau và nó được thảo luận dưới đây:

- Kim loại: Trong hầu hết các kim loại, mật độ số n của các electron tự do

không thay đổi theo nhiệt độ nhưng khi nhiệt độ tăng thì biên độ dao động của các ion mạng tinh thể của kim loại tăng lên Do đó, sự va chạm của các điện tử tự do với các ion hoặc nguyên tử kim loại đang trôi về phía đầu dương của vật dẫn trở nên thường xuyên hơn, dẫn tằng khi nhiệt độ tăng ở nhiệt độ thấp điện trở suất tăng ở công suất T lớn hơn.

- Đối với dây dẫn: giá trị của là dương, chứng tỏ rằng điện trở suất của chúng tăng khi nhiệt độ tăng Đối với hầu hết kim loại, điện trở suất tăng tuyến tính khi tăng nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ khoảng 500k cao hơn nhiệt độ phòng.

- Bán dẫn: Trong trường hợp bán dẫn, giá trị của là âm Nó có nghĩa là điện trở suất của chất bán dẫn giảm khi nhiệt độ tăng.

- Chất cách điện: điện trở suất tăng theo cấp số nhân khi giảm nhiệt độ trong

trường hợp chất bán dẫn Nó trở nên lớn vô hạn ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối tức là độ dẫn điện gần như bằng không ở 0K.

2.1.2 Cấu trúc

Kim loại bao gồm một cấu trúc đối xứng của các nguyên tử được gọi là một dạng thủ hình Đốt nóng kim loại sẽ dịch chuyển các nguyên tử ra khỏi vị trí của chúng và các nguyên tử bị dịch chuyển sẽ hình thành một cấu trúc mới Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi giai đoạn dị hưởng Sự biến đổi pha dị hướng làm thay đổi độ cứng, độ bền và độ dẻo của kim loại Sự biến đổi pha dị hướng quan trọng nhất được thực hiện bởi sắt

Khi sắt được nung nóng qua 1674 độ F, nó có thể hấp thụ nhiều cacbon hơn, đây là một thành phần sẽ làm tăng độ cứng của bắt kỷ sản phẩm thép nào Hiệu ứng mong muốn này được sử dụng trong một số loại thép cacbon cao (trên 0,50 cacbon) - Ví dụ: Thép dụng cụ

2.1.3 Sự giản nở nhiệt

Kim loại nở ra khi bị nung nóng Chiều dài, diện tích bề mặt và thể tích sẽ tăng theo nhiệt độ thuật ngữ khoa hock cho điều này là sự giãn nở nhiệt mức độ giãn nở vì nhiệt khác nhau với các kim loại khác nhau Sự giản nở vì nhiệt làm tăng dao động của các nguyên tử trong kim loại tính toán cho sự giãn nở nhiệt là điều cần thiết khi thiết kế kết cấu kim loại

- Ví dụ: hàng ngày sẽ là thiết kế của các đường ống gia dụng, chúng phải thích ứng với sự giãn nở và co lại khi các mùa thay đổi.

2.1.4 Từ tính

Có ba kim loại có tính chất từ là sắt, niken và coban Chúng được gọi là kim loại sắt từ làm nóng các kim loại này sẽ làm giảm từ tính của chúng đến mức từ tính bị loại bỏ hoàn toàn Nhiệt độ tại đó sẽ làm giảm từ tính của chúng đến mức từ tính bị loại bỏ hoàn toàn

- Nhiệt độ tại đó xảy ra được gọi là nhiệt độ Curie

- Nhiệt độ Curie trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ ở dưới nhiệt độ Curie, vật liệu mang tính chất sắt từ ở trên chất sẽ mất chất tính từ và trở thành thuận từ

- Đối với Niken, nhiệt độ này là 626 độ F; đối với Coban là 2012 độ F; và đối với Sắt là 1418 độ F.

2.2 Sự sản sinh ra sức nhiệt điện động trong tiếp xúc:2.2.1 Hiện tượng tiếp xúc và sức nhiệt điện động

Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc thì giữa chúng có một hiệu thế tiếp xúc, nguyên nhân sinh ra hiệu thế tiếp xúc là do công thoát của mỗi kim loại khác nhau nên số electron tự do trong mỗi kim loại khác nhau sẽ không bằng nhau.

