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Versuchsprotokoll Wirkungsgrad eines Wasserkochers
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Versuchsprotokoll zum Versuch des Wirkungsgrads eines Wasserkochers. Inklusive Berechnungen, Messprotokolle, Theorie und Zwickl-Abgleich.
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ptim
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Wirkungsgrad eines WasserkochersDatum: 26.08.2020
Gruppe: 3 (Di, 4.+5. Block)
Dozent: M. Merkel
Name: Pfeifer, Tim
Studiengang: WI-Industrie
Matrikelnr.: 5274255
, Einleitung und Theorie
In diesem Versuch geht es um den Wirkungsgrad η eines Wasserkochers.
Der Wasserkocher enthält am Boden ein offenes, oder durch eine
Edelstahlplatte verdecktes Heizelement, das elektrische Energie in
Wärmeenergie umwandelt. Die elektrische Leistung ist durch 𝑃 = 𝑈 ⋅ 𝐼
gegeben. Da die Spannung U des Wasserkochers mit 230 V vorgegeben ist,
wird die elektrische Leistung des Wasserkochers durch die Stärke des
elektrischen Stromes bestimmt, der durch das Heizelement fließt. Im oberen
Bereich ist meistens noch zusätzlich ein Thermoschalter verbaut, der den
Wasserkocher abschaltet, wenn der Raum über dem Wasser durch den
entstehenden Wasserdampf eine bestimmte Temperatur erreicht. Unter dem
elektrischen Strom versteht man die Bewegung von Ladungsträgern durch
einen Stoff. Die Stromstärke 𝐼 gibt dabei an, wie viel Strom durch den Leiter
fließt, dass bedeutet, wie viele Elektronen in einem bestimmten Zeitraum
durch den Leiter fließen. Die Spannung U ist hierbei die treibende Kraft, die
die Elektronen durch den Leiter „drückt“ und somit die Ladungsbewegung
verursacht. Jeder Stoff hat aber auch einen Stoffspezifischen Widerstand,
der die Elektronen wieder „abbremst“. Der Widerstand ist also ein Maß dafür,
wie stark die Elektronen abgebremst werden. Das Ohm’sche Gesetzt besagt,
dass die Stromstärke 𝐼 und die Spannung U proportional zueinander sind.
Des Weiteren ist der Energieerhaltungssatz noch sehr wichtig, da Energie
immer erhalten bleibt und man sie weder erzeugen noch vernichten kann.
Energie kann nur in andere Energieformen umgewandelt werden oder von
einem Körper auf einen anderen Körper übertragen werden. In diesem
Experiment beschreibt der Wirkungsgrad η bei der Energieumwandlung von
elektr. Energie hin zur Wärmeenergie das Verhältnis von der genutzten
Energie zur aufgewendeten Energie. Der Wirkungsgrad ist definiert als:
𝐸𝑁𝑢𝑡𝑧𝑒𝑛
𝜂=
𝐸𝐴𝑢𝑓𝑤𝑎𝑛𝑑
Die Temperatur eines Körpers kennzeichnet seinen Wärmezustand. Dass
bedeutet, die Temperatur ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der
Teilchen in einem Körper. Die Wärmeenergie ist ein Teil der inneren Energie
eines Körpers und sie kann zwischen Körpern übertragen werden. Sie kann
mit Hilfe der Formel 𝛥𝑄 = 𝑚 ⋅ 𝑐 ⋅ 𝛥𝑇 berechnet werden. Um die Temperatur
eines Körpers um 𝛥𝑇 zu erhöhen benötigt man eine bestimmte
Wärmeenergie 𝛥𝑄, die man dem Körper von außen zufügen muss. Wenn der
Stoff innerhalb eines Aggregatzustands bleibt, ist der Quotient aus der
Wärmeenergie und der Temperatur dann gleich der Wärmekapazität des
𝛥𝑄
jeweiligen Körpers. Die Formel lautet dann: 𝐶𝐾𝑜̈ 𝑟𝑝𝑒𝑟 = 𝛥𝑇
Wenn man dann diese Wärmekapazität durch die Masse m eines Stoffes
𝐶𝑘 𝛥𝑄
dividiert, erhält man dann mit 𝑐 = = 𝑚⋅𝛥𝑇 die spezifische Wärmekapazität
𝑚
eines Stoffs. Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Wärmeenergie
benötigt wird, um die Temperatur des jeweiligen Körpers um 1 Kelvin zu
Pfeifer Tim, Gruppe 3, M. Merkel Seite 2 von 8
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