9

ФГОУ ВПО «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №307

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДЫ

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики для студентов инженерно-технических специальностей

Калининград

2006

1. Цель работы:

1.1. Определить мощность и кпд электрического нагревателя, мощность теплопотерь и теплоёмкость сосуда, в котором установлен нагреватель.

1.2. Определить коэффициент объёмного расширения, удельную теплоёмкость и удельную теплоту парообразования воды.

2. Оборудование и приборы:

2.1. Основание со встроенным электропитанием.

2.2. Бытовой электрический чайник для нагрева воды.

2.3. Вольтметр для измерения сетевого напряжения.

2.4. Мультиметры для измерения электросопротивления и температуры (1 шт. встроенный и 1 шт. переносной).

2.5. Термопара (2 шт.).

2.6. Секундомер.

2.7. Мерный сосуд объёмом 1000 мл (2 шт.).

2.8. Перчатки х/б.

2.9. Провода для подключения к встроенному мультиметру.

Примечание. Перечисленное оборудование находится в составе установки ЛКТ-9 и в её ЗИПе.

3. Правила техники безопасности

В установке используется опасное для жизни напряжение, при выполнении работы приходится иметь дело с кипящей жидкостью (вода) и со стеклянной посудой, поэтому во время работы необходимо строго соблюдать соответствующие меры безопасности и неукоснительно соблюдать порядок выполнения настоящей лабораторной работы.

3.1. Запрещается снимать защитные кожуха блоков питания, самостоятельно проводить ремонт установки.

3.2. Перед началом работы убедитесь в исправности заземления установки.

4. Теоретическое введение

5. Экспериментальные задания

5.1. Порядок выполнения

5.1.1. Подготовьте в тетради таблицы по формам 1, 2, 3. Все измеряемые параметры сразу же вносите в соответствующие графы таблиц 1, 2. Пользуясь секундомером, не забывайте после снятия показаний обнулять его для последующего использования.

5.1.2. Измерение электрического сопротивления R нагревателя чайника:

- снимите чайник с подставки;

- присоедините крайние контакты электроразъёма чайника к встроенному мультиметру, используя провода из принадлежностей установки;

- переведите кнопку включения чайника в положение "Включено";

- измерьте электрическое сопротивление нагревателя чайника;

- верните кнопку включения чайника в положение "Выключено";

- отсоедините провода от электроразъёмов чайника и от мультиметра;

- установите чайник на подставку;

- подключите установку ЛКТ-9 к сети  220 В, на вольтметре появится значение напряжения сети (предел шкалы вольтметра 250 В).

5.1.3. Измерения параметров, характеризующих процессы нагрева, кипения и охлаждения воды (индекс "А" обозначает воду из сосуда А, индекс "В" обозначает воду из сосуда В):

- подготовьте два мерных стеклянных сосуда А и В. Налейте в каждый из них одинаковые объёмы (V_A = V_B = 1 л) холодной воды из-под крана;

- присоедините чёрные штекеры термопар к гнездам «ТЕМР», красные – к гнездам «VΩmA» встроенного и переносного мультиметров;

- в сосуд В опустите термопару, присоединённую к мультиметру с биркой "Т_В";

- перелейте воду из сосуда А в чайник (V_AO = 1 л);

- поместите термопару, присоединённую к мультиметру с биркой "Т_А", в чайник и через 80-120 с после установления теплового равновесия измерьте температуру Т_А1 залитой воды.

ВНИМАНИЕ! Перед включением чайника запомните значение напряжения сети на вольтметре. После включения нагревателя оно должно уменьшиться примерно на 5 В (половина деления шкалы). Если же значение не изменится, то пошевелите чайник на подставке и добейтесь появления электрического контакта и начала работы нагревателя.

- включите чайник и секундомер, в процессе нагревания с помощью встроенного вольтметра измерьте напряжение на нагревателе U. Доведите воду до кипения, зафиксируйте время t_A1 нагревания воды до кипения;

- измерьте температуру Т_А2 кипящей воды и сразу выключите чайник;

- проследите за остыванием воды в чайнике в течение t_A2 = 180 с, измерьте температуру Т_А3 остывшей воды;

- измерьте температуру холодной воды Т_В5 в сосуде В, выньте из него термопару.

ВНИМАНИЕ! Следующие действия нужно выполнить быстро и аккуратно:

- измерьте температуру Т_А4 остывающей воды в чайнике, перенесите из него термопару в пустой сосуд А и перелейте туда воду из чайника, а холодную воду из сосуда В (Vв_O = 1 л) перелейте в неостывший чайник и опустите в него термопару Т_В;

- через 80- 120 с после установления теплового равновесия вода в чайнике нагреется, а сам чайник охладится. Измерьте эту температуру Т_В6;

- измерьте температуру Т_А7 и объём V_A2 тёплой воды в сосуде А;

- включив чайник, доведите воду до кипения, включите секундомер и кипятите воду в течение t_B3 = 240 c, придерживая кнопку выключения чайника;

- выключите чайник, перенесите из него термопару в пустой сосуд В и перелейте туда воду из чайника;

- следите за процессом охлаждения воды в сосуде В, по достижении температурой значения Т_В7 = Т_А7 измерьте объём воды V_B3.

По завершении опыта вылейте использованную воду из обоих сосудов в раковину. Отключите установку от сети  220 В.

