Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie

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1 Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie ENT Schlüsselworte Energieumwandlung, Elektrische Energie, Wärmekapazität, Wärmeenergie, Innere Energie Kaltes Wasser Prinzip Im Haushalt wird elektrische Energie zum Kochen, Erwärmen von Brauchwasser mit Hilfe von Durchlauferhitzern oder für Elektroheizungen eingesetzt. Viele elektrische Geräte werden beim Betrieb warm, d. h. Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie findet häufig auch unbeabsichtigt statt. Im Versuch wird Wasser in einem Kalorimeter mit Hilfe einer Heizspule erwärmt. Der Zusammenhang zwischen Heizleistung, elektrischer Arbeit (benötigter elektrischer Energie) und Temperaturerhöhung wird untersucht. Material *1 Leitungsbaustein, gerade, DB *4 Leitungsbaustein, winklig, DB *2 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB *1 Ausschalter, DB *1 Deckel für Kalorimeter *1 Heizspule mit Buchsen *1 Geräteträger mit Haftmagneten *1 Wärmeisolierungsplatte, Filz *1 Becherglas, niedrige Form, 250 ml *1 Becherglas, niedrige Form, 400 ml *1 Rührstab *1 Siliconschlauch, innen-d = 6 mm Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Netzgerät universal **1 Cobra4 Wireless Manager **2 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur **2 Halter für Handmessgeräte **1 Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung, 250 mm, gelb Verbindungsleitung, 250 mm, blau Verbindungsleitung, 750 mm, rot Verbindungsleitung, 750 mm, blau PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie Hinweis Während der Messung muss das Wasser immer gleichmäßig umgerührt werden. Dazu wird der Rührstab verwendet (evtl. von einer zweiten Person) oder es wird ein kleiner Magnetrührer eingesetzt. Die Datenrate beträgt 1 Messwert pro Sekunde. Aufbau - An der Tafel mit den Bausteinen einen Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen. Der Schalter ist offen. - Den Gleichspannungsausgang des Netzgerätes über die Cobra4 Sensor-Unit Energy an den Stromkreis anschließen. Darauf achten, dass der positive Pol des Netzgerätes mit der A -Buchse der Sensor Unit verbunden wird. - Kalorimeter nach Abb. 2 zusammenbauen: Ein kleines 250 ml Becherglas mit Hilfe der Filzplatte fest in ein großes 400 ml Becherglas setzen. Zur festen Halterung des Temperaturfühlers Abb. 2: Kalorimeter ein ca. 2 cm langes Stück Schlauch seitlich aufschneiden, eng zusammenrollen und in das größere Loch im Deckel des Kalorimeters stecken. Dadurch bleibt eine schmale Öffnung für den Tauchfühler. - Das Kalorimeter mit 200 ml Wasser füllen. - Deckel mit Heizspule, Tauchfühler und Rührstab auf die Bechergläser setzen. - Geräteträger mit Haftmagneten an die Wand setzen und das Kalorimeter darauf stellen. - Heizungsspule an den Stromkreis anschließen (Abb. 1). - Den Gleichspannungsausgang des Netzgerätes (unterhalb der Tafel) über die Cobra4 Sensor-Unit Energy mit dem Stromkreis verbinden (Abb. 1). Abb. 3: Messwerterfassung 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie ENT - Den Tauchfühler an die Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur anschließen. Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless-Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Jeweils ein Cobra4 Wireless-Links mit einer Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten der Wireless-Links werden die Sensor-Units automatisch erkannt und es wird ihnen eine ID- Nummer zugewiesen, die im Display der beiden Cobra4 Wireless-link sichtbar sind. