Název: Fyzika v kuchyni

Transkript

1 Název: Fyzika v kuchyni Téma: měření teploty, účinnost Čas: 90 minut Věk: Diferenciace: Připomínky, ICT podpora: Pokud možno, použijte termální kameru s možností prezentace snímku přes dataprojektor Pomůcky: Výstupy: Indukční vařič, elektrický vařič, voda, olej, nádoby, ochranné pomůcky, termokamera, teploměr Žáci umí vysvětlit údaje na energetickém štítku Žáci počítají s procenty Žáci umí vyřešit uvedené početní úkoly. Žáci realizují laboratorní úlohy Potřebné znalosti: F tteplota, energie - jednotky, M - výrazy Talentovaní žáci: Žáci porovnávají účinnost různých zdrojů tepla, kreslí grafy a histogramy Bezpečnost: Práce s horkými předměty, vařiči 1

2 Popis Počáteční aktivita motivace Vybavení domácnosti v 21. století. Jaká by byla naše kuchyně bez elektřiny? Hlavní aktivita Žáci pracují s energetickými štítky, pomocí internetu zjistí, jaká je cena za energii. Žáci realizují laboratorní úlohu. Konečná aktivita Žáci diskutují účinnost ohřevu kapalin na různých typech sporáků. Studují postupné zahřívání kapalin pomocí termovizní kamery. Motivace 2

3 1. Porovnejte kuchyně na obrázku 1 a obrázku 2! 2. Vypracujte seznam spotřebičů, které máte v kuchyni. Zjistěte, které z nich jsou opatřeny energetickými štítky. Otázka 1: Co znamenají údaje na energetickém štítku lednice? Každý spotřebič je zařazen do skupiny podle indexu energetické účinnosti. Tento index charakterizuje spotřebu elektrické energie na jeden litr čistého objemu spotřebiče. Spotřeba se odvozuje za provozu při ideálních podmínkách - teplotě okolí 20 C a 70% zaplnění prostoru lednice.v současnosti se vyrábí jen ledničky třídy A a vyšší. Energetický štítek chladničky 3

4 l Ilustrační spotřeba energie ledniček podle energetických tříd Energetická třída Roční spotřeba v kwh Náklady v Kč/den Náklady v Kč/rok A , A , A , A Počítáno s cenou 4,80 Kč/kWh 4

5 Spotřebu energie ledničky ovlivňuje velikost užitného objemu, typ kompresoru, tloušťka izolace a další parametry. (převzato Porovnejte tyto energetické štítky? Co můžete říct o uvedených zařízeních? Více o energetických štítcích se dočtete na 5

6 Fyzika a spotřena energie Pro zjištění kvality (hospodárnosti) strojů určujeme jejich účinnost. Stroji dodáváme energii, která je větší než práce užitečná, protože stroj musí překonávat působení odporových sil. Účinnost zařízení je dána jako poměr dodaného výkonu a odevzdaného výkonu. Udává se v procentech. Účinnost zařízení je dána jako poměr dodaného výkonu (příkonu) a odevzdaného výkonu P P p Účinnost je vždy menší než jedna, udává se v procentech. Pokud se zařízení skládá z několika dílčích částí o různé účinnosti, potom výsleddná účinnost je dána jako jejich součin 1 2 Příklad 1: Na ohřátí 2 litrů vody z 10 C a 100 C je třeba J. Jak dlouho bude trvat uvaření čaje v konvici o příkonu 2000 W a účinnosti 85%? Zápis: Pp = 2000 W W = J = 0,85 =? t1 = 10 o C t2 = 100 o C 6

