Nyttevirkning - opvarmning af vand med elkedel

Side 1

STX 1.g

Rapport SAG 1.c

Nyttevirkning April 2008

1

Nyttevirkning

STX 1.g

Formål

Formålet er at bestemme nyttevirkningen af en elkedel, en kogeplade og et tredje apparat.

Derefter at sammenligne nyttevirkningen og finde det apparat, der bedst udnytter energien. Der kan evt. også sammenlignes med nyttevirkningen for andre apparater, vi har valgt en mikrobølgeovn.

Teori

Hvis der er noget, der er i stand til at udføre et arbejde, har den energi. Man måler energi i enheden Joule (J). Der findes mange forskellige former for energi. I denne sammenhæng benyttes termisk energi (varmeenergi) fx på en kogeplade for at opvarme en bestemt mængde vand. Varme er en betegnelse for hvilken temperatur den pågældende ting eller stof har. Normalt betegnes det som varme, når det er over frysepunktet 0 °C.

Den samlede energimængde i et system er konstant. Der kan ikke skabes mere energi og energien kan ikke opbruges, men den kan omdannes til en anden energiform. Energien forsvinder ikke når den unyttes, derfor er der en konstant energimængde i et lukket system, som vi benytter.

Man siger tit at man ”bruger” energi, men derved menes kun en omdannelse af energien.

Omdannelsen sker fra den oprindelige energiform til en anden energiform med lavere værdi

                                     1
(energikvalitet) og afsluttes med varmeenergi.

Den elektriske energi måles også i Joule, men i boligen måles energien i kWh (kilo-Watt-timer) I gamle dage havde man en mindre mulighed for at udnytte energien mest muligt, mens der i dag er udviklet flere moderne apparater, der har en højere nyttevirkning og er derfor mere effektiv.

Elektrisk energi findes i kontakten.

Elkedlen er mere effektiv, da det er et moderne apparat. Varmelegemet er i direkte forbindelse med vandet, og derfor går der ikke meget energi tabt. Kogepladen er længere fra selve vandet, som det opvarmer. Først skal selve pladen opvarmes og derefter kedlen, som giver varmen videre til vandet i kedlen. Varmen skal igennem flere led, derfor er der et større varmetab, og energien bliver ikke udnyttet optimalt. Den elektriske energi føres af metallet i varmelegemet fx en elkedel.

1

Gyldendals små opslagsbøger: Fysik/Kemi

Side 2

Rapport SAG 1.c

Nyttevirkning April 2008

2

El-energien dvs. strømmen, som er elektroner, sætter metal atomerne i elkedlen i bevægelse.

Disse svingninger, der viser sig som varme, overføres til vandmolekylerne, der derved opvarmes.

Når noget opvarmes, bliver der overført energi til de molekyler og atomer, som stoffet er opbygget af. Jo varmere stoffet er, des hurtigere bevæger atomer og molekyler sig. Ved det absolutte nulpunkt (273,15°C eller 0 K) ligger molekylerne helt stille. Den specifikke

varmekapacitet/varmefylde(c) er et udtryk for, hvor meget energi der er brug for til at hæve

temperaturen 1°C for 1 gram af stoffet.

Formlen for at udregne varmefylden er:

⋅ temperaturmasse C°⋅ ørselenergitilf J

c =                = c =
                        kg

Vands varmefylde på væskeform er 4182J/(kg ⋅ °C) mens varmefylden på fast form (is) er

1950J/(kg ⋅ °C).^{1}

Effekt betegner, hvor hurtigt en energiomsætning finder sted. Effekt måles i W derfor gælder:

       Energi      E       J
Effekt =     = P =   = W =
        Tid        t

s

Hvis E isoleres kan man udregne Energien: tPE ⋅=

Nyttevirkningen er et formål for energiomsætningen, hvor stor nytte man drager af det pågældende apparat, dvs. hvor effektivt det er. Nyttevirkning betegnes med et η (eta). [2]

E_{tilført}

E_{nyttig}
ingnyttevirkn =

Varmetilførslen betegnes Q eller E mens C er stoffets varmekapacitet som beregnes c ⋅ m. c er varmefylden og m er massen. Der foregår en temperatur tilvækst (∆T), når der tilføres varme til et stof. Den modtagende energi beregnes med formlen:

TcmE Δ⋅⋅=

Herefter kan nyttevirkningen beregnes:

Δ E_{el} Δ E_{el}

vandvand

E_{vand} Δ⋅⋅ Tcm
= =

η

Nyttevirkningen bliver under 1 da man ikke kan udnytte det 100%. Den tilførte energi vil være højere end den nyttiggjorte.

