Zobrazit na úvodní stránce článků

Na začátek článku
Titulka > Modul články > > Měření účinnosti žárovky

Ikona prakticky

Měření účinnosti žárovky

Ikona inspirace
Autor: Jaroslav Koreš
Anotace: Článek popisuje další možnost využití USB teploměru Go!Temp, tentokrát při měření účinnosti žárovky.
Podpora výuky jazyka:
Klíčové kompetence:
  1. Gymnázium » Kompetence k řešení problémů » uplatňuje při řešení problémů vhodné metody a dříve získané vědomosti a dovednosti, kromě analytického a kritického myšlení využívá i myšlení tvořivé s použitím představivosti a intuice
Očekávaný výstup:
  1. gymnaziální vzdělávání » Člověk a příroda » Fyzika » Fyzikální veličiny a jejich měření » měří vybrané fyzikální veličiny vhodnými metodami, zpracuje a vyhodnotí výsledky měření
Mezioborové přesahy a vazby: Nejsou přiřazeny žádné mezioborové přesahy.
Průřezová témata:
  1. Gymnaziální vzdělávání » Environmentální výchova » Člověk a životní prostředí
Organizace řízení učební činnosti: Frontální
Organizace prostorová: Školní třída, Specializovaná učebna
Nutné pomůcky: Počítač, USB teploměr
Klíčová slova: výkon, fyzika, teplo, kalorimetrická rovnice, účinnost, teploměr

V rámci soutěže teploměrů, vyhlášené dodavatelem laboratorního vybavení Vernier jsem hledal další možnost, využití teploměru ve fyzikálním měření a napadlo mě změřit účinnost klasické žárovky.
Hodnota účinnosti žárovky je 10 %, je možné tuto hodnotu nějak změřit?
Předem musím upozornit na to, že při měření jsem pracoval se sítovým napětím 230 V, proto pokus nelze realizovat s žáky ani jako demonstrační pokus. Spíše mě zajímalo, jestli změřené hodnoty budou odpovídat předpokladům.
Vzhledem k tomu, že ztráty představuje hlavně teplo, stačí zjistit teplo, odevzdané žárovkou okolí. K tomu nám bude stačit kalorimetrická rovnice. Problémem však je to, že tradiční využití vody z bezpečnostních důvodů nepřipadá v úvahu. Jedním z důvodů je nutnost míchat vodu a z toho vyplývající riziko dotyku při možném prasknutí žárovky. Dalším nebezpečím je riziko propojení USB teploměru s vodou při prasknutí žárovky a z toho vyplývající zničení jak teploměru, tak i celého počítače.
Proto jsem místo vody použil jedlý olej (pro zajímavost - olej je využíván k amatérskému chlazení přetaktovaných počítačů). Jedlý olej jsem zvolil proto, že oproti např. motorovému je průsvitný a tak nebude pohlcovat světlo - aby se jeho teplota zvyšovala jen odpadním teplem žárovky a ne konverzí světelné energie na teplo. Dále jsem místo klasického kalorimetru (Dewarovy nádoby) použil obyčejné laboratorní sklo - i když se zvýšily ztráty tepla do okolí, sklo izoluje a tak jsem snížil nebezpečí úrazu el. proudem.
Před experimentem jsem (ze zvědavosti) vyzkoušel, zda žárovka vydrží ve vodě. Protože rozdíl teplot mezi vnitřkem žárovky a vodou je velký, byl jsem zvědavý, zdali praskne. Žárovku jsem skoro celou ponořil do vody a ani po 10 s nepraskla.
Pak jsem odlil do laboratorní odměrky slunečnicový olej. Volil jsem takové množství, aby byla co největší část žárovky právě ponořená. Čím menší je hmotnost, tím lépe se olej rovnoměrně prohřeje. Pak už stačilo jen zapnout sběr dat a jistič k zásuvce. Při měření jsem se snažil olej teploměrem promíchávat, aby se teplo ze žárovky rovnoměrně rozvedlo celým množstvím oleje. Protože na žárovku působila velká vztlaková síla, musel jsem ji druhou rukou opatrně co nejvíce ponořovat do oleje. Než jsem všechny činnosti zkoordinoval, trvalo mi to nějaký čas (jak je vidět z grafu, od zapnutí sběru dat do pravidelného růstu teploty uběhlo cca 180 s). Pak už jsem měl průběh experimentu pod kontrolou.