7 W = P, W P W P p W...práce (J),...čas (s), Pp příkon (W), účinnost , = 353 s = 5,9 min Informace o teplotě vody jsou v tomto příkladu nadbytečné. Laboratorní práce Pomůcky: indukční vařič, elektrický vařič, plynový vařič, varná deska, olej, voda, hrnce, ochranné pomůcky, teploměr, stopky, termokamera Úkoly: 1. Porovnejte účinnost ohřevu určitého množství vody na různých typech sporáků. 2. Vypočtěte náklady na energii potřebnou na ohřev v Kč. Na internetu vyhledejte cenu za jednotku plynu a jednotku elektřiny. Např. Plyn cena za jednotku 11,00 Kč/m 3 Elektřina cena za jednotku 3,50 Kč/kWh Zvolené množství vody pro ohřev 0,5 litru = 500 ml Postup práce Úkol 1. Porovnejte účinnost ohřevu daného množství vody na různých typech vařičů a) Postupně ohřívejte 500 ml vody v obyčejném hrnci s poklicí, ve stejném hrnci bez poklice na plynovém vařiči. b) Ohřívejte ve stejném hrnci 500 ml na elektrickém vařiči s poklicí a bez poklice. c) Porovnejte dobu ohřevu v případě použití poklice a ohřevu bez poklice na jednotlivých zdrojích tepla. 7

8 d) Vypočítejte energii spotřebovanou v jednotlivých krocích úlohy. e) Vyjádřete úsporu energie v případě použití poklice v procentech. f) Vyjádřete náklady na potřebnou energii v korunách. Budete potřebovat následující údaje pro vyplnění pracovního listu: Hmotnost vody - m (kg) Počáteční teplota vody - t0 ( o C) Konečná teplota vody - t ( o C) Měrná tepelná kapacita vody - c = 4180 J kg K -1 Výpočet tepla potřebného k ohřevu - Q (J) Q = mc (t - t0) (vztah, výpočet) Příkon vařiče - P0 (údaj lze najít přímo na spotřebiči) (W) Doba ohřevu - (s) Výpočet spotřebované energie na ohřev W = P0 (J) (vzorec, výpočet) Výpočet účinnosti daného vařiče - (%) = (Q / W) 100% Doplňující úloha: Měřte nárůst teploty během daných časových interval (např. Po 30 sekundách). Výsledky zaznamenejte do připravené tabulky. Nakreslete graf naměřených hodnot. Diskutujte výsledky měření! čas (s) Teplota vody ( o C) Pro sestrojení grafu využijte software Excel. Příklady naměřených hodnot: Měření účinnost vařiče 8

9 Hmotnost vody - m Počáteční teplota vody to Konečná teplota vody - t 0,55 kg 25 C 90 C Měrná tepelná kapacita vody - c 4180 J kg K -1 Výpočet potřebného tepla - Q Q = mc (t - t0) J Příkon vařiče Po Doba ohřevu - CVýpočet celkové energie 2200 W 128 s W = P J Výpočet účinnosti - = (Q / W) 100% 53% Úkol 2: Vypočítejte náklady na ohřev v CZK Postup práce: Najděte na internet jednotkovou cenu plynu a elektické energiet. Například: plyn jednotková cena CZK / m 3 elektřina jednotková cena 3.50 CZK / kwh Výsledky měření zapište do přehledné tabulky. Porovnejte cenu spotřebované energie. Úkol 3 Souhrnná tabulka Plyn Hrnec s pokličkou (bez pokličky): Doba ohřevu Energie potřebná k zahřátí na bod varu Cena energie Úspora energie při použití pokličky Úspora energie při použití pokličky v procentech 9

10 Elektřina Hrnec s pokličkou (bez pokličky): Doba ohřevu Energie potřebná k zahřátí na bod varu Cena energie Úspora energie při použití pokličky Úspora energie při použití pokličky v procentech Indukční vařič Hrnec s pokličkou (bez pokličky): Doba ohřevu Energie potřebná k zahřátí na bod varu Cena energie Úspora energie při použití pokličky Úspora energie při použití pokličky v procentech Pot with (without) lid: Příklad tabulka s naměřenými údaji Plyn numerical value of the unit Hrnec s poklicí Doba ohřevu 245 s Energie potřebná k zahřátí na bod varu 0,012 m 3 Cena energie 0,13 CZK Hrnec bez pokličky: Doba ohřevu 285 s Energie potřebná k zahřátí na bod varu m 3 Cena energie 0.15 CZK Úspora energie 0.02 CZK 10

