Μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε θερµότητα

Transcript

1 Μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε θερµότητα Στη σύγχρονη κοινωνία είναι ευρύτατα διαδεδοµένη η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας. εν θα ήταν ψέµα αν λέγαµε ότι είµαστε πλήρως εξαρτηµένοι από αυτή. Σχεδόν σε όλες τις καθηµερινές δραστηριότητές µας, χρησιµοποιούµε συσκευές που µετατρέπουν ηλεκτρική ενέργεια σε άλλες µορφές ενέργειας. Σε φωτεινή ενέργεια (λαµπτήρες φωτισµού, φωτεινές επιγραφές καταστηµάτων), σε θερµότητα (ηλεκτρικές θερµάστρες, θερµοσίφωνα, βραστήρες), ή σε κινητική ενέργεια (ανεµιστήρες, ασανσέρ, ηλεκτρικά τραίνα). Ακόµη τη χρησιµοποιούµε για τις επικοινωνίες και την ενηµέρωσή µας (τηλέφωνα κινητά και σταθερά, τηλεοράσεις, ραδιόφωνα), ή για τη διασκέδασή µας (µικρόφωνα, µεγάφωνα, ηλεκτρικά µουσικά όργανα). Η µεγάλη αξία της ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκεται στο ότι µπορεί να µεταφερθεί εύκολα από την περιοχή που παράγεται εκεί όπου θα χρησιµοποιηθεί και στο ότι επίσης µπορεί εύκολα να µετατραπεί από µια µορφή σε άλλη. Αν έχουµε µια συσκευή που όταν λειτουργεί υπό τάση V διαρρέεται από ρεύµα I, η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει αν λειτουργήσει χρόνο t, είναι: W = VIt (1) Η µονάδα µέτρησης της ενέργειας στο διεθνές σύστηµα µονάδων (SI) είναι το Joule. Ο ευκολότερος τρόπος για να µετρήσουµε την ενέργεια, είναι να τη µετατρέψουµε σε θερµότητα και να δούµε πόση αύξηση θα προκαλέσει στη θερµοκρασία µιας συγκεκριµένης ποσότητας νερού. Με αυτόν τον τρόπο ορίζεται µια άλλη µονάδα ενέργειας που λέγεται calorie ή εν συντοµία cal. Ένα cal είναι το ποσό της ενέργειας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερµοκρασία ενός γραµµαρίου νερού κατά ένα βαθµό κελσίου. Βέβαια είναι προφανές ότι σε οποιοδήποτε σώµα µάζας m προσδώσουµε θερµότητα Q, η θερµοκρασία του θα αυξηθεί κατά θ σύµφωνα µε τη σχέση: Q = mc ϑ (2) cal όπου c είναι η ειδική θερµότητα του σώµατος (έχει µονάδες: ). Η σχέση (2) o gr C ονοµάζεται η Θεµελιώδης εξίσωση της Θερµιδοµετρίας. (Παρατήρηση: Η ειδική cal θερµότητα του νερού είναι 1 ) o gr C Μερικές χρήσιµες µονάδες ενέργειας φαίνονται στον επόµενο πίνακα. Μονάδες ενέργειας Joule (διεθνές σύστηµα µονάδων) cal Θερµίδα KWh (κιλοβατώρα) BTU (British Thermal Unit) Συντελεστές µεταροπής 4.18 Joule 1000 cal 3.6 MJoule 1055 Joule Παρατηρήστε ότι όλες τις µονάδες ενέργειας που αναγράφονται στον παραπάνω πίνακα τις χρησιµοποιούµε στην καθηµερινή µας ζωή. Σε όλες τις συσκευασίες

