Fysik Laboration 1 Specifik värmekapacitet och glödlampas verkningsgrad Laborationens syfte: Visa hur man kan med enkla experimentella anordningar studera fysikaliska effekter och bestämma i) specifik värmekapacitet för en vätska ii) förhållande mellan värme och synlig ljusenergi som en glödlampa avger Vidare skall laborationen hjälpa dig att Förstå innebörden av värmekapacitet Förstå samband mellan olika energiformer Utnyttja dina kunskaper i ellära Utförande: laborationen skall utföras i två grupper. Den ena gruppen utför uppgift 1, den andra uppgift 2. Gruppuppdelning görs vid laborationstillfället. Före laborationen: Läs igenom denna handledning, fundera över frågorna och ge förslag till svar. Namn Utfört Godkänd av 1(9)
Bakgrund Bestämning av en vätskas specifika värmekapacitet Från din erfarenhet vet du att man behöver tillföra energi (dvs. tillföra värme) för att höja temperaturen hos ett föremål. Hur mycket energi som behövs tillföras för att få en viss temperaturhöjning beror på vilket ämne föremålet består av. En enkel indelning av ämnen är fasta, flytande (vätskor) och gaser. Det gemensamma för alla ämnen är att de är uppbyggda av atomer. I fasta ämnen och vätskor är krafterna som håller ihop atomerna (eller molekylerna) relativt starka. I gaser däremot, är krafterna mellan atomerna eller molekylerna mycket svagare, vilket är orsaken till, bland annat, att gaser sprids lätt i rummet. Specifika värmekapaciteten är ett mått på ett ämnes förmåga att lagra tillförd energi. Den tillförda energin omsätts i atom- eller molekylrörelse hos ett ämne. Det vi kallar temperatur är ett mått på atomernas eller molekylernas rörelse (kinetisk energi). Ett ämnes värmekapacitet beror alltså på ämnets mikroskopiska uppbyggnad. Gaser har låg värmekapacitet jämfört med vätskor och fasta ämnen. Specifika värmekapaciteten är alltså en av de grundläggande fysikaliska konstanterna för ett ämne. Specifika värmekapaciteten, c, har enhet J/kg K (Joule per kilogram och Kelvin). Joule är enheten för energi, dvs. specifik värmekapacitet säger oss hur mycket energi måste tillföras ett kilogram ämne för att höja dess temperatur en grad Kelvin. Sambandet mellan tillförd energi, Q, och temperaturökning, ΔT, för ett ämne kan uttryckas som: Q c m ΔT (1) där c är ämnets specifika värmekapacitet och m dess massa. Vatten har en förhållandevis hög specifik värmekapacitet. För en viss tillförd energimängd blir temperaturhöjningen relativt måttlig en stor del av den tillförda energin lagras alltså utan att det syns som en temperaturhöjning. Att vatten kan lagra mycket energi är både på gott och ont (ur vårt perspektiv). Stora vattenmassor, sjöar, hav, påverkar klimatet. Vatten kan med fördel användas t.ex. som värmelager eller för att effektivt transportera värme till radiatorerna i hus med vattenburen uppvärmning. Men det kostar också att värma upp vatten. Specifika värmekapaciteten för glykol och matolja är betydligt lägre, vilket man märker genom att det går mer än dubbelt så fort att värma matolja än samma mängd vatten. Fundera över varför vatten har så hög specifik värmekapacitet. Hur ser vattenmolekylen ut? Leta i någon kemibok eller på nätet. Är det något speciellt egenskap hos vattenmolekylen som kan göra att vatten kan lagra mycket energi? Hur fungerar värmeväxlare i t.ex. en värmepump? Fundera över hur du skulle kunna beräkna hur mycket i kronor räknat ett varmt bad kostar. Uppskatta mängden vatten du gör av med när du duschar och när du badar i badkar. Vilket är dyrare? Anta att vatten värms upp med direkt värme, dvs. elektriskt, försumma förluster för uppvärmning av vattenberedare, rör, etc. i första approximationen. Ta reda på hur mycket ett kwh kostar (titta på din elräkning, glöm inte fasta avgifter, det blir minst en krona för kwh). Användes olja för uppvärmningen av vatten, blir uppgiften mer komplicerad. Man måste ta reda på hur mycket av den energi som frigörs vid förbränningen av olja försvinner som förluster t.ex. rakt ut genom skorstenen (verkningsgraden). Förslag till beräkningen:.. Bestämning av gödlampans verkningsgrad Det var på 187-talet man uppfann elektrisk belysning med hjälp av en glödande tråd i ett evakuerat glasrör en så kallad glödlampa. Och detta är fortfarande det mest använda sättet att skapa belysning. Modern belysning skapas mestadels med olika typer av elektriska källor. Ungefär en 2(9)