2.2.2 Hiện tượng nhiệt điện

Hiê tn tượng nhiê tt điê tn là hiê tn tượng sản sinh ra suất điện động nhiệt điện trong một mạch điện kín khi giữa hai đầu vật kim loại hoặc hợp kim có sự chênh lệch về nhiệt độ Hiểu một cách đơn giản hiện tượng nhiệt điện là hiện tượng một dòng điện được sinh ra trong mạch kín, khi có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa hai đầu dây dẫn

- Thí nghiệm về hiện tượng nhiệt điện:

Thực hiện lắp một mô tơ cánh quạt chạy bằng điện 1 chiều với hai thanh kim loại Sau đó tiến hành nhúng 2 thanh kim loại đó vào hai cốc khác nhau, một cốc chứa không khí, một cốc chứa nước Quan sát thí nghiệm chúng ta không thấy sự thay đổi nào (cánh quạt không quay), điều này chứng tỏ không có dòng điện nào được sản sinh ra bên trong mạch điện.

Bước tiếp theo các bạn tiến hành đổ nước có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn nước ở cốc đựng nước ban đầu vào trong cốc chứa không khí Chúng ta đợi một lúc, sẽ thấy cánh quạt bắt đầu quay Điều này chứng tỏ bên trong mạch lúc này đã xuất hiện dòng điện

Sau đó chúng ta tiến hành làm tăng sự chênh lệch nhiệt độ của hai cốc nước và tiếp tục quan sát Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy nhiệt độ của hai thanh kim loại có sự chênh lệch càng lớn thì cánh quạt quay càng nhanh Điều này chứng tỏ rằng độ mạnh của dòng điện sinh ra trong mạch phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ của hai thanh kim loại.

Hiện tượng sinh ra dòng điện trong thí nghiệm trên chính là hiện tượng nhiệt điện Và dòng điện được sản sinh suất điện động nhiệt điện.

- Lý giải về thí nghiệm:

Khi nhiệt độ của vật dẫn có sự chênh lệch về nhiệt độ, mật độ các hạt tải điện tại nơi có nhiệt độ cao hơn sẽ lớn hơn so với mật độ hạt tải điện tại nơi có nhiệt độ thấp Do đó có sự dịch chuyển thành dòng của các hạt tải điện từ nơi có nhiệt độ cao hơn về nơi có nhiệt độ thấp hơn, đồng thời tạo nên sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu của vật dẫn Nếu chúng ta tiến hành nối thành mạch kín sẽ hình thành nên suất điện động nhiệt điện và sinh ra dòng điện giúp cánh quạt có thể

Hình 3.1 Cảm biến nhiệt

- Cảm biến nhiệt được hiểu là thiết bị được dùng để đo sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo Theo đó, khi nhiệt độ có sự thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu và từ tín hiệu này các bộ đọc sẽ đọc và quy ra thành nhiệt độ bằng một con số cụ thể.

- Cảm biến nhiệt được biết đến với khả năng thực hiện các phép đo nhiệt độ với độ chính xác cao hơn nhiều so với khi thực hiện bằng các loại cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế.

- Cảm biến nhiệt còn có tên gọi khác là nhiệt kế điện trở metaI.

2.3.2 Cấu tạo

Hình 3.2: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ máy khí nén

Nhiệt độ có Cấu tạo chính là 2 dây kim loại khác nhau được gắn vào đầu nóng và đầu lạnh.

Ngoài ra, nó còn được cấu tạo bởi nhiều bộ phận khác, cụ thể như sau: - Bộ phận cảm biến: đây được xem là bộ phận quan trọng nhất, quyết định đến độ chính xác của toàn bộ thiết bị cảm biến Bộ phận này được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối.

- Dây kết nối: các bộ phận cảm biến có thể được kết nổi bằng 2, 3 hoặc 4 dây kết nổi Trong đó, vật liệu dây sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện sử dụng đầu đo.

- Chất cách điện gốm: bộ phận này với nhiệm vụ chủ yếu là làm chất cách điện ngừa đoản mạch và thực hiện cách điện giữa các dây kế nối với vỏ bảo vệ.

- Phụ chất làm đầy: gồm bột alumina mịn, được sấy khô và rung Phụ chất này với chức năng chính là lắp đầy tất cả khoảng trống để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động.

- Vỏ bảo vệ: giống như tên gọi, bộ phận này được dùng đẻ bảo vệ bộ phận cảm biến và dây kết nối Bộ phận này phải được làm bằng vật liệu phù hợp với kích thước phù hợp và khi cần thiết có thể bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ bổ sung.

- Đầu kết nối: Bộ phận này được làm bằng vật liệu cách điện (gốm), chứa các bảng mạch, cho phép kết nối của điện trở Trong đó, bộ chuyển đổi 4-20mA khi cần thiết có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối.

2.3.3 Nguyên lý hoạt động

- Cảm biến nhiệt hoạt động dựa trên cơ sở là sự thay đổi điện trở của kim loại so với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội.

