Практическая работа № 3

Тема "Определение КПД электрического нагревателя".

Цель работы: экспериментально определить КПД электрического нагревательного прибора при нагревании известного объёма воды.

Оборудование и материалы: источник переменного тока, электрический нагреватель (чайник, погружной ТЭН и т.д.), термометр, секундомер, вода, мерный стакан.

Теоретические сведения.

Коэффициент полезного действия  — это физическая величина, показывающая, какая часть, выраженная в процентах, от затраченной энергии превращается в полезную работу. Тогда КПД нагревателя можно определить из равенства:

В данной работе полезной является энергия, пошедшая на нагревание воды, затраченная энергия — это электрическая работа, совершённая током за время опыта. Полезную работу, равную энергии затраченной на нагревание воды определим с помощью уравнения известного из курса термодинамики:

затраченная энергия, это энергия электрического тока в нагревательном элементе:

При использовании в качестве нагревателя электрический чайник, затраченную энергию удобно определять как произведение мощности нагревателя (чайника) на время нагревания. При этом будем считать, что мощность нагревателя все время эксперимента остается неизменной.

Тогда окончательная формула для расчета КПД примет вид:

При реальных измерениях КПД обычно составляет 60 - 80%.

Мощность чайника указывается в инструкции по эксплуатации устройства или на шильдике чайника - это заводская информационная наклейка или табличка, на которой указаны точная модель, серийный номер, электрическая мощность, дата выпуска и параметры сети (напряжение, частота). Шильдик прикрепляется к корпусу чайника (как правило снизу), реже прикреплен к подставке-базе.

Такие таблички - шильдики есть на всей бытовой технике.

Из приведенного примера мы можем узнать, что: стиральная машина SAMSUNG , предназначена для работы в сетях переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220-240 В, при этом развивается максимальная мощность 2400 Вт при 1200 оборотах в минуту.

Ход выполнения работы.

1. Внимательно изучите инструкцию к вашему чайнику или шильдик на его корпусе.

2. Определите параметры вашего нагревателя и занесите их в таблицу №1.

Напряжение и мощность нагревателя указаны в инструкции. Силу тока и сопротивление ТЭНа расчитываем по формулам:

Таблица №1

2. С помощью мерного стакана отмерьте некоторое количество воды (200, 300 или 500 мл) и измерьте ее температуру с помощью термометра.

3. Рассчитайте массу отмеренной воды по формуле: m = ρV  и занесите полученный результат в таблицу №2.

4. Залейте эту воду в чайник.

5. Включите чайник в розетку переменного тока и нажмите клавишу включения нагревательного элемента чайника (ТЭНа).

6. Одновременно с включением чайника запустите секундомер (можно воспользоваться секундомером встроенным в смартфон).

7. Когда вода в чайнике закипит, чайник отключится, в этот момент необходимо остановить секундомер.

8. Запишите измеренные результаты в таблицу №2

9. Сделайте паузу, чтобы ТЭН остыл и повторите пункты 2 - 8 с другой массой воды.

Таблица №2

10. Рассчитайте среднее значение КПД нагревателя по результатам трех опытов.

11. Определите погрешность вычисления КПД нагревателя.

12. Запишите результат в формате:

η = η_ср ± ∆η