2 τροφίµων θα δείτε να αναγράφεται το ενεργειακό περιεχόµενο των τροφών σε θερµίδες (Kcal) και σε KJoule. Την ενέργεια που παίρνουµε από τη ΕΗ και καταναλώνουµε στο σπίτι µας την µετράµε σε KWh (κιλοβατώρες, KW h) και ο λογαριασµός βγαίνει ανάλογα µε την ποσότητα που έχουµε καταναλώσει. Επίσης οι µπαταρίες που χρησιµοποιούµε σε διάφορες εφαρµογές όπως στη βιντεοκάµερα, ή στη φωτογραφική µηχανή, µας παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια. Μάλιστα κάποιες πιο ακριβές µπαταρίες όπως αυτές της βιντεοκάµερας εκτός από την τάση λειτουργίας τους, αναγράφουν επάνω και την ενέργεια που είναι αποθηκευµένη µέσα τους. Έτσι σε µια τέτοια µπαταρία θα δείτε να αναγράφεται για παράδειγµα, 7Volt, 5Wh. Ο δεύτερος αριθµός είναι η ενέργεια σε βατώρια. Τέλος η ενέργεια που καταναλώνεται στα κλιµατιστικά µηχανήµατα, συνήθως µετριέται σε BTU. Μια επίσης πολύ σηµαντική φυσική ποσότητα που θα µας χρειαστεί στην άσκηση αυτή είναι η ηλεκτρική ισχύς. Η ισχύς δεν είναι τίποτε άλλο από το ρυθµό µε τον οποίο µια συσκευή καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια για να την µετατρέψει σε άλλη µορφή ενέργειας όπως θερµότητα, φως, ή ήχο. W P= (3) t Η µονάδα µέτρησης της ισχύος στο SI (διεθνές σύστηµα µονάδων) είναι το Watt. Μια άλλη µονάδα ισχύος που χρησιµοποιούµε συχνά κυρίως για µηχανές είναι ο ίππος (Hp) και ισχύει 1Hp=746Watt. Έτσι µια συσκευή όπως ένα ρολόι χεριού που η ισχύς του είναι 0.001W, καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια 0.001Joule κάθε δευτερόλεπτο που περνά, ενώ µια ηλεκτρική τοστιέρα που γράφει επάνω της ισχύ 1000 Watt, καταναλώνει πολύ γρηγορότερα ενέργεια, 1000 Joule κάθε δευτερόλεπτο λειτουργίας της. Αν συνδυάσουµε τις σχέσεις (1) και (3) µπορούµε να εκφράσουµε την ισχύ σα συνάρτηση ηλεκτρικών µεγεθών: P= VI (4) Συνήθως οι ηλεκτρικές συσκευές που έχουµε στο σπίτι µας αναγράφουν πάνω τους την ισχύ λειτουργίας τους. Χρησιµοποιώντας αυτή την πληροφορία και την παραπάνω σχέση (4) µπορούµε να βρούµε πόσο ρεύµα χρειάζονται για τη σωστή λειτουργία τους οι συσκευές του σπιτιού µας. Ερώτηση: Αναφέρετε δύο άλλες συσκευές που έχετε στο σπίτι σας και καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια και πείτε σε ποιες µορφές ενέργειας την µετατρέπουν. Ποια είναι η ισχύς αυτών τον συσκευών; ( ιαβάστε την ταµπέλα που έχουν πάνω τους). Χρησιµοποιώντας τη σχέση (4) βρείτε πόσο ρεύµα διαρρέει τις συσκευές αυτές όταν λειτουργούν. Ερωτήσεις: Απάντησε τις παρακάτω ερωτήσεις για να δεις αν έχεις καταλάβει τη θεωρία του πειράµατός σου. Αν δεν µπορείς να απαντήσεις ξαναδιάβασε πιο προσεκτικά τη θεωρία σου. 1) ποιές από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; α) Μια µονάδα µέτρησης ισχύος είναι το cal. β) Μια µονάδα µέτρησης ενέργειας είναι το βατώριο (Wh)