- Cụ thể, khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ có một sức điện động V được phát sinh tại đầu lạnh Nhiệt độ ở đầu lạnh phải ổn định và đo được và nó phụ thuộc vào chất liệu Chính vì vậy mà mới có sự xuất hiện của các loại cặp nhiệt độ và mỗi loại cho ra một sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T.

- Nguyên lí làm việc của cảm biến nhiệt chủ yếu dựa trên mối quan hệ giữa vật liệu kim loại và nhiệt độ Cụ thể, khi nhiệt độ là 0 thì điện trở ở mức 100Ω và điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng và ngược lại.

- Việc tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu giúp nâng cao hiệu suất làm việc của cảm biến nhiệt và giúp cho việc vận hành, lắp đặt được dễ dàng hơn.

2.3.4 Các loại dây cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt độ 2 dây - Ít chính xác nhất.

- Chỉ được sử dụng khi kết nối độ bền nhiệt học được thực hiện với dây điện trở ngắn và điện trở thấp.

- Ngoài ra, nó cũng được sử dụng để kiểm tra mạch điện tương đương và điện trở đo được là tổng của các phần tử cảm biến, điện trở của dây dẫn được sử dụng cho kết nối.

Cảm biến nhiệt độ 3 dây

- Loại này cho mức độ chính xác cao hơn loại 2 dây - Nó được sử dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp.

- Ưu điểm của nó là sẽ loại bỏ được các lỗi gây ra bởi điện trở của các dây dẫn Ở phần đầu ra, điện áp sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào sự biến đổi điện trở của cảm biến nhiệt và sự điều chỉnh nhiệt độ diễn ra liên tục theo nhiệt độ.

Cảm biến nhiệt 4 dây

- Loại này được xem là cho độ chính xác lớn nhất.

- Nó được sử dụng trong các ứng dụng trong phòng thí nghiệm là chủ yếu - Trong phạm vi mạch điện tương đương, điện áp đo được chỉ phụ thuộc vào điện trở của nhiệt Độ ổn định của dòng đo và độ chính xác của số đọc điện áp trên nhiệt sẽ quyết định đến độ chính xác của phép đo.

2.3.5 Phân loại

Hình 3.3 Các loại cảm biến

Hiện nay, cảm biến nhiệt độ được chia thành các loại như sau: - Cảm biến nhiệt độ hiện nay được chia thành một số loại như sau: - Cảm biến nhiệt độ (Cặp nhiệt điện - Thermocouple), ứng dụng trong quá trình đo nhiệt độ tại các môi trường không khí, dầu, nước…sử dụng vật liệu chống ăn mòn ở vị trí trao đổi nhiệt đo đạc nhiệt độ trong môi trường hóa chất Cặp nhiệt điện (loại K, R, S…) có dải đo nhiệt độ cao.

- Nhiệt điện trở (RTD – Resistance Temperature Detectors) - Điện trở oxit kim loại (Thermmistor).

- Cảm biến nhiệt bán dẫn (Diode, IC ) - Nhiệt kế bức xạ (Hỏa kế - Pyrometer).

2.3.6 Sơ lược về một số loại cảm biến nhiệt

Trong số các loại cảm biến nhiệt thì loại cảm biến nhiệt độ (Cặp nhiệt điện -Thermocouple) và nhiệt điện trở (RTD – Resistance Temperature Detectors) là hai loại được sử dụng phổ biến nhất Sau đây, ta sẽ cùng tìm hiểu rõ hơn về hai loại này.

Cảm biến nhiệt độ (Cặp nhiệt điện – Thermocouple)

Hình 3.5 Cặp nhiệt điện

Định nghĩa:

- Cặp nhiệt điện được hiểu là một thiết bị cảm biến nhiệt điện mạch kín, gồm 2 dây kim loại khác nhau được nối ở hai đầu.

- Dòng điện được tạo ra khi nhiệt độ ở 2 đầu khác nhau Đây được xem là hiệu ứng Seebeck và là cơ sở để đo nhiệt độ của loại này.

- Cặp nhiệt điện khá bền và đo nhiệt độ cao.

Cấu tạo

Được cấu tạo từ 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

Nguyên lí hoạt động :

Nguyên lí hoạt động của cặp nhiệt điện là khi nhiệt độ môi trường có sự thay đổi (tăng hoặc giảm) thì sẽ tác động lên đầu nóng của nó Nhờ vào hiệu ứng Seebeck, điện áp ở đầu lạnh của cặp nhiệt điện sẽ tăng hoặc giảm theo nhiệt độ môi trường (nhiệt độ tăng thì điện áp tăng và ngược lại).