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless-Manager und den Cobra4 Wireless-Links wird durch die jeweilige LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur einschalten. Die Sensor- Unit und die elektrischen Größen T 1 und T 2 werden als Messkanäle angezeigt. - Experiment laden (Experiment > Experiment öffnen > ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 3). - Netzgerät einschalten. - Die Spannung auf 8,5 V (± 0, 5 V) einstellen. - Den Schalter im Stromkreis schließen. - Während des Heizens das Wasser mit Hilfe des Rührstabs immer gleichmäßig umrühren. - Messwertaufnahme in measure starten. - Die Messung endet automatisch nach ca. 4 min. - Schalter im Stromkreis öffnen. - Messwerte in das measure Hauptprogramm übertragen. Beobachtungen und Ergebnisse Nach dem Einschalten sinkt die anliegende Spannung etwas ab. Die Heizleistung beträgt ca. 30 W. Temperatur und elektrische Arbeit steigen linear mit der Zeit an. Die leichten Schwankungen bei den Messwerten der Temperatur hängen davon ab, wie gut umgerührt wird. Auswertung Mit Hilfe der Cobra4 Sensor-Unit Energy werden nicht nur Spannung U und Stromstärke I der Heizspule sondern auch ihre Leistung P und die elektrische Arbeit W gemessen (benötigte elektrische Energie W zum Erwärmen des Wassers um eine Temperaturdifferenz T). Dadurch lässt sich ohne großen Rechenaufwand der Wirkungsgrad dieser Energieumwandlung, also das Verhältnis von Nutzenergie (Innere Energie Q des warmen Wassers) zu eingesetzter elektrischer Energie W ermitteln. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie In diesem Fall ist die elektrische Energie W = W, da W = 0, wenn t = 0 ist. Die innere Energie (Wärmeenergie) des Wassers ist Q = c. m. T, wobei c = spez. Wärmekapazität, m = Masse des Wassers, T =Temperaturerhöhung Mit der Funktion Kanalumwandlung wird ein neuer Kanal hinzugefügt. f: 4,2*m*(T1 T0), wobei T0 die gemessene Anfangstemperatur ist Bezeichnung / Innere Energie (oder Wärmeenergie) Messgröße Q, Einheit J Zur Darstellung der inneren Energie (Wärmeenergie) über der elektrischen Energie wird die Funktion Messung > Messkanal Manager aufgerufen: Größe W auf die X-Achse, Größe Q auf die Y-Achse. Mit Hilfe der Darstellungsoption werden dann die Messbereiche und die Achsen festgelegt, siehe Abb. 4. Für die Größe Q müssen außerdem 2 Nachkommastellen angegeben werden, um die folgende Geradensteigung mit genügender Genauigkeit angeben zu können. Mit der Funktion Regression lässt sich eine Gerade durch die Messwerte von Abb. 4 legen, diese hat eine Steigung von 0,85. Sie müsste theoretisch durch den Nullpunkt des Koordinatensystems verlaufen, eine Abweichung von ca. 52 J liegt aber innerhalb der Schwankungsbreite der Messwerte. Abb. 4 zeigt, dass 85% der eingesetzten elektrischen Energie zur Erwärmung des Wassers genutzt wird. Das Kalorimeter aus Bechergläsern, Heizspule und Rührstab wird aber ebenfalls erwärmt. Das Kalorimeter hat also auch eine Wärmekapazität, die offensichtlich im Vergleich zur Wärmekapazität von 200 g Wasser nicht vernachlässigbar ist. Abb. 4: Wirkungsgrad der Energieumwandlung Innere Energie des erwärmten Wassers in Abhängigkeit von der eingesetzten elektrischen Energie 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie ENT Hinweis zur Auswertung Normalerweise wird bei der Auswertung angenommen, dass die elektrische Energie ausschließlich zum Erwärmen des Wassers genutzt wird und dann daraus die Wärmekapazität des Wassers berechnet. Wird also W = Q vorausgesetzt, dann folgt aus Abb. 4, dass die daraus errechnete spezifische Wärmekapazität um 15% größer sein wird als der theoretische Wert. c mess = 1,15. 4,2 J/gK = 4,9 J/gK Hinweis zu Abb. 4 Um berechnete Werte deutlich hervorzuheben, lassen sich die Ergebnisse der Funktion Regression durch einen ZOOM größer und übersichtlicher darstellen. Dies geschieht mit Hilfe von Shift+Ctrl und Markieren des Feldes. Anwendung Das Kalorimeter ist das Muster eines Wasserkochers. Eine Heizspule direkt im Wasser ist effektiv, da es keine Verluste bei der Wärmeübertragung gibt. Dicke Gläser als Wandmaterial, die für den Unterricht einen guten Einblick in das Innere des Kalorimeters geben, haben selbst eine große Wärmekapazität. Wasserkocher sind normalerweise aus Metall oder dünnem Kunststoff. Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Cobra4 Sensor-Unit Energy Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl Versuch P Arbeits- und Leistungsmessgerät Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl Digitale Großanzeige P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

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