fjärdedel av vår förbrukning av elektrisk energi går till belysning. Hälften av denna förbrukning av elenergi sker i olika typer av glödlampor. De första glödlamporna på 187-talet hade en glödtråd av kol. En stor förbättring kom när koltråden ersattes med en metalltråd. Den mest använda metallen i detta sammanhang är wolfram (W), på grund av dess mycket höga smältpunkt (368 K) och mycket lågt ångtryck vid höga temperatur. Trots att wolfram har mycket lågt ångtryck, är det ångtrycket som sätter gränsen till ca 3 K som maximal arbetstemperatur för glödtråden. Men det är extremt svårt att hålla glödtrådens temperatur konstant, så för att inte riskera alltför kort livslängd, är glödtrådens temperatur i konventionella lampor under 29 K. Av din erfarenhet vet du att en bit järn börjar glöda när den hettas upp. Detta inträffar vid ca 85 K. Denna temperatur kan jämföras med temperaturen av vår dagliga ljuskälla, solen, vars genomsnittliga yttemperatur är 66 K. Denna temperatur definierar solljusets färgsammansättning och i evolutionslärans anda kan man misstänka att våra ögons maximala känslighet bör vara anpassad till just denna färgsammansättning. Mer om detta kommer i en senare del av kursen. Ljuset från en glödlampa har alltså inte helt samma färgsammansättning som solljuset. Fundera över på vilket sätt ljuset från en glödlampa skiljer sig från solljuset:... Av din erfarenhet vet du också att en glödlampa blir väldigt varm efter en stunds användning. Glödtråden sitter i en glaskolv. För att skydda metallen i glödtråden från bl.a. oxidation är glaskolven evakuerad och fylld med tunn argongas. Fundera över hur det kan komma sig att glödlampans glas blir så väldigt varmt när glödlampan är evakuerad och avståndet från glödtråden till glaset är mycket stort i jämförelse med glödtrådens storlek... Laborationsuppgifter Grupp 1 Uppgift 1: bestämning av specifik värmekapacitet, c, för vatten och glykol eller olja Utrustning: termos med inbyggd uppvärmningsanordning, termometer, likspänningskälla, 2st. multimetrar (DMM), tidtagarur, sladdar. Vätskan skall värmas upp i en enkel kalorimeter som består av två isolerade kärl och en uppvärmningsanordning med två värmespiraler. Varje spiral har resistans R 6 Ω. Antag att spänningskällan kan ge en maximal ström på 1,5 A. Spiralerna kan kopplas på tre olika sätt: 1) endast en spiral inkopplad, 2) båda spiralerna inkopplade i serie, 3) båda spiralerna inkopplade parallellt. Beräkna effekt som utvecklas i spiralerna och spänning över spiralerna i de tre fallen. Vilken uppkoppling väljer du? 1) P.., U. 2) P....,U.... 3) P....,U. 3(9)
Utförande: Mät noggrant upp en lämplig mängd av vätska (vatten, glykol eller olja). Detta kan man göra på två sätt: man mäter volymen V med en mätcylinder och bestämmer vätskans massa m med hjälp av formeln m ρ V. kg (ρ vätskans densitet), eller man väger bägaren med vatten. Vägningen är en noggrannare och smidigare metod. Koppla in värmespiraler, amperemeter och voltmeter till likspänningskällan enligt kopplingsschemat bredvid. Spänningskälla Avläs vätskans rumstemperatur (dvs. vid t ). Sätt på spänningskällan, ställ in strömmen 1,5 A. Rör försiktigt om vätskan i bägaren med hjälp av omröraren (dra upp och ner), avläs så noggrant som möjligt temperatur T, spänning U och ström I varannan minut och fyll i Tabell 1: Tabell 1: Tid, temperatur, spänning, ström och effekt A Spiral (R) V t(min) T( C) U(V) I(A) P(W) För in resultatet i diagrammet T ( C) t (min) 4(9)
Är sambandet mellan T och t en rät linje i hela intervallet? Kommentera eventuella avvikelser!.... Bestäm riktningskoefficienten, k, i ett så stort intervall som möjligt " T k " t T t 2 2! T! t 1 1 K/s (OBS! Använd SI-enheter!) Enligt teorin är den specifika värmekapaciteten: c Q m! T (se Bakgrund ). Den tillförda värmen, energi, som kommer från värmespiralerna är: Q Wel P "! t. Eftersom P varierar förhållandevis lite (se din tabell med mätdata), kan man använda medelvärdet av effekten i ditt valda intervall för beräkningen av Q! Det innebär att den specifika värmekapaciteten kan skrivas på följande vis: c P medel! " t m! " T P m! " T medel " t P medel m! k! J/kg K Jämför ditt resultat med värdet hämtat från dina fysiktabeller: c J/kg K Fundera över en eventuell skillnad! Orsaker?... Grupp 2 Uppgift 2: bestämning