Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
«Большегривская средняя общеобразовательная школа»
Нововаршавского МР Омской области
III Международная научно-практическая конференция
«Мир моих физических и астрономических исследований 2016»
Тема: «Исследование зависимости КПД нагревательных приборов от массы нагреваемой воды»
Выполнила:
ученица 8кл.
МБОУ «Большегривская СОШ»
Поморгайло Елена
Александровна
Научный руководитель:
учитель физики МБОУ
«Большегривская СОШ»
Омск -2016 год
Содержание.
Введение……………………………………………………………………..3
Глава 1.Коэффициент полезного действия………………………………..4
Глава 2. Физические основы работы нагревательных приборов………..5
2.1.Физические основы работы электрочайника………………………….5-6
2.2.Физические основы нагревания воды при сгорании топлива……….6
Глава 3. Расчет КПД чайника……………………………………………...7
3.1. Расчет КПД электрочайника…………………………………………..7
3.2. Расчет КПД обычного чайника………………………………………..8
Заключение…………………………………………………………………..9
Список литературы………………………………………………………….10
Приложения………………………………………………………………….11-17
Введение.
Мы все любим пить чай. Каждый раз для приготовления кипятка мы используем электрический или обычный чайник. Согласно законам физики не вся энергия, которую мы затрачиваем, идет на нагревание воды, вместе с ней нагревается и сам чайник, и окружающий воздух. Нальем в чайник немного воды, она закипит быстро, но при этом на нагревание чайника уйдет почти столько, же энергии сколько и на нагревание воды. Налить много, вода в чайнике будет греться дольше, и большая часть энергии уйдет на нагревание воздуха, чем на нагревание самого чайника. Сколько же воды нужно наливать в чайник?
Цель работы: исследовать зависимость коэффициента полезного действия нагревательных приборов от массы нагреваемой воды.
Задачи:
1. Изучить физические основы работы разных видов чайников.
2.Рассчитать коэффициент полезного действия электрического и обычного чайников при нагревании воды различной массы.
3.Сравнить КПД электрического и обычного чайников.
Объект исследования: коэффициент полезного действия
Предмет исследования: зависимость коэффициента полезного действия от массы нагреваемой воды
Гипотеза: коэффициент полезного действия нагревательного прибора зависит от массы нагреваемой воды.
В ходе работы использовались следующие методы исследования: анализ литературы, эксперимент, сравнительная характеристика. Практическая значимость работы заключается в определении оптимального количества воды, при котором отношение потерь тепла к полезной работе по производству кипятка минимально.
Глава 1. Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Коэффициент полезного действия показывает, какая часть тепловой энергии, полученной телом, превратилась в полезную работу. При нагревании воды часть энергии расходуется бесполезно (теряется) на нагревание самого чайника (или сосуда, в котором находится вода), окружающего воздуха.
Математическая формула для расчета КПД :
з = 
· 100%, (1)
где Q – количество теплоты необходимое для нагревания воды (полезное количество теплоты), А – затраченная работа.
Количество теплоты необходимое для нагревания воды можно рассчитать по формуле:
Q= c m (t2-t1), m= с ·V (2)
где с – удельная теплоемкость воды (берем из таблицы),
V – объем воды,
с – плотность воды,
t2, t1 – конечная и начальная температуры воды при нагревании.
t2 = 100°C, t1= 20°C
Для расчета затраченной работы формулы будут разными в зависимости от того каким чайником нагревается вода.
Глава 2 . Физические основы работы нагревательных приборов.
2.1.Физические основы работы электрочайника
Работа электронагревательных приборов основана на тепловом действии электрического тока. При прохождении электрического тока проводник нагревается. При этом электрическая энергия преобразуется в тепловую. Эту энергию мы используем для нагревания воды.
Обычно в качестве нагревательного элемента используется трубчатый электронагреватель (тэн). Внутри корпуса сверху расположен датчик закипания, срабатывание которого отключает нагревательный элемент от сети после закипания воды. Вблизи нагревательного элемента расположен датчик аварийного отключения, отключающий нагревательный элемент при полном выкипании воды в случае отказа датчика закипания, обеспечивающий пожарную безопасность. Почти во всех моделях современных чайников с непрозрачным корпусом имеется прозрачное вертикальное окно для наблюдения за уровнем воды в чайнике. К электросети нагревательный элемент подключается через контакты, расположенные на контактной подставке чайника (приложение 1).