Graf získaný při měření teploty
1. Graf získaný při měření teploty

Výhodou využití USB teploměru Go!Temp je právě grafický záznam průběhu měření a ukládání měřených dat.
Z grafu lze jak snadno odečíst měřené hodnoty, ale hlavně vybrat oblast dat, nejvhodnější pro výpočet účinnosti. Nebudu tedy uvažovat výše popsaných 180 s, stejně tak nevyužiji data změřená po uběhlých 200 s. V grafu je totiž vidět, že od cca 200 s není nárůst teploty tak výrazný, z čehož vyplývá, že ztráty do okolí byly větší. To je samozřejmé - čím vyšší teplota okolí, tím rychleji bude probíhat tepelná výměna. Tuto možnost bych s klasickým teploměrem neměl (leda, že bych hodnoty přepsal do tabulkového kalkulátoru a sestrojil graf). Ovšem ani tak by se mi nepodařilo odečítat s vzorkovací frekvencí 1 Hz (zapsat jedno měření za sekundu).
Šedou barvou je vyznačena oblast, kterou jsem využil k výpočtu účinnosti žárovky. Postup je stejný jako v článku Účinnost rychlovarné konvice: Z grafu odečteme počáteční teplotu t1 a konečnou teplotu t2 soustavy. Z definice měrné tepelné kapacity vody c vypočítáme teplo Q, dodané oleje k ohřátí na teplotu t2. Ze známého příkonu žárovky P a doby měření t určíme účinnost žárovky η. V tabulce jsou uvedeny hodnoty získané při měření 75 W žárovky.

m (kg)

c (J/kg°C)

t1 (°C)

t2 (°C)

t (s)

P (W)

η (-)

0,16

2100,00

24,40

31,70

43,00

57,04

0,76



Vyhodnocení:
Měření je zatíženo chybami, některé z nich by bylo možné při dalším měření minimalizovat. Zejména jde o ztráty tepla do okolí - protože nebyl použit kalorimetr, ale otevřená tenkostěnná skleněná nádoba, měly tyto ztráty výrazný vliv na výsledek. Vliv ztrát jsem kompenzoval výběrem oblasti s nejvyšším nárůstem teploty.
Další chybou je samotná tepelná kapacita teploměru, nádoby, žárovky a objímky - všechna tato tělesa se při měření zahřála. Měření by tak šlo zpřesnit zjištěním tepelné kapacity žárovky, nádoby a objímky. Stejně tak by bylo vhodné zjistit přesně měrnou tepelnou kapacitu použitého oleje - v různých zdrojích se hodnoty liší.
Přesto se domnívám, že výsledek zhruba odpovídá předpokladům a že, i když ne přesně, tak přesto demonstruje velmi malou účinnost klasické žárovky.
Z grafu je vidět, že po zhruba 450 s jsem vypnul jistič a tak se olej začal ochlazovat. Pokud bychom chtěli výsledek co nejvíce zpřesnit, mohli bychom z tohoto průběhu odečíst teplo, odevzdávané okolí. Pokud bychom (pro zjednodušení) předpokládali, že ztrátové teplo bude pro celý experiment stejné, mohli bychom kalorimetrickou rovnici doplnit o ztráty. V tomto případě je “výkon ztrát” 2,5 W.
Pokus by bylo možné modifikovat využitím 12 V automobilové žárovky - její příkon je 55/60 W. Pracovalo by se tak s bezpečným napětím, ovšem bylo by potřeba mít zdroj, schopný dodávat min. 5 A - nejlépe autobaterii. Aby byl zdroj chráněn před zkratem, bylo by vhodné zapojit ochranný rezistor (výkonový).
Pokračováním pokusu by mohlo být změření účinnosti odpovídající úsporné žárovky, ovšem bylo by nutné lépe izolovat žárovku a olej od okolí.
Myslím, že i když výsledek neodpovídá udávané hodnotě, je zajímavé, co lze s jednoduchými pomůckami zjistit. Pokus samozřejmě nedoporučuji opakovat, a pokud ano, tak opatrně, v ideálním případě s dohledem další osoby.

Fotografie pokusu:

Připravený experiment

 

2. Připravený experiment
Žárovka v oleji
3. Žárovka v oleji

Získaný graf
4. Získaný graf
Anotované odkazy:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné anotované odkazy.
Přiřazené DUM:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné DUM.
Přiřazené aktivity:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné aktivity.