Miljöfysik 15 hp
Vt 2008, campus
Experiment på energi, effekt och verkningsgrad
1) Elbil i backe. Kör bilen på vågrätt underlag. Elektriska effekten för att driva den kan
du räkna ut med hjälp av mätinstrumenten.
a. Låt sen bilen köra i uppförsbacke. Vad händer med effekten? Varför? Mät
och beräkna hur mycket potentiell energi bilen vinner i backen. Vad
behöver du mera mäta för att kunna räkna ut mekaniska effekten för
lyftarbetet?
b. Jämför ökningen i elektrisk effekt med mekaniska effekten! Hur stor är
verkningsgraden?
2) Polisbil i backe. ”Speedo-gaffeln” som sitter på stativet mäter hastigheten på det som
passerar förbi. (Den har två IR-strålar med 2 cm avstånd. Den mäter tiden från den
ena skyms till den andra skyms, och beräknar hastigheten.) Tryck på ”Run” så
nollställs mätaren.
Sätt fart på bilen. Släpp den så att den kör genom mätgaffeln och får sin hastighet
mätt. Därefter skall den fortsätta uppför backen tills den stannar. Fånga den innan den
rullar baklänges.
Beräkna kinetiska energin före backen. Beräkna potentiella energin när bilen stannar.
Kommentera! Titta på maskineriet i den lilla plastbilen för att få en ide om hur det kan
bli så!
3) Pendeln. ”Speedo-gaffeln” som sitter nedtill på stativet mäter hastigheten på det som
passerar förbi. (Den har två IR-strålar med 2 cm avstånd. Den mäter tiden från den
ena skyms till den andra skyms, och beräknar hastigheten.) Tryck på ”Run” så
nollställs mätaren. Släpp pendeln från ett antal olika höjder och mät maxhastigheten.
Beskriv energiomvandlingen och gör lämpliga mätningar för att kolla totala energin
före släppet och i pendelns nedre läge. Slutsats?
4) Trappspring. Spring uppför en trappa, helst flera våningar. Gör lämpliga mätningar
och beräkna ditt lyftarbete. Beräkna din mekaniska effekt.
Verkningsgraden kan beräknas som kvoten mellan nyttig energi och tillförd energi,
eller som kvoten mellan nyttig effekt och tillförd effekt. Kroppens verkningsgrad
(efficiency) är c:a 25 %. Hur stor är tillförda effekten (från ämnesomsättningen) till
kroppen vid trappspring?
Antag att du är brevbärare och springer uppför trappor 1 timma per dag, ren springtid.
Hur stor tillförd energi behöver du per dag behöver du för detta arbete? Jämför med
normalbehovet av energi för en vuxen (slå upp i kosttabell ed).
1
5) Avkylning och värmeisolering. Första gruppen startar experimentet. Följande
grupper bara avläser temometrar och klocka och fyller i protkollet och begreundar
värdena.
Välj ett antal olika metallcylindrar (t.ex. svart, vit, metallblank, blank med
värmeisolering). Ställ dem med lite avstånd emellan på ett bord (på frigolitskiva), fyll
med hett vatten, sätt på kork med termometer.
Avläs tid och temperaturer då och då och fyll i protokollet. Beskriv och förklara dina
iakttagelser.
Extra uppgift: Avläs också omgivningstemperaturen. Lägg in data i excel och gör
grafer med temperaturskillnad mot omgivning som funktion av tid. Låt excel lägga in
exponentiell anpassning (trendlinje) och skriva ut ekvation för denna. Beräkna
halveringstiden för temperaturen (=(ln 2) / exponenten). Diskutera resultaten.
6) Värma vatten. Du skall ta reda på vattenvärmarens verkningsgrad genom lämpliga
mätningar.
Anm. Specifika värmekapaciteten för vatten är 4190 J/(kg.K).
Extra: Värm vatten på andra sätt (på spisen, i mikrovågsugn), och jämför
verkningsgraden. Effekten kan man ofta läsa på skylt på apparaten eller på vredet på
spisen. Variera gärna experimentet (olika mängd vatten, olika tid, utnyttja eftervärme
etc).
7) IR-termometern. Enligt Stefan-Boltzmanns lag sänder ett föremål ut strålning där
den utstrålade effekten beror av temperaturen. Genom att mäta utstrålningen med en
IR-mätare kan man ta reda på temperaturen. Man kan alltså mäta temperatur på
avstånd, utan att vara i kontakt med mätobjektet. IR-mätaren visar temperaturen
direkt, på en digital display.
Prova mätaren mot några olika objekt (din hud, din munhåla, varmt vatten mm)
8) Solfångaren ”S(k)olfångaren” är en enkel solfångare för vattenvärmning. Den
består av en svart plåt med rörledning och en liten varmvattentank av koppar i ett
självcirkulationssystem. Ena sidan av plåten är svartmålad med vanlig färg, andra
sida (som blänker lite i rött), har selektivt ytskikt. Använd solfångaren ute i solsken
eller inne med bygglampa. Undersök hur temperaturen förändras under en halvtimma.
