Тема: Визначення коефіцієнта корисної дії (ККД) електричного нагрівника.
Мета: дослідити теплову дію струму та виміряти ККД нагрівального пристрою.
Обладнання: джерело струму, нагрівник (ніхромова спіраль), амперметр, вольтметр, калориметр із мішалкою, термометр, склянка з водою, мірний циліндр, годинник, ключ, серветки.
Основні формули для розрахунків:
- Повна кількість теплоти (виділена нагрівником):
$Q_{\text{повна}} = U \cdot I \cdot \tau$ - Корисна кількість теплоти (необхідна для нагрівання води):
$Q_{\text{кор}} = c_{\text{води}} \cdot m \cdot (t – t_0)$ - ККД нагрівника:
$\eta = \dfrac{Q_{\text{кор}}}{Q_{\text{повна}}} \cdot 100%$
Таблиця:
| $c_{\text{води}}$, $\dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ\text{C}}$ | m, кг | $t_0$, $^\circ\text{C}$ | $t$, $^\circ\text{C}$ | $Q_{\text{кор}}$, Дж | I, А | U, В | τ, с | $Q_{\text{повна}}$, Дж | η, % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4200 | 0,15 | 20 | 34 | 8820 | 4 | 5 | 600 | 12000 | 73,5 |
Опрацювання результатів
- Розрахунок корисної теплоти ($Q_{\text{кор}}$):
Енергія, яку поглинула вода при нагріванні.
$Q_{\text{кор}} = 4200 \cdot 0,15 \cdot (34 – 20) = 8820 \text{ (Дж)}$ - Розрахунок повної теплоти ($Q_{\text{повна}}$):
Енергія, що виділилася завдяки проходженню струму.
$Q_{\text{повна}} = 5 \cdot 4 \cdot 600 = 12000 \text{ (Дж)}$ - Розрахунок ККД ($\eta$):
$\eta = \dfrac{8820}{12000} \cdot 100% \approx 73,5%$
Аналіз експерименту
- Під час роботи ми визначили ККД нагрівника, вимірявши силу струму, напругу, час та зміну температури води.
- Результат становить $\approx 73,5%$.
- ККД менший за 100%, оскільки частина енергії пішла на нагрівання калориметра, термометра, дротів та навколишнього повітря, а не тільки води.
- На точність могли вплинути похибки у знятті показів термометра та втрати тепла через випаровування.
Творче завдання
Запишіть план проведення експерименту щодо визначення ККД електричного чайника. Які прилади вам знадобляться, якщо фактична потужність чайника збігається з номінальною? За можливості проведіть експеримент.
1. Прилади та матеріали
Оскільки потужність відома з паспорта, амперметр і вольтметр не потрібні. Знадобляться:
- Електричний чайник.
- Ваги або мірна посудина (виміряти воду).
- Термометр (для початкової температури).
- Секундомір.
2. План дій
- Знайти на корпусі номінальну потужність ($P$).
- Налити воду, виміряти її масу ($m$).
- Виміряти початкову температуру ($t_0$).
- Увімкнути чайник і запустити час.
- Зупинити таймер ($\tau$) у момент закипання ($t = 100^\circ\text{C}$).
- Обчислити ККД:
$\eta = \dfrac{c \cdot m \cdot (100 – t_0)}{P \cdot \tau} \cdot 100%$
3. Приклад розрахунку
Дані для типового побутового чайника:
- Потужність $P = 2000 \text{ Вт}$.
- Вода $V = 1 \text{ л}$ ($m = 1 \text{ кг}$).
- Температури: $t_0 = 20^\circ\text{C}$, $t = 100^\circ\text{C}$.
- Час нагрівання: 3 хв 20 с = $200 \text{ с}$.
Обчислення:
- Корисна теплота: $Q_{\text{кор}} = 4200 \cdot 1 \cdot 80 = 336,000 \text{ (Дж)}$
- Повна робота: $Q_{\text{повна}} = 2000 \cdot 200 = 400,000 \text{ (Дж)}$
- ККД: $\eta = \dfrac{336,000}{400,000} \cdot 100% = 84%$
Висновок: Результат 84% є реалістичним. Втрати енергії (16%) пішли на нагрівання корпусу чайника та повітря.