Pomůcky

Pro měření budeme používat nerezové teplotní čidlo a interface Go!Link, které připojíme k USB portu notebooku. Vodu budeme zahřívat v obyčejné rychlovarné konvici. Pokud konvice není opatřena stupnicí, bude se ještě hodit odměrný válec.

Postup

• Spustíme na notebooku program Logger Lite (součást Go!Link).

• Připojíme teplotní čidlo přes Go!Link k USB portu počítače.

• Nalijeme do rychlovarné konvice 1 litr vody a připojíme konvici do elektrické zásuvky.

• Teplotní čidlo umístíme do konvice tak, aby jeho citlivá část byla zanořena ve vodě.

• V programu Logger Lite je třeba nyní upravit paramatry měření. V horní nabídkové liště klikneme na Experiment a vybereme položku Data Collection. Ve zobrazeném panelu pak změníme délku pokusu (length) ze 180 sekund na 600 sekund (tedy 10 minut; pro obzvláště nevýkonnou konvici můžeme samozřejmě nastavit i více).

• Spustíme sběr dat v programu Logger Lite tlačítkem 

• Zapneme rychlovarnou konvici.

Nyní probíhá měření, při kterém počítač zaznamenává naměřená data. Zároveň se na obrazovce vykresluje graf naměřených hodnot.

• Po několika minutách (záleží na výkonu konvice), tedy po uvaření vody a vypnutí konvice, se pustíme do analýzy dat. Na obrazovce bychom měli mít takovýto graf

• Klikneme na tlačítko
• Kurzorem najedeme na dolní zlom grafu (odpovídá situaci, kdy jsme vodu začali ohřívat) a v okénku si přečteme hodnoty 19 s a 22,2 °C.

• Nyní najedeme kurzorem na horní zlom grafu (situace, kdy se konvice vypnula) a přečteme hodnoty 416 s a 100,6 °C.

• Vypočteme rozdíl výše uvedených čísel - dostáváme tím informaci, že konvice ohřála 1 litr vody o 77,7 °C (100,6 °C - 22,2 °C) za 397 sekund (416 s - 19 s).

• Podělením těchto čísel pak snadno získáme rychlost růstu teploty: 77,7 °C / 397 s ≈ 0,2 °C/s.

Výpočet účinnosti rychlovarné konvice

K ohřátí 1 kg (a tedy v podstatě i 1 litru) vody o 1 °C je třeba energie 4,2 kJ. K ohřátí téhož množství vody o 77,7 °C tedy bylo potřeba energie 77,7x více, tj. přes 326 kJ.

Dodala-li konvice vodě teplo 326 kJ za 397 sekund, pak dodávala každou sekundu 326 kJ / 397 s neboli 0,82 kJ/s, což odpovídá výkonu 820 W.

Jmenovitý výkon (resp. příkon) rychlovarné konvice na ní bývá napsán - nejčastěji zespodu.

Naše konvice má tedy příkon 1000 W, reálný výkon upotřebený k ohřevu vody je však pouze 820 W, účinnost konvice tedy je asi 82 %.

Poznámky

• Pokud neznáme měrnou tepelnou kapacitu vody (či ji chceme alespoň řádově ověřit například v rámci laboratorních prací) a známe známe příkon konvice, můžeme postupovat takto:

Příkon varné konvice je 1000 W (což jsme si přečetli na samotné konvici, viz obrázek výše).

1 litr (a tedy 1 kg) vody jsme ohřáli o 77,7 °C za 397 sekund, o 1 °C jsme ji tedy ohřáli za 5,1 s.

K ohřátí 1 litru vody o 1 stupeň jsme tedy spotřebovali: 5,1 s * 1000 W = 5,1 W/s = 5,1 kJ.

Co z toho plyne?

Především nyní víme, že měrná tepelná kapacita vody je určitě menší nej 5,1 kJ na kg a °C (byla by rovna této hodnotě, pokud by při ohřevu vody nedocházelo k tepelným strátám). Dle tabulek je to zhruba 4,2 kJ na kg a °C.

• Z grafu (z toho, jak je lineární) je dobře vidět, že se měrná tepelná kapacita vody (alespoň v rámci měřeného rozsahu teplot) s teplotou nemění.

• Měření lze samozřejmě provádět i s pomocí jednodušších pomůcek (v podstatě stačí rychlovarná konvice, stopky a teploměr), kdy na začátku změříme teplotu vody v konvici a stopkami následně měříme čas od zapnutí konvice do doby varu. Domnívám se ale, že měření poskytující okamžitě data ve formě grafu je pro většinu studentů pochopitelnější a přitažlivější. S připojením počítače na dataprojektor lze takovéto měření provádět i jako frontální měření v hodině před celou třídou (samotná realizace pokusu v našem případě zabrala zhruba 10 minut, včetně 5 minut čekání po dobu, kdy rychlovarná konvice ohřívala vodu - tento čas je samozřejmě vhodné využít například k detailnějšímu rozboru pokusu, diskuzi se studenty či třeba k odhadu očekávaných výsledků).

Autorem článku je Jakub Jermář.

Podívejte se také na článek Jak funguje rychlovarná konvice.