При прохождении электрического тока через металлический проводник электроны сталкиваются то с нейтральными молекулами, то с молекулами, потерявшими электроны. Движущийся электрон либо отщепляет от нейтральной молекулы новый электрон, теряя свою кинетическую энергию и образуя новый положительный ион, либо соединяется с молекулой, потерявшей электрон (с положительным ионом), образуя нейтральную молекулу. При столкновении электронов с молекулами расходуется энергия, которая превращается в тепло. По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.
А= Q = I 2Rt.
A = P·ф, (3)
P – потребляемая прибором мощность,
ф – время закипания.
2.2.Физические основы нагревания воды при сгорании топлива
Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Энергия при горении вещества выделяется тогда, когда суммарная кинетическая энергия молекул после горения выше, чем у молекул до начала горения. В этом случае такое вещество называют топливом. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин, газ) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа, происходит выделение энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, называется теплотой сгорания этого топлива.
Теплота сгорания топлива (или количество теплоты, выделяющееся при его сгорании) зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем большее количество теплоты выделится при его полном сгорании.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Количество теплоты Q, выделяющееся при сгорании т кг топлива, определяют по формуле:
Q = qm, (4)
m= с ·V (5)
где, V – объем газа, с – плотность газа,
q – удельная теплота сгорания топлива.
Глава3 . Расчет КПД нагревательных приборов
Моя семья для заваривания чая пользуется электрическим и обычным чайником (приложение 2).
3.1. Расчет КПД электрочайника.
Цель эксперимента: установить зависимость коэффициента полезного действия электрочайника от массы нагреваемой воды
Оборудование: электрический чайник, вода, термометр, секундомер
Выполнение эксперимента:
Определить потребляемую мощность чайника по паспорту прибора. Налить в чайник воды. Измерить температуру воды термометром Включить чайник и довести воду до кипения. Измерить время закипания. Провести измерения для каждой порции воды три раза. Рассчитать среднее время закипания воды по формуле:
Мощность чайника Р=2000Вт, вместимость – 1,2л.
Вывод. Результаты проведенных экспериментов показали, что у данного электрочайника наибольший КПД равен 94% при массе воды 0,8кг (0,8 литров) (приложение 4, 6).
3.2. Расчет КПД газовой плиты.
На газовом участке поселка Большегривское выяснили характеристики газа. В газовые емкости заливают пропан - бутановую смесь марки ПТ (Пропан технический) ГОСТ 20448-90. Пропан-бутановая смесь – бесцветный газ с резким запахом – является побочным продуктом переработки нефти и относятся к группе тяжелых углеводородов. Состоит из пропана (C3H8) с примесью бутана (C4H10). Плотность равна с=1,92кг/м3, удельная теплота сгорания равна q=47,54 МДж/кг.
Цель эксперимента: установить зависимость коэффициента полезного действия обычного чайника от массы нагреваемой воды
Оборудование: газовая плита «Дарина», чайник(вместимость 2,5л), вода, термометр, секундомер, счетчик газа СГБМ-1,6 (приложение 3).
Выполнение эксперимента:
Напить в чайник воды. Измерить температуру воды термометром Записать начальные показания газового счетчика Включить газовую плиту и довести воду до кипения. Рассчитать количество теплоты, которое потребовалось для нагревания воды по формуле (2). Записать конечные показания счетчика. Найти массу газа по формуле (5) Рассчитать количество теплоты при сгорании топлива по формуле (4). Рассчитать КПД по формуле (1). Сделать расчеты при различных массах водыВывод. Нагревание воды на газовой плите показало, что максимальный коэффициент полезного действия равен 46% при массе воды 1 и 2,5 кг (приложение 5, 7).
Заключение.