- Chỉ cần đo giá trị của điện áp ở đầu lạnh ta sẽ có được giá trị của nhiệt độ - Dải đo: -100 ~ 1800 độ C

Phân loại

Cặp nhiệt điện gồm hai loại chính là loại đầu củ hành K và loại sợi có dây sẵn K.

- Loại đầu củ hành K với các thông số như sau:

+ Đường kính phi 4mm, phi 6mm, phi 8mm, phi 10mm, phi 17mm, phi 22mm…

+ Chiều dài 50mm, 70mm, 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm, 1 mét + Ren vặn: 9.6mm, 13mm, 17mm, 21mm, 27mm… hoặc không ren

+ Nhiệt độ hoạt động: 0-800 độ C, 0~1000 độ C, 0-1200 độ C (Ceramic K), 0~1500 độ C (loại R).

- Loại sợi có dây sẵn K có các thông số như sau:

+ Đường kính phi 3mm, phi 4mm, phi 6mm, phi 8mm, phi 10, phi 17… + Chiều dài 50mm, 70mm, 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm… + Ren vặn: 9.6mm, 13mm, 17mm, 21mm, 27mm… hoặc không ren + Nhiệt độ hoạt động: 0-400 độ C Dây 3 ruột dài 2 mét, 3 mét…

Ứng dụng

Cặp nhiệt điện được sử dụng trong quá trình đo nhiệt độ tại các môi trường như không khí, dầu, nước,…

Nhiệt điện trở (RTD – Resistance Temperature Detectors)

Hình 3.6: Nhiệt điện trở

Định nghĩa

- Nhiệt điện trở là loại cảm biến nhiệt hoạt động dựa trên nguyên tắc điện trở của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng Hiện tượng này được gọi là nhiệt điện trở suất, khi đo điện trở của cảm biến RTD thì sẽ suy ra được nhiệt độ.

- Nhiệt điện trở được xem là có độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn và chiều dài dây không hạn chế.

Cấu tạo

Được cấu tạo từ dây kim loại làm bằng đồng, niken,platinum,… và được quấn tuỳ theo hình dáng của đầu đo.

Nguyên lí hoạt động

- Nhiệt độ môi trường tăng hoặc giảm thì điện trở của RTD sẽ tăng hoặc giảm theo một cách tỉ lệ thuận Giá trị của nhiệt độ sẽ được suy ra từ việc do giá trị điện trở của RTD.

- Dải đo: -200~700 độ C.

Phân loại

Có 2 loại là loại đầu củ hành PT100, PT1000 và loại sợi có dây sẵn PT100, PT1000.

- Loại đầu củ hành PT100, PT1000 với các thông số như sau: + Đường kính phi 4mm, phi 6mm, phi 8mm, phi 10mm, phi 17mm… + Chiều dài 50mm, 70mm, 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm… + Ren vặn: 9.6mm, 13mm, 17mm, 21mm, 27mm… hoặc không ren

+ Nhiệt độ hoạt động: -200~200 độ C, 0~150 độ C, -50~300 độ C, -50~500 độ C

- Loại sợi có dây sẵn PT100, PT1000 với các thông số như sau: + Đường kính phi 3mm, phi 4mm, phi 6mm, phi 8mm, phi 10, phi 17… + Chiều dài 50mm, 70mm, 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm… + Ren vặn: 9.6mm, 13mm, 17mm, 21mm, 27mm… hoặc không ren.

+ Nhiệt độ hoạt động: -200~200 độ C, 0~150 độ C, -50~300 độ C Dây 3 ruột dài 2 mét, 3 mét…

Ứng dụng

- Nhiệt điện trở chế tạo từ platin, đồng hoặc niken được sử dụng phổ biến nhất bởi độ chính xác cao, khả năng lặp lại tốt và có thể truyền tín trong một phạm vi nhiệt độ rộng, thể hiện sự thay đổi điện trở lớn trên mỗi mức độ thay đổi nhiệt độ.

- Còn loại được chế tạo từ đồng và niken thường được sử dụng trong công nghiệp, độ chính xác và truyền tính khá hạn chế, phạm vi nhiệt độ tương đối hẹp.

Ngoài ra, còn một số loại cảm biến nhiệt khác ít phổ biến hơn hai loại trên như:

Điện trở oxit kim loại

- Loại này được làm từ hỗn hợp các oxit kim loại như mangan, niken, cobalt, …

- Hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.

- Ưu điểm của loại này là bền, rẻ, dễ ché tạo nhưng dãy tuyến tính khá hẹp - Có dải đo là 50 độ C.

- Này được dùng để bảo vệ, éo vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.