Дослідження теплової дії електричного струму – МАНЛаб


Дослідження теплової дії електричного струму

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Провести експеримент відповідно до ходу дослідження.
  3. Розрахувати кількість теплоти, виділену нагрівником у експерименті з водою.
  4. Розрахувати кількість теплоти, отриману водою.
  5. Розрахувати ККД нагрівника.
  6. Розрахувати питому теплоємність насиченого соляного розчину.
  7. Занотувати висновки дослідження.

Обладнання:

Набірне поле «Школяр», джерело живлення, мобільна лабораторія NOVA5000, датчик напруги DT001, датчик струму DT005, датчик температури DT029, з’єднувальні провідники, нагрівний елемент, калориметр, мірний циліндр, вода кімнатної температури.

Теоретична частина

Кількість теплоти, що виділяється струмом у провіднику, пропорційна силі струму, часові його проходження і падінню напруги:

Q1 = I1U1t1, (1)

де I1 – сила струму;

U1 – прикладена напруга;

t1 – час проходження струму.

Для визначення кількості виділеної теплоти при проходженні струму крізь провідник використовують калориметричний метод. Його сутність полягає у визначенні кількості теплоти, яку отримує вода у внутрішньому стакані калориметра при проходженні струму крізь нагрівник, вміщений у цю воду. Далі вираховують кількість теплоти, виходячи з виразу:

Q2 = cВm1Δt1, (2)

де св – питома теплоємність води;

m1 – маса води в калориметрі;

t1 – різниця кінцевої та початкової температури води;

Коефіцієнт корисної дії електричного нагрівника визначається відношенням:

η = Q2/Q1. (3)

Для визначення питомої теплоємності насиченого розчину солі ср, воду в калориметрі замінюють на насичений розчин та проводять аналогічний експеримент. При визначенні питомої теплоємності потрібно враховувати коефіцієнт корисної дії нагрівника. Визначення проводиться за виразом:

. (4)

де І2 – сила струму;

U2 – прикладена напруга;

t2 – час проходження струму;

m2 – маса розчину солі;

Δt2 – зміна температури розчину.

У роботі використовується мобільна лабораторія NOVA5000 з датчиками напруги, струму та температури.

Хід роботи

  1. Відміряйте мірним циліндром 100 мл води (m1) та влийте її у внутрішній стакан калориметра.
  2. Під’єднайте нагрівник калориметра до електричного кола.
  3. Під’єднайте датчик напруги та струму до електричного кола та до входів реєстратора.
  4. Під’єднайте датчик температури до реєстратора та помістіть його через кришку в калориметр.
  5. Запустіть програму MultiLab. Програмне забезпечення MultiLab автоматично розпізнає датчики.
  6. Натисніть «Реєстратор», «Настройки» на головній панелі інструментів.
  7. Запрограмуйте частоту замірів реєстратора даних, обравши один замір на секунду та кількість зразків – 500.
  8. Увімкніть живлення електричного кола, виставивши напругу, не більшу за 4 В.
  9. Натисніть «Старт»  та, час від часу перемішуючи воду в стакані, дочекайтеся завершення експерименту.
  10. Встановіть Перший курсор  на графік напруги. Оберіть «Аналіз» – «Статистика». Зчитайте середнє значення напруги U1 та занесіть його до таблиці 1.
  11. Перемістіть Перший курсор на графік струму. Оберіть «Аналіз» – «Статистика». Зчитайте середнє значення струму I1 та занесіть його до таблиці 1.
  12. Встановіть Перший курсор на графік температури на початку процесу нагрівання та Другий курсор   в кінці процесу нагрівання. Зчитайте під віссю час нагрівання t1 та різницю температур t1. Занесіть до таблиці 1.
  13. Вилийте воду з внутрішнього стакана калориметра та відміряйте і влийте 100 мл насиченого розчину солі (m2). Занесіть масу до таблиці 2.
  14. Повторіть попередні дії для розчину солі, заносячи результати до таблиці 2.

Аналіз даних

  1. Розрахуйте кількість теплоти Q1, виділену нагрівником у експерименті з водою, за формулою (1).
  2. Розрахуйте кількість теплоти Q2, отриману водою, за формулою (2).
  3. Розрахуйте ККД нагрівника η за формулою (3).
  4. Розрахуйте питому теплоємність насиченого соляного розчину cр за формулою (4).
  5. Занотуйте висновки дослідження.

Таблиця результатів 1

m1, кг I1, А U1, В t1, с Δt1, °С Q1, Дж Q2, Дж η

 

Таблиця результатів 2

m2, кг I2, А U2, В t2, с Δt2, °С ср, Дж/кг∙К