2

Orbit: http://www.hamacher.dk/Fysik/projekter/nyttevirkning/185.pdf

Side 3

Rapport SAG 1.c

Nyttevirkning April 2008

3

Hypotese

Jeg forventer, at nyttevirkningen for elkedlen er større end kogepladens nyttevirkning. Dvs.

den er mere effektiv, og der går ikke så meget energi tabt som med kogepladen. Elkedlen er et nyere apparat, og derfor udviklet til udnyttelse af energien mest muligt.

Apparatur

• Elkedel

• Kogeplade

• Kedel

• Mikrobølgeovn

• Bæger

• Watt-meter

• Vægt

• Termometer

• Stopur

Forsøgsopstilling

Fremgangsmåde

Forsøget udføres med tre forskellige apparater for at måle nyttevirkningen og sammenligne apparaterne, for derefter at finde den med den højeste nyttevirkning. Der afmåles 1 L vand.

Elkedlen fyldes op med 1 L vand og starttemperaturen måles. Herefter tilkobles wattmeteret til elkedlen og stikkes i kontakten. Wattmeteret måler, hvor meget energi der omsættes i et bestemt apparat. Der tændes for kontakten, og et stopur sættes i gang for at måle den tid det tager at opvarme vandet til kogepunktet (100°C). Undervejs mens vandet bliver opvarmet, nedskrives effekten fra Wattmåleren for at beregne den gennemsnitlige effekt, da den ikke bruger en konstant effekt, men er svingende. Når elkedlen når kogepunktet, slår den automatisk fra, og tiden stoppes.

Med de andre apparater, kogepladen og mikrobølgeovnen, bruges samme fremgangsmåde.

Man skal dog med kogepladen, selv holde øje med, hvornår vandet koger i kedlen. Med mikrobølgeovnen, er det lidt anderledes, her brugte vi en mindre mængde vand, for at opvarmningen gik hurtigere. Derudover valgte vi ikke at opvarme vandet til kogepunktet, da det kunne være svært at afgøre det nøjagtige kogetidspunkt, og derved måle en upræcis tid. Vi afsatte derfor 100 sek., hvorefter vi stoppede opvarmningen og målte temperaturen. Dette kan man gøre, da det er Δ (delta) T (temperaturforskellen) der bruges i beregningen.

Undervejs skrives de målte og beregnede data ned, og nyttevirkningen udregnes for hvert apparat.

Side 4

Rapport SAG 1.c

Nyttevirkning April 2008

4

Resultater og Databehandling

Her er anført de resultater, som vi har målt og beregnet ved forsøgene:

Elkedel:

Massen af vandet (i kg): m = 1 kg

vand

                 o
Starttemperaturen (i C): T = 21,0°C

1

Temperaturtilvækst: ΔT = 100^{o} C - T = 79,0°C

1

Effekten (i W): P = 1890 W

el

Tid (i s): Δt = 229 sek (3 min 49 s)
Tilført elenergi: ΔE = P ⋅Δt = 1890 W ⋅ 229 s = 432810 J

el | el

Nyttevirkning: = = == %7676,0
Δ E_{el} 432810 J

Δ⋅⋅ Tcm 79)/(41821 °⋅°⋅⋅ CCkgJkg vandvand η

Kogeplade:

Massen af vandet (i kg): m = 1 kg

vand

                 o             o
Starttemperaturen (i C): T = 36,0 C

1

Temperaturtilvækst: ΔT = 100^{o} C - T = 64,0^{o} C

1

Effekten (i W): P = 1302,5 W

el

Tid (i s): Δt = 788 sek (13 min 8 s)
Tilført elenergi: ΔE = P ⋅Δt = 1302,5 W ⋅ 788 s = 1026370 J

el | el

Nyttevirkning: = = == %2626,0
Δ E_{el} 1026370 J

Δ⋅⋅ Tcm 64)/(41821 °⋅°⋅⋅ CCkgJkg vandvand η

Mikrobølgeovn:

Massen af vandet (i kg): m = 0,1 kg

vand

                 o
Starttemperaturen (i C): T = 20,3

1

Temperaturtilvækst: ΔT = 87^{o} C - T = 66,7^{o} C

1

Effekten (i W): P = 1157,54

el

Tid (i s): Δt = 100 sek (1 min 40 s)
Tilført elenergi: ΔE = P ⋅Δt = 1157,54 ⋅ 100 s = 115754 J

el | el

Nyttevirkning: = = == %2424,0
Δ E_{el} 115754 J

Δ⋅⋅ Tcm 7,66)/(41821,0 °⋅°⋅⋅ CCkgJkg vandvand η

Side 5

Rapport SAG 1.c

Nyttevirkning April 2008

5

Fejlkilder

Der er flere fejlkilder i dette forsøg. Ved elkedlen er det usikkert om temperaturen når op på præcis 100°C, da elkedlen selv slår fra, derfor kan det være, at tiden og delta temperaturen ikke bliver helt nøjagtig. Ved måling af kogepladens effekt, skal varmen først gives videre til kedlen med vandet, der står på kogepladen, det er derfor mere usikkert, da det ikke direkte er kogepladen, man varmer på. Ved en kogeplade går der også meget varme tabt, der ikke bliver givet videre til kedlen. Da vi fik kogepladen var den lige blevet brugt, og var derfor opvarmet i forvejen. Der kan i dette forsøg også være en mindre fordampning, men da det ikke er i et stort omfang, har det ikke en stor betydning.

Der har under alle forsøgene været en meget varierende effekt, og der har været drastige fald i effekten i perioder, derfor er gennemsnittet måske ikke et helt korrekt udtryk for effekten af hvert apparat. Der har også været nogle problemer med elektriciteten under forsøgene, da en eventuel overbelastning gjorde, at sikringen slog fra. Men vi startede forsøget på ny, og det har derfor ikke haft indflydelse på vores endelige data.

I mikrobølgeovnen brugte vi et mindre glas, det kan derfor være, at der ikke har været tilført en konstant varme til bægeret, da bølgerne i en mikrobølgeovn rammer lokalt, og derfor ikke altid glasset. Skiven i mikrobølgeovnen drejede rundt, men det kan være glasset ikke var stillet lige midt på.

Diskussion

Ud fra beregningen af nyttevirkningen kan man se, at elkedlen har den højeste nyttevirkning

(76%) I forhold til kogepladen (26%) og mikrobølgeovnen (24%). Ud fra disse tre apparater er det mikrobølgeovnen, der har den laveste nyttevirkning, selv om det er et nyere apparat.

Konklusion

Det var et godt forsøg med gode og brugbare resultater, der bekræfter hypotesen, med at elkedlen har en større nyttevirkning end kogepladen. Det er derfor mere hensigtsmæssigt at bruge elkedlen både tidsmæssigt og energimæssigt (watt) til opvarmning af 1L vand.

Jeg havde dog forventet, en lidt større nyttevirkning på mikrobølgeovnen, da det er et nyere apparat, og meget brugt i hjemmet, da den har en større anvendelsesmulighed. Det kan dog være, at med større mængder af fx et måltid mad, at det alligevel kan betale sig at anvende mikrobølgeovnen. Det kan skyldes fejlkilderne, eller at der i virkeligheden går mere energi ”tabt”

(ikke udnyttet) end forventet. Da vi har været omhyggelige med forsøgene, ville jeg mene, at vi kan stole på resultaterne.

Side 6

Rapport SAG 1.c

Nyttevirkning April 2008

6

Her er en artikel fra Nyhedsavisen d. 31. marts. Den fortæller at gaskomfuret er mere effektivt end mikrobølgeovnen og udleder mindre CO

2

, men hvis det er et normalt komfur er det mikrobølgeovnen der bedst kan betale sig.