В повседневных делах мы очень часто нагреваем воду разными нагревательными приборами. По результатам работы можно сделать следующие выводы:
Изучили физические основы нагревания воды электрическим и обычным чайниками; Рассчитали коэффициенты полезного действия электрического и обычного чайников при нагревании воды различной массы. Определили оптимальное количество воды, при котором, отношение потерь тепла к полезной работе по производству кипятка минимально: для электрического чайника – 0,8 литров, для обычного чайника – 1 и 2,5 литров воды. Сравнивая коэффициенты полезного действия электрического и обычного чайников, установили, что КПД электрочайника больше (приложение 6,7), значит им эффективнее нагревать воду.В ходе исследования гипотеза о зависимости КПД от массы нагреваемой воды подтвердилась. Приготавливая кипяток необходимо всегда помнить, что часть электрической энергии или энергии топлива теряется.
Список литературы.
Касьянов 10 кл.: Учебник для общеобразовательных учреждений. – М.: Дрофа, 2003. Перельман ли вы физику? – М.: ВАП, 1994. , Гутник 8 кл.: Учебник для общеобразовательных учреждений.- М.: Дрофа, 2012. Энциклопедия для детей. Техника. – М.: Аванта +, 2001.Приложения.
Приложение 1.
Устройство электрического чайника
Приложение 2.
Электрический и обычный чайники.
Приложение 3.
Газовый счетчик.
Приложение 4.
Расчет КПД электрочайника.
m воды, кг | Время нагревания, мин | Среднее время нагревания, мин | Время нагревания, ф, с | Аэл. тока, Дж А=P·ф | Q, нагревания воды, Дж Q=cm (t2- t1) | КПД, %
|
0,3 | 1,31 | 1,28 | 76,8 | 153600 | 100800 | 65,6 |
1,26 | ||||||
1,27 | ||||||
0,4 | 1,38 | 1,4 | 84 | 168000 | 134400 | 80 |
1,4 | ||||||
1,44 | ||||||
0,5 | 2,04 | 2,05 | 123 | 246000 | 168000 | 68,2 |
2,03 | ||||||
2,08 | ||||||
0,6 | 2,26 | 2,20 | 132 | 264000 | 201600 | 76,3 |
2,17 | ||||||
2,17 | ||||||
0,7 | 2,39 | 2,38 | 142,8 | 285600 | 235200 | 82 |
2,37 | ||||||
2,38 | ||||||
0,8 | 2,51 | 2,54 | 152,4 | 304800 | 268800 | 94 |
2,55 | ||||||
2,57 | ||||||
0,9 | 3,10 | 3,11 | 186,6 | 373200 | 302400 | 81 |
3,12 | ||||||
3,10 | ||||||
1 | 3,30 | 3,30 | 198 | 396000 | 336000 | 84,8 |
3,28 | ||||||
3,33 | ||||||
1,2 | 4,26 | 4,29 | 257,4 | 514800 | 403200 | 78 |
4,29 | ||||||
4,31 |
· 100%Приложение 5.
Расчет КПД обычного чайника.
m воды, кг | Начальные показания счетчика | Конечные показания счетчика | V газа, м3 | m газа, кг m= с*V с=1,92кг/м3
| Q, сгорания топлива, Дж Q=q·m q=47,54 МДж/кг | Q, нагревания воды, Дж Q=cm (t2- t1) | КПД, %
|
0,1 | 83,146 | 83,149 | 0,003 | 0,00576 | 273830 | 33600 | 12 |
0,2 | 83,149 | 83,152 | 0,003 | 0,00576 | 273830 | 67200 | 25 |
0,5 | 83,152 | 83,161 | 0,006 | 0,01152 | 547661 | 168000 | 31 |
0,8 | 83,161 | 83,168 | 0,007 | 0,01344 | 638938 | 268800 | 42 |
1 | 83,168 | 83,176 | 0,008 | 0,01536 | 730214 | 336000 | 46 |
1,5 | 83, 176 | 83, 189 | 0, 013 | 0,02496 | 1186598 | 504000 | 42 |
2 | 83, 189 | 83,206 | 0,017 | 0,03264 | 1551706 | 672000 | 43 |
2,5 | 83,206 | 83,226 | 0,02 | 0,0384 | 1825536 | 840000 | 46 |
· 100%Приложение 6.
График зависимости КПД электрического чайника
от массы нагреваемой воды.
Приложение 7.
График зависимости КПД обычного чайника от массы нагреваемой воды
