Лабораторная работа № 1. Тепловой эквивалент электрической энергии

 

Цель работы: экспериментально определить тепловой эквивалент электрической энергии.

 

Задание

 

1. Определить электрическую энергию, подводимую к нагревателю.

2. Определить количество тепла, полученного от нагревателя водой.

3. Вычислить значение теплового эквивалента электрической энергии.

4. Сделать выводы по работе.

 

Теоретическая часть

 

Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения энергии применительно к тепловым явлениям, протекающим в термодинамических системах.

Закон формулируется следующим образом: подведенная к изолированной системе теплота расходуется на изменение внутренней энергии и совершение внешней работы, или без подвода теплоты внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы.

Закон сохранения и превращения энергии гласит, что в изолированной системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной. Из него следует, что уменьшение какого-либо вида энергии в одной системе, состоящей из одного или нескольких тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел.

Способность превращения механической энергии или работы в тепловую известна из жизненного опыта с древних времен. Практичес-кое же доказательство возможности превращения теплоты в работу было дано на первых паровых машинах, работающих за счет теплоты, получаемой при сгорании топлива в топке парового котла.

Количество теплоты, как всякого другого вида энергии, измеряемо; его технической единицей служит джоуль – количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1 °С. Технической единицей работы также является джоуль.

Согласно закону сохранения энергии, теплота и работа эквивалентны и могут переходить одна в другую. Так как количество теплоты Q и работа L измеряются в одних и тех же единицах, то

                                                                                              (1.1)

где Q – количество тепла, превращенное в работу, Дж;

L – работа, полученная за счет теплоты, Дж.

Или

                                       (1.2)

Постоянный коэффициент A = Q / L носит название теплового эквивалента работы. Тепловой эквивалент работы – величина размер-ная и зависит от системы единиц, выбранной для теплоты и работы.

Промышленной единицей электрической энергии является киловатт-час. Киловатт – промышленная единица электрической мощности. Согласно этому количество тепла, эквивалентное одному киловатт-часу электрической энергии носит название теплового эквивалента электрической энергии.

                                                  .                          (1.3)

Опытами установлено, что 1 кВт·ч = 3,6·10⁶ Дж, т.е. = 3,6·10⁶ Дж/кВт·ч; 1 эрг = 10^-7 Дж; 1 термохим. кал (кал_ТХ) = 4,18400 Дж.

В установленном соотношении теплоты и работы говорится не только об их эквивалентности, т.е. о количественном постоянстве энергии, но и об изменении качества самой энергии.

 

Экспериментальная часть

Экспериментальная установка (рисунок 1) представляет собой термостат 1, заполненный водой, которая перемешивается с помощью мешалки 6. Внутрь термостата помещен электронагреватель 2, мощность которого регулируется переключателем 3.

При включении нагревателя в сеть тепло от него передается воде, залитой в термостат. Температура воды определяется по показаниям термометра 4, а уровень – с помощью водомерного стекла 5.

Количество электрической энергии  в кВт·ч, подводимая к нагревателю, измеряется по показаниям электросчетчика 7 за опреде-ленный промежуток времени, отмеряемый секундомером.

Следует отметить, что не вся теплота от нагревателя отдается воде, часть ее идет на нагревание стенок калориметра, мешалки и нагрев воздуха, окружающего калориметр.

 

1 – термостат; 2 – электронагреватель; 3 – переключатель;

4 – термометр; 5 – водомерное стекло; 6 – электродвигатель (мешалка);

7 – электросчетчик

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки

Для практических расчетов на данной установке можно принять, что 90 % теплоты, выделенной электрическим нагревателем, идет на нагревание воды. Т. е. количество электрической энергии, воспринятое водой, будет

                                         .                                          (1.4)

Теплоту, полученную водой, можно определить, зная количество воды в калориметре , кг, удельную теплоемкость воды , Дж/(кг × К) и средние температуры воды в калориметре в начале и в конце процесса нагревания   и  ( кг,   Дж/ (кг ×К)).