11 Úspora energie v procentech 16,7% Elektřina Hrnec s poklicí Doba ohřevu 360 s Energie potřebná k zahřátí na bod varu 0,19 kwh Cena energie 0,67 CZK Hrnec bez pokličky: Doba ohřevu 375 s Energie potřebná k zahřátí na bod varu 0,21 kwh Cena energie 0,74 CZK Úspora energie 0,07 CZK Úspora energie v procentech 10,5 % Srovnání činnosti různých typů vařičů V tabulce jsou uvedeny hodnoty pro různé typy vařičů. Byla zahřívána voda o objemu 1,9 l z teploty 20 o C na teplotu varu. Technologie Čas potřebný na ohřev Energie Účinnost Indukční vařič 4 min 46 s 745 kj 83 to 90 % Elektrický vařič 9 min 0 s 1120 kj 45 % Plyn 6 min 2 s 1220 kj 55 % 11

12 Pozn. Počítáme jen s účinností vařiče jako takového, není zahrnuta účinnosti při transport energie distribuční soustavou a ostatní tepelné ztráty. ( Diskuse: 1. Popište výhody a nevýhody každého vařiče, se kterým jste pracovali. 2. Najděte co nejvíce příkladů, problémů, úloh, ve kterých můžete využít naměřené hodnoty z tabulek. 3. Nakreslete vhodné grafy, ze kterých bude zřetelné, který z vařičů bychom doporučili pro využití v domácnosti. 4. Připravte poster nebo power pointovou prezentaci, kde uvedete výledky svých měření a jejich diskusi. Doplňující aktivita Sledujte process ohřevu vody na indukjčním vařiči a na elektrickém vařiči. Co pozorujete? Jaký bude závěr vašeho pozorování? Při hledání odpovdi na otázky můžete prostudovat obrázky níže. Obrázek a) ukazuje ohřev vody na indukčním vařiči, obrázek b) ohřev vody na elektrickém vařiči. 12

13 Studujte process ohřevu oleje za stejných podmínek jako v případě vody. Diskutujte svá pozorování.study the process of heating oil under the same conditions. 13

14 Pracovní list Elektrický vařič Hrnec s pokličkou Hrnec bez pokličkypot without lid Hmotnost vody - m (kg) Počáteční teplota vody - t0 ( o C) Konečná teplota vody - t ( o C) Teplo potřebné na ohřátí vody - Q (J) Příkon vařiče - P0 (odečtený na technickém štítku zařízení) (W) Doba ohřevu - (s) Výpočet celkové spotřebované energie - W = P0 (J) Výpočet účinnosti vařiče - (%) Měrná tepelná kapacita vody - c = 4180 J kg K -1 Výpočet tepla - Q (J) Q = mc (t - t0) Výpočet celkové energie - Výpočet účinnosti - (%) W = P0 (J) = (Q / W) 100% Plynový vařič Hrnec s pokličkou Hrnec bez pokličkypot without lid Hmotnost vody - m (kg) Počáteční teplota vody - t0 ( o C) Konečná teplota vody - t ( o C) 14

15 Teplo potřebné na ohřátí vody - Q (J) Příkon vařiče - P0 (odečtený na technickém štítku zařízení) (W) Doba ohřevu - (s) Výpočet celkové spotřebované energie - W = P0 (J) Výpočet účinnosti vařiče - (%) Měrná tepelná kapacita vody - c = 4180 J kg K -1 Výpočet tepla - Q (J) Q = mc (t - t0) Výpočet celkové energie - Výpočet účinnosti - (%) W = P0 (J) = (Q / W) 100% Indukční vařič Hrnec s pokličkou Hrnec bez pokličkypot without lid Hmotnost vody - m (kg) Počáteční teplota vody - t0 ( o C) Konečná teplota vody - t ( o C) Teplo potřebné na ohřátí vody - Q (J) Příkon vařiče - P0 (odečtený na technickém štítku zařízení) (W) Doba ohřevu - (s) Výpočet celkové spotřebované energie - W = P0 (J) Výpočet účinnosti vařiče - (%) 15

16 Měrná tepelná kapacita vody - c = 4180 J kg K -1 Výpočet tepla - Q (J) Q = mc (t - t0) Výpočet celkové energie - Výpočet účinnosti - (%) W = P0 (J) = (Q / W) 100% 16