28. Wyznaczanie sprawności grzałki elektrycznej.

1. Część teoretyczna:

Ciepło uzyskane przez kalorymetr w czasie przepływu prądu przez spiralę Joule'a obliczamy wzorem:

[ J ] (1)

gdzie poszczególne symbole oznaczają:

• Q - ilość ciepła uzyskana przez kalorymetr, ciecz oraz termometr w czasie przepływu prądu [J];

• m_k, m_c, m_t - masa kalorymetru, cieczy i termometru [kg];

• c_k, c_c, c_t - ciepło właściwe kalorymetru, cieczy i szkła termometrycznego [ J / (kg ^. stop)];

• t₁ - temperatura początkowa kalorymetru, cieczy i termometru;

• t₂ - temperatura końcowa kalorymetru, cieczy i termometru.

Prąd w czasie przepływu przez spiralę Joule'a wyrażamy wzorem:

gdzie:

• Q_s - ilość ciepła wydzielonego przez spiralę [J];

• I - prąd płynący przez spiralę [A];

• U - napięcie na zasilaczu [V];

• R - opór na spirali [Ω];

• τ - czas przepływu prądu [s].

Współczynnik sprawności grzałki η obliczamy za pomocą wzoru:

2. Przebieg ćwiczenia:

Zestaw przyrządów do wykonania doświadczenia:

• zasilacz prądu stałego;

• woltomierz, amperomierz;

• opornica suwakowa;

• stoper;

• kalorymetr lub elektrokalorymetr;

• spirala Joule'a;

• termometr;

• ciecz (woda, nafta);

• waga;

• Przewody prądowe.

Kolejne wykonywane czynności:

1. ważymy kalorymetr bez pokrywy i mieszadła oraz napełniamy go cieczą - m_k;

2. ważymy ponownie kalorymetr z cieczą m_k+w i obliczmy masę cieczy m_w = m_k+w - m_k.;

3. ważymy termometr - m_t;

4. Zestawiamy obwód elektryczny według schematu:

V R

t ⁰ C

12V

5. zamykamy obwód i za pomocą opornicy suwakowej ustalamy natężenie prądu w przedziałach 1 - 2 A. Otwieramy obwód;

6. wkładamy do kalorymetru termometr przez otwór w bakelicie oprawy spirali i mieszajac nim ciecz oczekujemy ustalenia się temperatury;

7. zamykamy obwód prądu mierząc czas przepływu stoperem i mieszając ciecz termometrem;

8. co 5 minut notujemy temperaturę cieczy.

9. Pomiar prowadzimy aż do uzyskania temperatury około 50⁰C;

10. obliczamy wzorem (3) sprawność grzałki.

11. Pomiary powtarzamy, zmieniając rodzaj cieczy, spiralę, natężenie prądu oraz czas przepływu prądu.

12. Wyniki zapisujemy w tabelach.

3. Tabele z pomiarami:

mk Ck	65,7g	Δmk=0,1g Δt1 = Δt2 = 1^0C Δmc = ±0,1g Δmt = 0,1g Δt = 1^0c Δτ = 1min. ΔU = 0,1V ΔI = 0,01A Δt = 1s
			0,214
	mc Cc		243,75g
			1
	mt Ct		24,7g
			0,198
U	10,2V
I	0,92A
τ	45min.

T₁ = 20⁰C Δt = t₂ - t₁

τ [ min. ]	T2 [^0C]	Δt [^0C]	η [
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45	20 24 27 29 33 35 38 40 43 45	0 4 7 9 13 15 18 20 23 25	8,19 8,31 8,4 8,46 8,58 8,64 8,73 8,79 8,88 8,94
Średnia:

[ J ]

Q = 5,24 J

4. Obliczanie błędów:

Błąd średni:

Obliczanie błędu bezwzględnego:

[ J ]

Błąd względny:

Wykres wzrostu temperatury Δt wody w funkcji czasu τ:

WNIOSKI:

Naszym zadaniem było wyznaczenie sprawności grzałki elektrycznej. Dzięki temu ćwiczeniu nauczyliśmy się tą sprawność grzałki wyznaczać. Tak duży błąd (13,4%) może świadczyć o bardzo niskiej sprawności przyrządów pomiarowych jak i niedokładność pomiarów ze strony mierzącego.