Таблица 1

Измеряемый параметр	Обозн.	Значение	Абсол. погр.
Сопротивление нагревателя, Ом	R
Напряжение сети под нагрузкой, В	U

Таблица 2

Измеряемый параметр	Вода из сосуда	Обозн.	Значение	Абсол погр.
Начальный обьём воды, мл	А и В	VA0,VB0	1000
Температура холодной воды, оС	А	ТА1
Время нагревания до кипения, с	А	tА1
Температура кипения, оС	А	ТА2
Время остывания, с	А	tА2	180
Температура после остывания, оС	А	ТА3
Температура перед выливанием, оС	А	ТА4
Температура холодной воды, оС	В	ТВ5
Температура после прогрева, оС	В	ТВ6
Температура тёплой воды, оС	А	ТА7
Обьём теплой воды, мл	А	VA2
Время кипячения. с	В	tВ3	240
Обьём горячей воды после кипячения, мл	В	VВ3

5.2. Обработка результатов измерений.

Расчётные данные занесите в табл. 3.

Таблица 3

Измеряемый параметр	Обозн.	Значение	Абс. погр.
Мощность нагревателя, Вт	P0
Мощность потерь при кипении, Вт	P*
Средняя мощность потерь при нагревании, Вт	<P>
Теплоёмкость воды (масса 1кг), Дж/К	С
Удельная теплоёемкость , Дж/кг К	Суд
Теплоёмкость чайника, Дж/К	СЧ
Коэффициент обьёмного расширения воды, К-1
Приведённый обьём теплой воды, мл	VA1
Масса выкипевшей воды, кг	М
Удельная теплота парообразования, Дж/кг	q
КПД нагревателя при нагревании	k1
КПД нагревателя при кипячении	k2

5.3. Определение мощности нагревателя и мощности потерь .

Мощность электронагревателя рассчитайте по закону Ома

(1)

Для расчёта мощности потерь электрического нагревателя чайника запишем уравнение теплового баланса при нагревании в чайнике воды из сосуда А в течение времени t_А1 от температуры Т_А1 до температуры кипения Т_А:

, (2)

где P(t) - мощность потерь при нагревании. Эта величина меняется в процессе нагревания, т.к. зависит от разности температур между нагреваемым телом и окружающей средой. При кипении мощность потерь достигает наибольшего значения и остаётся постоянной Р*. Тепловые потери при нагревании можно вычислить по теореме о среднем значении

, (3)

а cреднюю мощность потерь при нагревании можно оценить как

<P>= P*/2 (4)

P* легко определяется из уравнения теплового баланса при остывании в чайнике воды из сосуда А в течение времени t_А2 от температуры кипения Т_А2 до температуры Т_А3 :

(5)

Окончательно, из уравнений (2) и (5) с учётом уравнений (3) и (4), получим

(6)

5.4. Определение теплоёмкостей воды и чайника.

Если записать уравнение теплового баланса при нагреве холодной воды из сосуда В от температуры Т_В5 до температуры Т_В6 после заливки её в горячий пустой выключенный чайник при температуре Т_А4 (чайник при этом охлаждается до температуры Т_В6) и не учитывать тепловые потери

, (7)

то из этого уравнения и уравнения (2) следуют формулы для расчёта теплоёмкости воды (массой 1,0 кг)

(8)

и теплоёмкости чайника

(9)

Удельная теплоёмкость воды рассчитывается по определению.

5.5. Определение КПД чайника.

Ясно, что КПД чайника при кипячении воды можно рассчитать в соответствии с определением по формуле :

(10)

Для оценки КПД чайника при нагревании воды необходимо учесть потери в окружающую среду по средней мощности потерь <P> , а также учесть мощность, требуемую для нагрева самого чайника:

(11)

5.6. Определение коэффициента обьёмного расширения воды.

Обьём жидкости, как известно, меняется в зависимости от температуры по закону:

, (12)

где V₀ - обьём при температуре Т₀ , - коэффициент обьёмного расширения воды.

Если воспользоваться экспериментальными данными по нагреву и охлаждению воды в сосуде А (она была предварительно нагрета от Т_А1 до температуры кипения, затем вылита из чайника опять в мерный сосуд и охладилась до Т_А7), считая, что количество воды при этом не изменилось (практически ничего не выкипело, а то, что осталось на стенках чайника, не учитываем), то формула для расчёта коэффициента обьёмного расширения воды в соответствии с (12) будет иметь вид:

. (13)

5.7. Определение удельной теплоты парообразования .

Удельную теплоту парообразования воды q можно рассчитать, воспользовавшись уравнением теплового баланса при кипении воды в сосуде В в течение времени t_В3:

, (14)

где М – масса выкипевшей жидкости.

После кипячения воды в сосуде В её обьём составил V_В3, измеренный при температуре Т_В7=Т_А7 . Поскольку начальный обьём жидкости составлял V_B0 при комнатной температуре Т_В5 (плотность воды =1000 кг/м³ при этой температуре ), то для расчёта массы выкипевшей воды надо определить, какой обьём будет занимать оставшаяся после кипячения часть жидкости при этой же температуре. Приведённый к температуре Т_В5 обьём V_B1 воды после кипячения в соответствии с (12) можно рассчитать по соотношению

(15)

Тогда массу выкипевшей воды найдём по формуле

(16)

С учётом (14) найдём удельную теплоту парообразования воды

(17)