Лабораторна робота № 10 - відповіді Бар'яхтар

Назад до змісту

Мета: спостерігати теплову дію електричного струму; навчитися вимірювати ККД електричного нагрівника.

Обладнання: вольтметр; амперметр; термометр; мірний циліндр; годинник; джерело струму; ключ; ніхромова спіраль, забезпечена контактами (нагрівник); калориметр; мішалка; склянка з водою кімнатної температури; паперові серветки.

Лабораторна робота № 10 схема кола

Формули для обчислень

Кількість теплоти, що виділяється в нагрівнику внаслідок проходження струму:

Q_{\text{повна}} = U \cdot I \cdot \tau

Кількість теплоти, необхідна для нагрівання речовини:

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 результатів

$c_{\text{води}}$ , $\dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ\text{C}}$	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

Обчислення корисної кількості теплоти ( $Q_{\text{кор}}$ ):

Це теплота, яку отримала вода при нагріванні.

Q_{\text{кор}} = c_{\text{води}} \cdot m \cdot (t - t_0)

Q_{\text{кор}} = 4200 \cdot 0,15 \cdot (34 - 20) = 630 \cdot 14 = 8820 \text{ Дж}

Обчислення повної кількості теплоти ( $Q_{\text{повна}}$ ):

Це теплота, що виділилася в нагрівнику внаслідок проходження струму.

Q_{\text{повна}} = U \cdot I \cdot \tau

Q_{\text{повна}} = 5 \cdot 4 \cdot 600 = 20 \cdot 600 = 12000 \text{ Дж}

Обчислення ККД нагрівника ( $\eta$ ):

\eta = \dfrac{Q_{\text{кор}}}{Q_{\text{повна}}} \cdot 100\%

\eta = \dfrac{8820}{12000} \cdot 100\% \approx 73,5\%

Аналіз експерименту

На уроці ми визначали ККД електричного нагрівника, вимірюючи силу струму амперметром, напругу вольтметром, час годинником та зміну температури води термометром. Отримане значення ККД становить приблизно 73,5%.

ККД нагрівника менший за 100%, тому що частина теплової енергії електричного струму витратилася не на нагрівання води, а на нагрівання навколишніх тіл: калориметра, термометра, повітря та підвідних проводів. На точність результатів могло вплинути неточне зняття показів термометра, втрати тепла через випаровування води та теплообмін із навколишнім середовищем під час досліду.

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.

Необхідні прилади та матеріали

Оскільки фактична потужність дорівнює номінальній (зазначеній у паспорті приладу), вольтметр і амперметр не потрібні:

Електричний чайник (об’єкт дослідження)
Терези або мірна посудина (для визначення маси води)
Термометр (для вимірювання початкової температури води; кінцева температура зазвичай вважається $100^\circ\text{C}$ при кипінні)
Годинник із секундомером (для вимірювання часу нагрівання)

План проведення експерименту

Подивитися на корпусі чайника (або в інструкції) його номінальну потужність (P)
Налити в чайник певну кількість води. Виміряти її об’єм (V) за допомогою мірної посудини або масу (m) за допомогою терезів (для води $1 \text{ мл} = 1 \text{ г}$ )
Виміряти початкову температуру води ( $t_0$ )
Увімкнути чайник у мережу і одночасно запустити секундомір
Вимкнути секундомір у момент закипання води (автоматичного вимкнення чайника). Зафіксувати час нагрівання (τ)
Кінцеву температуру (t) вважати рівною $100^\circ\text{C}$ (температура кипіння)
Обчислити ККД за формулою:

\eta = \dfrac{Q_{\text{кор}}}{Q_{\text{повна}}} \cdot 100\% = \dfrac{c \cdot m \cdot (t - t_0)}{P \cdot \tau} \cdot 100\%

Розрахунки

Вхідні дані:

Номінальна потужність чайника (P): $2000 \text{ Вт}$ ( $2 \text{ кВт}$ )
Об’єм води (V): $1 \text{ л}$ (отже, маса $m = 1 \text{ кг}$ )
Початкова температура води ( $t_0$ ): $20^\circ\text{C}$
Кінцева температура (t): $100^\circ\text{C}$
Час до закипання (τ): $3 \text{ хв } 20 \text{ с} = 200 \text{ с}$
Питома теплоємність води (c): $4200 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ\text{C}}$

Обчислення:

Корисна робота ( $Q_{\text{кор}}$ ):

Q_{\text{кор}} = c \cdot m \cdot (t - t_0)

Q_{\text{кор}} = 4200 \cdot 1 \cdot (100 - 20) = 4200 \cdot 80 = 336\,000 \text{ Дж}

Повна робота струму ( $Q_{\text{повна}}$ ):

Q_{\text{повна}} = P \cdot \tau

Q_{\text{повна}} = 2000 \cdot 200 = 400\,000 \text{ Дж}

Коефіцієнт корисної дії (η):

\eta = \dfrac{336\,000}{400\,000} \cdot 100\% = 0,84 \cdot 100\% = 84\%

Висновок до творчого завдання:

Отриманий результат (84%) є реалістичним для сучасних електрочайників, де нагрівальний елемент занурений у воду або є дисковим (втрати тепла мінімальні). Втрати енергії (16%) пішли на нагрівання корпусу чайника та навколишнього повітря.

Лабораторна робота № 10 - Бар'яхтар

Формули для обчислень

Таблиця результатів

Опрацювання результатів

Аналіз експерименту

Творче завдання

Оцініть матеріал

Коментарі

Залишити відповідь: