lu.se

Nationellt resurscentrum för fysik

Institutionen för Fysik, Lunds universitet

Denna sida på svenska This page in English

Värmelära med en doppvärmare

En doppvärmare med effekten 300 W värmer 600 g (kallt) vatten. Temperaturen följs genom avläsning 1 gång/min under ca 20 minuter.

Detta är en laboration, avsedd för högstadiet, som trots sin enkelhet ger ett bra utbyte både laborationstekniskt och vad gäller en kvalitativ förståelse av värmelära. Den ger dessutom möjlighet till några enkla beräkningar.

 

Kunskaps och fördighetsmål

  • Att ställa upp och testa en hypotes.
  • Mätteknisk övning där noggrannheten vid arbetet ger ett tydligt utslag.
  • Övning i att rita och tolka diagram.
  • Visar omvandling mellan elektrisk effekt/energi och värmeenergi.
  • Visar enkla tillämpningar på beräkningar med elektrisk effekt och värmekapacitet.
  • Tillfälle till diskussioner kring olika begrepp inom värmeläran, speciellt värmekapacitet, kokpunkt och ångbildningsvärme.

Tidsåtgång minst 60 min, men gärna betydligt längre tid så att inget av momenten behöver stressas igenom utan varje moment kan få den tid det behöver.

Utförande

I en bägare hälls 600 g vatten (mängden vald så att vattennivån i en 1000 ml-bägare kommer att stå mellan doppvärmarens min- och max-markeringar). Låt eleverna föreslå hur man lättast mäter upp denna mängd. Med en graderad bägare räcker den noggrannhet man får genom att använda graderingen på bägaren. Både doppvärmaren och termometern kan stå löst i bägaren och termometern verkar inte ta skada även om den står i kontakt med doppvärmaren. Gör inga försök att värmeisolera.

Hypoteser

Hypoteserna: Låt eleverna fundera och diskutera kring följande frågor:

  1. Kommer vattnet att börja bli varmt direkt eller dröjer det en stund innan man ser att temperaturen ökar (och i så fall varför)?
  2. Hur kommer temperaturökningen att se ut; först långsam sedan allt snabbare eller först snabbt sadan allt långsammare eller på något annat sätt?
  3. Hur varmt kommer vattnet att vara om 25 minuter? hur varmt skulle det kunna bli om vi fortsätter värma ytterligare en timme?

Första avläsningen blir att mäta vattnets temperatur just innan uppvärmningen startar, värdet antecknas. Låt eleverna göra en tabell att föra in värdena i. Många vill rita ett diagram direkt men om de skulle missa något i mätningarna eller vid diagramritningen är det bra att ha tabellen att falla tillbaka på

Om det finns möjlighet att centralt bryta strömmen till laborationsplatserna kan man utnyttja detta så att man låter alla grupper starta mätningarna samtidigt. Alla grupper skall ju då göra sina avläsningar samtidigt vilket minskar risken att grupperna stör varandra just när de skall göra en avläsning.

För att få bra mätresultat är det viktigt att avläsningarna sker på samma sätt vid alla mätpunkterna. Rör om i vattnet 5 - 10 sek före avläsning så att vattnet får likformig temperatur. Avläsningen av temperaturen skall göras så exakt i tid som möjligt och termometern bör vid avläsningen hållas uppe i vattnet och inte stå mot den något kallare botten på bägaren. Mätvärdena är mycket avslöjande på den här punkten.

Om laborationen görs under ett långt lektionspass och man har plats i salen kan man låta bägarna stå (med strömmen bruten) för en senare avläsning av temperaturen och fortsatt diskussion om värmeförluster. Ett lock på ett par av bägarna kan ge resultat som kan ge upphov till ytterligare kommentarer.

Diagrammet ritas helst på mm-rutat papper men vanligt 5x5 mm-rutat går också bra. Lämplig skala på y-axeln är 10º på 10 mm och på x-axeln 1 min på 5mm. Mätpunkterna bör ritas som + (plustecken) och inte som x (kryss). Eleverna bör inte dra en linje från mätpunkt till mätpunkt utan vänta till efter en diskussion om felkällorna och därefter dra en utjämnad kurva

Genomgång efter avslutade mätningar

Börja med att jämföra elevernas resultat med de hypoteser som framställdes i början av lektionen.

I doppvärmaren omvandlas elektrisk energi till värmeenergi. Effektenheten 1W är väl känd som ett mått på hur starkt en glödlampa lyser. Här gör man jämförelsen att från en lampa med högre effekt får man mer ljus (och värme) än från en lampa med lägre effekt. Effekten 300W på doppvärmaren betyder att varje sekund omvandlas 300 J elektrisk energi till 300 J värmeenergi (1W = 1J/s), denna energi kommer att värma vattnet.

 

 diagrammet finns fyra olika delar att kommentera.

  1. Oftast stiger inte temperaturen lika mycket under den första minuten som under de följande. Om inte detta är förutsett redan när eleverna framställde sina hypoteser kommer de här snabbt på att värmeenergin i början delvis går åt för att värma doppvärmaren.
  2. Från minut 1 och en stund framåt får man en jämn temperaturökning. Gör följande beräkningar tillsammans med eleverna:
    300W = 300J/s = 300·60J/min = 18 000J/min
    1g vatten som skall värmas 1º behöver 4,18J
    600g vatten som skall värmas 1º behöver 600·4,18J = 2508J
    Varje grads uppvärmning kräver alltså ca 2500J, doppvärmaren ger 18 000J varje minut, denna energi räcker då till en uppvärmning på 18000/2508 = 7,177 ...º/min
    Vi skulle alltså kunna vänta oss en temperaturökning på ca 7,2º/min, 10 minuters uppvärmning skulle då ge en temperatur som höjts 72º.
    Tag temperaturavläsningen vid minut 1, addera 72º och pricka in värdet vid minut 11 (=10 min senare), drag en linje genom de här två punkterna. Linjen börjar vid minut 1 men bör fortsätta en bit förbi minut 11!
    Överensstämmelsen med de observerade värdena brukar vara mycket god under åtminstone 5-6 minuter. Vattnet värms alltså upp precis så mycket man skulle kunna vänta sig med tanke på den energi som doppvärmaren ger.
  3. Så småningom delar kurvorna sig. Varför ökar inte temperaturen lika mycket trots att doppvärmaren hela tiden lämnar lika mycket energi till vattnet? Vart tar energin vägen om den inte används till att värma vattnet? Med allt varmare vatten i bägaren ökar värmeledningen genom glaset, framför allt till luften men också till bordet (värmetransporten är proportionell mot temperaturskillnaden bägare-luft). Värmestrålningen från bägaren ökar (E = s·T4 ). Vid 90ºC är värmestrålningen 2,5 ggr större än vid 20ºC. Det största bidraget till värmeförlusten är dock avdunstningen från vattenytan, denna avdunstning ökar dramatiskt med ökad temperatur. Om man gör mätningar efter en stunds avsvalning bör man av detta skäl se en märkbar skillnad på bägarna med och utan lock.
  4. Temperaturökningen upphör vid 100ºC. Doppvärmaren ger fortfarande 18 000J/min men all energi går nu åt till förångningen av vattnet. Ångbildningsvärmet 2269 J/g medför att 8g/min förångas. Diskutera följden när det gäller matlagning (koka potatis, ägg etc) om vattnets ångbildningsvärme hade varit mycket lägre.

Ytterligare diskussioner

Med hjälp av tabellen nedan kan man fördjupa diskussionerna kring resultatet av laborationen (och dessutom träna eleverna i att hämta uppgifter ur tabeller).

Hur skulle resultatet av mätningarna sett ut om vi i stället för vatten haft t ex etanol?

  • Hade uppvärmningen varit snabbare eller långsammare?
  • Vid vilken temperatur hade kurvan planat ut?
  • Dröjer det lika länge innan etanol kokar bort?

Tabell. Data om vätskor

Vad skall eleverna klara ?

G-nivån:

Experimentet: Alla elever skall klara att utföra mätningarna. Enstaka mätvärden kan bli felavlästa, spridningen av mätvärdena kan bli något större för elever som inte varit tillräckligt noggranna med omrörningen och med att hålla tiden för avläsningen.

Diagrammet: Eleverna kan föra in mätvärdena men behöver hjälp med valet av gradering av axlarna.

Teori: Det eleverna skall förstå är ungefär följande resonemang. När doppvärmaren är inkopplad blir den varm av den elektriska strömmen. Elektrisk energi omvandlas till värmeenergi. Eftersom doppvärmaren är varmare än vattnet värms vattnet upp. För varje minut som går blir vattnet varmare eftersom det hela tiden får värme från doppvärmaren. När vattnets temperatur nått kokpunkten blir det inte varmare eftersom all energi går åt för att göra ånga av vattnet. Det behövs mycket energi för att förånga vatten därför tar det lång tid innan allt vatten kokat bort.

VG-MVG nivån

Experimentet : Skall göra mätserien med endast små fluktuationer i mätvärdena.

Diagrammet: Väljer själv lämpliga skalor och ritar ett korrekt diagram.

Teori: Deltar aktivt vid diskussionerna om tolkningen av detaljerna i diagrammet. Med hjälp av en tabell över några vanliga vätskors egenskaper bör en MVG-elev kunna dra slutsatser om vad man kan vänta sig om man i stället för vatten använt en annan vätska.