3 γ) Η ισχύς είναι ενέργεια προς χρόνο δ) Οι µπαταρίες µας παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια. ε) Μια µονάδα µέτρησης ισχύος είναι ο ίππος 2) Ανέφερε δύο διαφορετικές µονάδες ισχύος και δύο παραδείγµατα από την καθηµερινή ζωή όπου τις χρησιµοποιούµε. 3) Χρησιµοποίησε τον νόµο του Ohm και την σχέση (4), για να εκφράσετε την ισχύ σα συνάρτηση της τάσης V και της αντίστασης R. 4) Χρησιµοποιώντας τη σχέση (4), βρείτε πόσο ρεύµα τραβά µια λάµπα πυράκτωσης µε ισχύ P=100W και ένας στεγνωτήρας µαλλιών (µπιστολάκι) µε P=1500W. (Η κανονική τάση λειτουργίας και των δύο είναι V=220V). Βρείτε την ενέργεια που θα καταναλώσει το µπιστολάκι αν λειτουργήσει 5min σε Joule και σε KWh. ιαβάστε τα παρακάτω πρακτικά προβλήµατα τα οποία είναι σχετικά µε την εργαστηριακή σας άσκηση. Αφού τα σκεφτείτε προσπαθήστε να απαντήσετε στις ερωτήσεις τους. Πρακτικό πρόβληµα Ι ουλεύεις µε µια οµάδα που σχεδιάζει το χώρο υποδοχής σε µια µεγάλη εταιρεία. Στο χώρο αυτό θέλουν να βάλουν ένα ενυδρείο µε τροπικά ψάρια. Στον πάτο του ενυδρείου πρέπει να τοποθετηθεί ένα διακοσµητικό ναυάγιο το οποίο για να είναι εντυπωσιακό θα πρέπει να φωτιστεί από δύο λάµπες ισχύος 30W η κάθε µια. Ένα µέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνουν οι λάµπες µετατρέπεται σε θερµότητα που αυξάνει τη θερµοκρασία του νερού στο ενυδρείο. Πρέπει λοιπόν να ξέρουµε πόση ενέργεια δίνουν οι λάµπες στο νερό ώστε να σχεδιάσουµε αν τελικά είναι απαραίτητο έναν άλλο µηχανισµό που θα αφαιρεί αυτή την ενέργεια από το νερό έτσι ώστε να µην αυξηθεί πολύ η θερµοκρασία του νερού και πεθάνουν τα ψάρια. Για να µελετήσεις αυτό το πρόβληµα θα κάνεις πρώτα το πείραµά σου όπου θα µετατρέψεις ηλεκτρική ενέργεια σε θερµότητα την οποία θα δώσεις σε νερό και θα δεις πόσο θα αυξηθεί η θερµοκρασία του. Οι διαστάσεις του ενυδρείου είναι 1m x 0.5m x 0.5m. Άρα ο όγκος του είναι 0.25m 3 και χωρά 250 Kgr νερού. Η συνολική ισχύς που καταναλώνουν και οι δύο λάµπες είναι P=60W. α) Βρείτε από τη σχέση (3) πόση ενέργεια W καταναλώνεται σε 24 ώρες. Βρείτε την ενέργεια αυτή σε Joule και σε KWh (κιλοβατώρια). β) Αν όλη η ενέργεια W γίνεται θερµότητα την οποία απορροφά εξολοκλήρου το νερό βρείτε πόσο θα αυξηθεί η θερµοκρασία του νερού. Πρακτικό πρόβληµα ΙΙ Το θερµοσίφωνο είναι ένας θερµαντής νερού µε ντεπόζιτο. ηλαδή έχει ένα δοχείο που περιέχει νερό, µέσα στο οποίο υπάρχει µια αντίσταση που µετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια σε θερµότητα για να ζεστάνει το νερό το οποίο έπειτα θα χρησιµοποιήσουµε για να πλυθούµε. Όµως αυτός δεν είναι και τόσο οικονοµικός

4 τρόπος θέρµανσης νερού. Και αυτό γιατί ζεσταίνουµε όλη την ποσότητα του νερού που υπάρχει στο θερµοσίφωνο και συνήθως µετά χρησιµοποιούµε µόνο ένα µέρος της. Μια καλύτερη ιδέα θα ήταν να ζεσταίναµε άµεσα το νερό που θα χρειαζόµασταν για να πλυθούµε καθώς αυτό έρχεται στη µπανιέρα. Θέλεις λοιπόν να σχεδιάσεις έναν θερµαντή νερού ο οποίος θα θερµαίνει το νερό λίγο πριν φτάσει στο τηλέφωνο του ντους. Έστω ότι ο ρυθµός ροής νερού στο σωλήνα του ντουζ είναι 5Kgr/λεπτό. Στη διάρκεια 1λεπτού πρέπει να θερµανθούν τα 5 Kgr νερού από 15 ο C σε 45 ο C. α) Πόση θερµότητα Q πρέπει να απορροφήσει το νερό; β) Πόση ηλεκτρική ενέργεια W σε Joule πρέπει να καταναλωθεί αν όλη χρησιµοποιηθεί για τη θέρµανση του νερού; Ποια η ισχύς P της θερµαντικής αντίστασης; Συσκευές που θα χρειαστούν: Ένα δοχείο Dewar, βολτόµετρο, αµπερόµετρο, θερµόµετρο, χρονόµετρο και τροφοδοτικό. οχείο Dewar Το πείραµα συνοπτικά: Μια από τις συσκευές που θα χρησιµοποιήσουµε στο πείραµά µας είναι το δοχείο Dewar. Αποτελείται από ένα θερµικά µονωµένο δοχείο (ένα θερµός) µε καπάκι. Έχει διπλό τοίχωµα και ο χώρος ανάµεσα στα τοιχώµατα είναι αερόκενος έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί η διαρροή θερµότητας µε αγωγή. Επίσης η εσωτερική του επιφάνεια είναι επαργυρωµένη έτσι ώστε οι απώλειες ενέργειας λόγω ακτινοβολίας να είναι µηδαµινές. Στο εσωτερικό του υπάρχει ένας µεταλλικός αγωγός σε µορφή σπείρας που έχει αντίσταση R. Όταν η σπείρα διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύµα έντασης Ι για χρονικό διάστηµα t, η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται είναι: W = I 2 Rt (5) Νόµος του Joule Παρατήρηση: Η παραπάνω σχέση βγαίνει από τη σχέση (1) και το νόµο του Ohm. Η ενέργεια αυτή µετατρέπεται σε θερµότητα την οποία απορροφά το νερό και ανεβαίνει η θερµοκρασία του, σύµφωνα µε τη θεµελιώδη εξίσωση της θερµιδοµετρίας. Ερώτηση: Ο αναδευτήρας που έχουµε µέσα στο θερµιδόµετρο απορροφά θερµότητα;

5 Αν υποθέσουµε ότι όλη η θερµότητα που παράγεται στην σπείρα (αντίσταση) απορροφάται από το νερό, σύµφωνα µε την αρχή διατήρησης της ενέργειας θα ισχύει η σχέση: W = JQ (6) Το J ονοµάζεται ηλεκτρικό ισοδύναµο της θερµότητας και µας λέει πως σχετίζεται το cal µε το Joule. Το J µπορούµε να το προσδιορίσουµε στο πείραµά µας από την παραπάνω σχέση (6) µια και την ηλεκτρική ενέργεια W την υπολογίζουµε σε Joule και τη θερµότητα Q που απορροφά το νερό σε cal. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ 1) Πραγµατοποιούµε το παρακάτω κύκλωµα: A Ε Θ V Θ είναι το θερµιδόµετρο, Ε πηγή συνεχούς τάσης, Α αµπερόµετρο και V βολτόµετρο. 2) Βάζουµε µέσα στο θερµιδόµετρο (220±5) gr αποσταγµένο νερό 3) Σκεπάζουµε το θερµιδόµετρο και αφού ανακατέψουµε το νερό, µετράµε την αρχική του θερµοκρασία θ αρχ µε το θερµόµετρο. 4) Φτιάχνουµε στο τετράδιο τον παρακάτω πίνακα µετρήσεων αποτελεσµάτων: Πίνακας µετρήσεων - Αποτελεσµάτων t= m= I= c=1cal/g/ o C V= θ = θ τελ. -θ αρχ. P= Q=mc θ= W= J=W/Q= %= 5) Ρυθµίζουµε την ένταση του ρεύµατος από την πηγή Ι=(2.3±0.2) Α. Μόλις ανοίξουµε την πηγή ξεκινάµε την χρονοµέτρηση. 6) Καταγράφουµε στον πίνακα τις ενδείξεις βολτόµετρου και αµπερόµετρου. Ανακατεύουµε κάθε τόσο το νερό του θερµιδόµετρου και φροντίζουµε να µένει σταθερό το ρεύµα στο κύκλωµά µας. 7) Καθώς περιµένουµε (για 18 min) υπολογίζουµε την ισχύ P που καταναλώνεται στην σπείρα του θερµιδόµετρου.

6 8) Μετά από χρόνο t=18min κλείνουµε την πηγή και αφού ανακατέψουµε αρκετά το νερό µετράµε την τελική θερµοκρασία θ τελ του νερού µε το θερµόµετρο. 9) Υπολογίστε την ηλεκτρική ενέργεια W που καταναλώθηκε στη σπείρα σε Joules, χρησιµοποιώντας την σχέση (5) και την θερµότητα Q που απορρόφησε το νερό σε cal. (την αντίσταση της σπείρας που σας χρειάζεται στην σχέση (5) θα την υπολογίσετε από τον νόµο του Ohm). Τέλος υπολογίστε το ηλεκτρικό ισοδύναµο J από τη σχέση (6). Καταγράψτε όλα τα αποτελέσµατα στον πίνακά σας. 10) Συγκρίνετε την τιµή του J που βρήκατε µε την θεωρητική που είναι 4.18Joule/cal υπολογίζοντας την % διαφορά ως προς την θεωρητική τιµή. 11) Απαντήστε στις ερωτήσεις των πρακτικών προβληµάτων.