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

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 ($\eta$):
   $\eta = \dfrac{8820}{12000} \cdot 100$

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:
   $\eta = \dfrac{c \cdot m \cdot (100 - t_0)}{P \cdot \tau} \cdot 100$

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

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