Krzysztof Marczewski 173262

Dawid Januszkiewicz 173214

Prowadzący: dr inż. Marek Głogowski

Ćwiczenie 6

Zamiana energii elektrycznej w ciepło

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami grzania rezystancyjnego pośredniego i bezpośredniego, wyznaczenie sprawności urządzenia grzewczego i sprawdzenie prawa Joule-Lentza

Wstęp teoretyczny:

Natężenie prądu elektrycznego

Ruch ładunków elektrycznych pod wpływem różnicy potencjałów nazywamy przepływem prądu elektrycznego. Tradycyjnie przyjmuje się za kierunek przepływu prądu kierunek od potencjału dodatniego (wyższego) do ujemnego (niższego). W metalach nośnikami prądu są ujemnie naładowane elektrony, dlatego rzeczywisty przepływ prądu odbywa się w kierunku przeciwnym do umownie przyjętego. Stosunek ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu tego przepływu nazywamy natężeniem prądu elektrycznego I (zwanym potocznie krótko prądem elektrycznym). Jednostką natężenia prądu elektrycznego jest amper A.

Prawo Ohma

Przedstawia ono prostą proporcjonalność pomiędzy natężeniem prądu (I) płynącego przez przewodnik i napięciem (U) przyłożonym na jego końcach. R jest współczynnikiem proporcjonalności pomiędzy napięciem i natężeniem prądu i zwany jest oporem elektrycznym. Im mniejszy jest opór elektryczny przewodnika, na którego końcach przyłożone jest napięcie U, tym większe jest natężenie prądu przezeń płynącego.

Praca i moc prądu elektrycznego

Praca przeniesienia ładunku między punktami o równicy potencjałów U wyraża się iloczynem napięcia, natężenia i czasu. Natomiast moc to praca wykonana w ciągu jednej sekundy, inaczej iloczyn napięcia i natężenia prądu.

Prawo Joule'a-Lentza

Podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik, przewodnik nagrzewa się. Ilość ciepła (Q), jaka wydziela się w przewodniku równa jest pracy prądu elektrycznego (W). Można spotkać się postacią prawa Joule'a-Lentza, w której ciepło wyrażone jest w kaloriach:

Q = 0.24 × I 2 × R × t [cal]

Ciepło jest rodzajem energii. Jego jednostką jest jednostka pracy [J]. Ilość ciepła (DQ) pobierana lub oddawana przez ciało jednorodne przy niewielkim wzroście temperatur (w przypadku gdy nie zachodzi przemiana fazowa) jest proporcjonalna do masy tego ciała (m) oraz zmiany temperatury (DT). Współczynnik proporcjonalności c zwany jest ciepłem właściwym i jest stałą materiałową. Iloczyn masy i ciepła właściwego zwany jest pojemnością cieplną.

Zasada zachowania ilości ciepła - zasada bilansu cieplnego

Weźmy układ izolowany cieplnie od otoczenia. W takim układzie można wyodrębnić ciała o temperaturze wyższej (oddające ciepło) i ciała o temperaturze niższej (przyjmujące ciepło). W układzie takim całkowite ciepło pobrane przez ciała o temperaturze niższej jest równe całkowitemu ciepłu oddanemu przez ciała o temperaturze wyższej. Jeżeli ciałem oddającym ciepło jest grzałka rezystancyjna, wtedy zgodnie z prawem Joule'a-Lentza i zasadą zachowania ilości ciepła można ułożyć równanie bilansu cieplnego:

I₂ × R × t = m× c ×DT

Schematy:

Schemat układu pomiarowego

Tabela pomiarowe:

Tabela 1.

Wzory:

Prawo Ohma

lub

Prawo Joule-Lentza

Wnioski:

Ćwiczenie zostało wykonane poprawnie. Sprawność układu wyszła całkiem spora (92%).