Лабораторна робота № 10

Зміст

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:

1) Повна кількість теплоти (виділена нагрівником):
$Q_{\text{повна}}=U\cdot I\cdot \tau$

2) Корисна кількість теплоти (необхідна для нагрівання води):
$Q_{\text{кор}}=c_{\text{води}}\cdot m\cdot (t-t_0)$

3) ККД нагрівника:
$\eta =\frac{Q_{\text{кор}}}{Q_{\text{повна}}}\cdot 100$

Таблиця:

Опрацювання результатів

1) Розрахунок корисної теплоти ($Q_{\text{кор}}$):
Енергія, яку поглинула вода при нагріванні.
$Q_{\text{кор}}=4200\cdot 0,15\cdot (34-20)=8820\text{ (Дж)}$

2) Розрахунок повної теплоти ($Q_{\text{повна}}$):
Енергія, що виділилася завдяки проходженню струму.
$Q_{\text{повна}}=5\cdot 4\cdot 600=12000\text{ (Дж)}$

3) Розрахунок ККД ($\eta$):
$\eta =\frac{8820}{12000}\cdot 100$

Аналіз експерименту

1) Під час роботи ми визначили ККД нагрівника, вимірявши силу струму, напругу, час та зміну температури води.

2) Результат становить $\approx 73,5$.

3) ККД менший за 100%, оскільки частина енергії пішла на нагрівання калориметра, термометра, дротів та навколишнього повітря, а не тільки води.

4) 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

1) Знайти на корпусі номінальну потужність ($P$).

2) Налити воду, виміряти її масу ($m$).

3) Виміряти початкову температуру ($t_0$).

4) Увімкнути чайник і запустити час.

5) Зупинити таймер ($\tau$) у момент закипання ($t=100^{\circ }\text{C}$).

6) Обчислити ККД:
$\eta =\frac{c\cdot m\cdot (100-t_0)}{P\cdot \tau }\cdot 100$

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: $\eta =\frac{336,000}{400,000}\cdot 100$

Висновок: Результат 84% є реалістичним. Втрати енергії (16%) пішли на нагрівання корпусу чайника та повітря.