WSTĘP

Ciepło jest to wielkość, która opisuje przepływ energii wewnętrznej wywołanej różnicą temperatur. Jest to jedna z form przekazu energii między układami termodynamicznymi. Wymiana ciepła polega na przekazywaniu energii cieplnej z ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej.

Ciała ogrzane tracą część swojej energii cieplnej, przekazując ją do otoczenia chłodniejszego. Straty te mogą zachodzić poprzez przewodnictwo, konwekcję i promieniowanie.

Bilans cieplny dla podgrzewanego ciała możemy zapisać następująco:

P * dt = K * dT + q * dt (1)

gdzie:

P - moc źródła ciepła

K - pojemność cieplna ciała

q - strata ciepła na jednostkę czasu

dt - zmiana temperatury ciała w czasie dt

Z obliczeń teoretycznych i wyników doświadczalnych wynika, że dla niezbyt dużych zmian temperatur, straty ciepła są w przybliżeniu proporcjonalne do różnicy temperatur:

q = a ( T - To ) (2)

gdzie a oznacza stałą dla danego ciała.

Ze wzorów (1) i (2) otrzymujemy:

q(t) = a* t = P - K * (dt/dt)t (3)

gdzie (dt/dt)t oznacza sztbkość zmiany temperatury ciała o temperaturze o t wyższej od temperatury otoczenia.

Rozwiązując równanie różniczkowe otrzymujemy teoretyczną zależność t = F(t):

t = a / b (1-e-bt )

gdzie: a = P/K, b = a/K.

Ze wzoru tego wynika, że dla t zmierzającego do nieskończoności temperatura t zmierza do temperatury granicznej odpowiadającej występowaniu równowagi cieplnej:

tk = a / b

TABELA POMIARÓW ORAZ WARTOŚCI (dt\dt)ti

t [ o C ]

t [ min ]

(dt\dt)ti [°C/min]

0.3

2

0.15

0.6

4

0.15

2.2

6

0.367

2.4

8

0.3

2.8

10

0.28

3.4

12

0.283

3.8

14

0.271

4.4

16

0.275

4.8

18

0.267

5.4

20

0.27

6.6

25

0.264

7.6

30

0.253

8.6

35

0.246

9.7

40

0.243

10.4

45

0.231

11.4

50

0.228

12.4

55

0.225

13

60

0.217

13.8

65

0.212

14.6

70

0.209

15.2

75

0.203

15.8

80

0.198

16.4

85

0.193

17

90

0.189

OBLICZENIA

Równanie bilansu cieplnego ciała (3) za pomocą podstawień

a = P / K, b = a / K, y = dt / dt przekształcamy do postaci:

y = a - b t

i wyznaczamy wartości a i b metodą najmniejszych kwadratów .

Otrzymujemy:

a = 0,3 °C/min

b = 6,48* 10-3 1/min

Wyznaczamy pojemnosć cieplną układu ze wzoru:

K = P / a

Moc grzałki

P = 1A* 26V = 26W

Czyli K = 26 / 0,3 = 86,67 W* min / °C = 3690 J/°C

Wyznaczamy wartość stałej a ze wzoru:

a = b* K

a = 6,48 * 10-3 * 86,67 = 0,561 W / °C

Wyznaczamy temperaturę tk ze wzoru:

0,3

tk = a / b = ____ = 46,3 °C

6,48* 10-3

WNIOSKI

Widać, że nie zawsze można zagotować wodę mając grzałkę o pewnej mocy, ponieważ może okazać się , że przy pewnej temperaturze krytycznej, niższej od temperatury wrzenia, ciało ogrzewane (czyli woda) będzie oddawać do otoczenia całe ciepło dostarczone przez grzałkę.