Beräkna nyttig effekt. Mät instrålningen (på exakt rätt avstånd) med
instrålningsmätare (obs kalibrerad för solljus, värdet måste räknas om i
halogenlampljus). Beräkna tillförd effekt och verkningsgrad.
2
9) Koncentrerande solfångare, solugn.
Det kanske enklaste sättet att förbättra
en solfångare är att förse den med
reflektorer. Instrålningen ökar och
därmed den energimängd man får ut.
Man får också möjlighet att uppnå
riktigt höga temperaturer (flera hundra
grader).
Solugnar för matlagning är en viktig
tillämpning i många utvecklingsländer,
där det är uppenbart angeläget att spara
på bränsle. Tips på en mängd enkla
solugnskonstruktioner kan man finna
på Internet (http://solarcooking.org).
En enkel experimentmodell som även
små barn kan bygga visas i figuren.
Prova att steka en äppleklyfta eller en
prinskorv i den.
10) Jämförelse av solfångarytor. Fyra lika stora aluminiumplåtar sätts ut i solen: en
blank eller vit, en svart, en svart med tjock mineralullsisolering bakom och en likadan
men inramad med glas eller plast ovanför och på sidorna. När plåtarna stått en tid kan
man lägga handen på och direkt känna hur väl de fungerar som solfångarabsorbator.
11) Ytskikt för solfångare: mätning av stagnationstemperatur. Fyra plana plåtar med
olika ytbehandlingar; selektivt svart, svartmålad, vitmålad, blank monteras i en låda
med värmeisolering bakom och glas framför. Termometrar monteras i god kontakt
med varje plåt. Anordningen placeras i solsken och temperaturutvecklingen på de
olika plåtarna studeras.
Förslag till andra experiment att göra i skolan eller hemma
Elvispen. Fyll vatten från kallvattenkranen i en skål. Mängden vatten kan du själv
välja men 2-3 dl är förmodligen bra. Mät temperaturen. Kör sedan en elvisp i skålen
några minuter och mät på nytt temperaturen. Vad finner du? Förklara resultatet
Sandstorm. Häll torr sand i en burk med lock. Låt burken vara ungefär halvfylld.
Mät sandens temperatur och skaka sedan burken kraftigt i cirka fem minuter. Mät på
nytt temperaturen hos sanden. Vad finner du? Förklara!
Medan kaffet svalnar. Häll upp en kaffekopp med hett vatten, sätt i en termometer
och täck koppens öppning med t ex aluminiumfolie. Avläs temperaturen med
lämpliga tidsintervall.
3
Hur stor är temperaturdifferensen mot omgivningen, ΔT, vid mätningens början? Hur
lång tid tar det tills temperaturdifferensen halverats? Om du väntar lika lång tid till,
hur stor bör temperaturdifferensen vara då? Hur stor var den enligt din mätning?
Gör om experimentet med samma förutsättningar men utan lock av Al-folie. Jämför
hur snabbt vattnet svalnar.
Frågor
1. Beskriv i ord hur olika processer bidrar till att kaffekoppen i experiment 2 svalnar.
Kom avsvalningstiden att förändras när du tog bort aluminiumfolien i experiment
2? Förklara varför.
2. Du bör veta att
1 kWh 1000Wh 1000W 3600s 3600000Ws 3600kJ
Hur stort är en vuxens dagliga energibehov genom kosten, uttryckt i kWh? Antag
att man kunde ladda upp sig med elenergi i stället för att äta mat. Vad skulle ett
dygns energi kosta?
3. När du får feber behövs energi för att höja temperaturen på din kropp. Gör en
överslagsberäkning på hur mycket din inre energi ökat då du har 40 graders feber.
4. Du kan stoppa in handen i ugn med temperaturen 250oC men du bränner dig om
du stopper handen i vatten som är 70oC. Förklara.
5. Tre storheter som ofta blandas samman är kraft, energi och effekt. Hur definieras
de? Hur skulle du kunna förklara dessa begrepp för ett barn i åldern 6-10 år?
6. Hur mycket ökar din potentiella energi då du kliver upp på ett köksbord? Antag
att du hoppar ned från bordet. Med vilken fart träffar du golvet?
7. Hur många gånger större rörelseenergi har en bil som kör 120 km/h jämfört med
då den kör 60 km/h? Vad säger detta dig om bromssträckorna?
8. Från vilken höjd skulle man behöva släppa en skinnsäck fylld med vatten om
vattnets temperatur skall öka med 1oC vid nedslaget? Vilken hastighet har säcken
vid nedslaget? Skulle det vara praktiskt möjligt att få vatten att koka på liknande
sätt?
Anm. Specifika värmekapaciteten för vatten är 4190 J/(kg.K), dvs för
att värma 1 kg vatten en grad behövs 4190 joule.
4