av vatnets specifika värmekapacitet samt förhållande mellan ljusenergi och värmeenergi som en glödlampa avger Utrustning: ett plastkärl med en hållare för glödlampa, motstånd och elektriska kontakter (se bilden), termometer, spänningsaggregat (växelspänning) 6 V och 5 A, 2 st. universalinstrument (DMM), tidtagarur, sladdar, avjoniserat vatten Utförande: Denna uppgift består av två delar: a och b. a) Bestämning av vattnets specifika värmekapacitet c: Fyll plastkärlet med vatten men endast upp till lampans kant (se bilden nedan). Bestäm vattnets massa. Avläs vattnets rumstemperatur (dvs. vid t ). Koppla in motståndet, amperemeter och voltmeter till spänningsaggregatet (6V och 5A) enligt kopplingsschemat. Sätt Spänningsaggr. på spänningsaggregat och starta samtidigt tidtagarur. Rör försiktigt om vattnet i bägaren, avläs så noggrant som möjligt temperatur T, spänning U och ström I med jämna mellanrum och fyll i Tabell 1. A Motstånd/ Glödlampa V 5(9)
Tabell 1: Tid, temperatur, spänning, ström och effekt t(min) T( C) U(V) I(A) P(W) 6(9)
För in resultatet i diagrammet T ( C) t (min) Är sambandet mellan T och t en rät linje i hela intervallet? Bestäm riktningskoefficienten, k, i ett så stort intervall som möjligt " T k " t T t 2 2! T! t 1 1 K/s (OBS! Använd SI-enheter!) Enligt teorin är den specifika värmekapaciteten: c Q m! T (se Bakgrund ). Den tillförda värmen, energi, som kommer från motståndet är: Q Wel P "! t. Eftersom P varierar förhållandevis lite (se din tabell med mätdata), kan man använda medelvärdet av effekten i ditt valda intervall för beräkningen av Q! Det innebär att den specifika värmekapaciteten kan skrivas på följande vis: Pmedel! " t Pmedel Pmedel c J/kg K m! " T m! " T " t m! k! Jämför ditt resultat med värdet hämtat från dina fysiktabeller: c J/kg K Fundera över vad en eventuell skillnad kan bero på. 7(9)
b) Bestämning av glödlampas verkningsgrad Fyll plastkärlet med vatten upp till glödlampans metallkant. Bestäm vattnets massa. Avläs vattnets rumstemperatur (dvs. vid t ). Låt glödlampan värma vatten i 3 minuter. Mät tiden noggrant! (Obs! Spänning och ström skall helst vara konstanta under uppvärmningen för att få konstant effekt som lampan matas med. Men det är bra att ha koll på hur mycket spänning och ström varierar under uppvärmningen. Avläs därför och anteckna spänning och ström med jämna mellanrum. Om spänning och ström varierar under uppvärmningen, måste ett medelvärde av spänning och ström beräknas för att kunna beräkna medeleffekt som tillförts glödlampan.) t(min.) U(V) I(A) P(W) Stäng av aggregatet och blanda väl vatten i kärlet och mät upp vattnets maximala temperatur. Beräkna elektrisk effekt och elektrisk energi som tillförts glödlampan (glöm inte enheter): P.., W Bestäm temperaturskillnad ΔT för vatten: ΔT T (t3min.) T (t)... Beräkna energin (enligt ekvation 1) som tillfördes vattnet från glödlampan. Använd c-värdet som du har mätt upp i deluppgift a): Q Ljus är den nyttiga energin eftersom glödlampan är främst avsedd för att producera ljus. Utgående från resultaten ovan beräkna glödlampans verkningsgrad: Verkningsgrad:. Enligt litteraturen brukar verkningsgraden för denna typ av lampor ligga på 5-1%. Om ditt värde avviker markant från litteraturvärdet, innebär det troligen att mätförfarandet här inte är så bra. Kan du komma på något som man förbisett i mätningarna?.... 8(9)
Eftertanke En sak som man inte alls tagit hänsyn till är att en del av den tillförda värmen kommer att gå åt till att höja bägarens temperatur. Det betyder alltså att vi har överskattat värdet på den specifika värmekapaciteten för vatten från våra mätdata. Genom att uppskatta hur mycket värme som går åt att värma bägaren kan vi få ett bättre värde på c. Bägaren består av plast (! PS 1,5 kg/dm 3, c PS 1,3 1 3 J/kg K). Utifrån bägarens höjd, diameter och plastens tjocklek kan man uppskatta plastens volym till ca 5 1 2 dm 3 (kontrollera gärna!). Plastbägarens totala värmekapacitet kan man uttrycka på följande vis: C m! c "! V! c 1,5 V 1,3 1 3 J/K.. bägare bägare PS PS PS Tabell 2. Densitet för destillerat vatten. Appendix T ( C) ρ (kg/dm 3 ) T ( C) ρ (kg/dm 3 ) T ( C) ρ (kg/dm 3 ),99999 3,9957 65,986 3,98 1, 35,9941 7,9778 5,99999 38,993 75,9749 1,9997 4,9922 8,9718 15,9991 45,992 85,9686 18,9986 5,9881 9,9653 2,9982 55,9857 95,9619 25,9971 6,9832 1,9584 9(9)