Physics Lab-Bericht
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Einführung

Lernziele

Die Ziele dieses Experiments waren das Verständnis der Äquivalenz von elektrischer Energie und Wärmeenergie, das Erlernen von Techniken der Kalorimetrie und die Messung sowohl der elektrischen Energie als auch des Joule-Äquivalents elektrischer Energie.

Theorie

Joule-Äquivalent elektrischer oder mechanischer Wärme ist die Menge elektrischer Energie, die in einer Wärmeenergieeinheit enthalten ist. Die beiden Energieformen werden in Joule (J) gemessen. Wärmeenergie wird in Kilokalorien gemessen. Sir James Joule studierte elektrische und mechanische Energie und stellte fest, dass zwischen beiden eine Proportionalitätskonstante besteht. Diese Konstante ist das mit J bezeichnete Joule-Äquivalent der Wärme. In diesem Versuch sollte der Faktor bestimmt werden.

Leistung ist die Arbeitsgeschwindigkeit. Elektrische Leistung bezieht sich auf elektrische Energie, die pro Zeiteinheit von einer elektrischen Schaltung übertragen wird. Seine SI-Einheit ist das Watt (W). Die Arbeit moveW, die erforderlich ist, um eine elektrische Ladung ∆Q durch eine Potentialdifferenz V zu bewegen, ist gegeben durch:

Berechnungen und Formeln finden Sie im beigefügten PDF

Materialien und Apparate

Dazu gehörten: eine Baugruppe mit Widerstandsheizspirale, elektrische Anschlusspfosten, Rührer, Styropor- und Aluminiumkalorimetertassen, doppelwandiges Kalorimeter, Niederspannungs-Hochspannungsversorgung, Voltmeter, Amperemeter, elektrische Leitungen, Temperatursensor und Daten der Pasco 850 Universal Interface Erfassungssystem.

Verfahren

Das Pasco 850 Universal Interface wurde eingeschaltet und über das Startmenü wurde das Capstone-Softwareprogramm gestartet. Das Hardware-Setup-Symbol wurde angeklickt. Anschließend wurde im Hardware-Setup-Fenster auf die Schaltfläche Sensor / Instrument hinzufügen geklickt, um ein weiteres Menü aufzurufen. Danach wurden Analog-Sensoren von Science Workshop ausgewählt. Anschließend wurden Temperatursensor und Edelstahl aus der Liste Sensor / Instrument ausgewählt.

Die Abtastrate wurde dann in der Bedienfeldpalette so eingestellt, dass alle zwei Sekunden ein Messwert erfasst wird, indem das Symbol für die Einstellung der Abtastrate eingestellt wird. Das Hardware-Setup-Fenster wurde durch Klicken auf das Hardware-Setup-Symbol minimiert. Unter dem Anzeigefeld wurden die Symbole "Tabelle" und "Diagramm" doppelt angeklickt, um die Temperatur in einer Tabelle und einem Diagramm als Funktion der Zeit anzuzeigen. Danach wurden die restlichen experimentellen Geräte einschließlich des Kalorimeters, der Stromversorgung und des Stromkreises aufgestellt. Die Masse der Aluminiumeinsatzdose wurde vor der Zugabe von Wasser und erneut nach der Zugabe von Wasser aufgezeichnet. Dann wurde der Strom auf etwa 1 Ampere eingestellt, aber nicht über den Messerschalter geschlossen. Der Schalter wurde dann geöffnet, um den Stromfluss vor Beginn der Messungen abzubrechen. Die Spannungs- und Stromwerte wurden dann in einem Datenblatt aufgezeichnet.

Die Zeit für die Aufzeichnungstemperatur wurde dann eingestellt. Danach wurden die Sonde und der Heizer in Wasser gelegt, während der Schalter im Kreis ausgeschaltet war. Die Aufnahmetaste wurde gedrückt, und der Schalter wurde gleichzeitig unter ständigem Rühren umgedreht.

Berechnungen

Die Berechnungen finden Sie im beigefügten PDF

Literaturverzeichnis

Glover, J. Duncan, Mulukutla S. Sarma und Thomas Overbye. Energiesystemanalyse und -design, SI-Version. Cengage Learning, 2012. Hubert, C. et al. "Simulation der elektrischen Stromführung und der Jouleschen Erwärmung unter Verwendung von DEM-Domänen." Internationale Zeitschrift für Numerische Methoden im Engineering (2016).

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