Versuch: Wirkungsgrad · Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik WGR3 Musterwerte 3. Ermitteln des Wirkungsgrades eines Induktionskochfeldes mit 2.000 W Emailletopf mit

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

Semester: WS 19/20 Name: MusterwerteGruppe/Team: A1 Versuchsteil: 1

Tabellenblatt Beschreibung

Auftrag Gesamtauftrag für den Versuch Wirkungsgrad

A1-A4 Versuchsanleitungen sowie wichtige Hinweise

M1-M4 Datenblatt zur Aufnahme der Messdaten und Auswertung

Infos Allgemeine Infos und FAQ's

FAQ Häufig gestellte Fragen zum Versuch

Geräte Angaben zu Gerätedaten

Testat Nähere Hinweise zur Erlangung des Abtestats

WGRVersuch: Wirkungsgrad

WGRIntegriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik

Gesamtauftrag

Einzelaufträge

Die Verbraucherzentrale möchte Ihre Empfehlungen überarbeiten, inwieweit private Haushalte in der Lage sind, Einfluss auf den Energieverbrauch beim Kochen zu nehmen.

Es soll untersucht werden, wie die Leistung, die Art der Beheizung und das Material Einfluss auf das Erhitzen von Wasser haben und damit auf den Wirkungsgrad.

Zur Untersuchung stehen zur Verfügung

* ein Wasserkocher mit einer Leistung von 2.200 W* ein Wasserkocher mit einer Leistung von 1.100 W* ein Induktionskochfeld mit einer Leistung von 2.000 W und ein emaillierter Topf* ein Induktionskochfeld mit einer Leistung von 2.000 W und Edelstahltopf

WGR1:Untersuchen Sie einen Wasserkocher mit einer Leistung von 2.200 W. Inwieweit hat die Leistung, die Art der Beheizung und das Material Einfluss auf das Erhitzen von Wasser und damit auf den Wirkungsgrad?

WGR2:Untersuchen Sie einen Wasserkocher mit einer Leistung von 1.100 W. Inwieweit hat die Leistung, die Art der Beheizung und das Material Einfluss auf das Erhitzen von Wasser und damit auf den Wirkungsgrad?

WGR3:Untersuchen Sie die ein Induktionskochfeld mit einer Leistung von 2.000 W mit einem emaillierten Topf. Inwieweit hat die Leistung, die Art der Beheizung und das Material Einfluss auf das Erhitzen von Wasser und damit auf den Wirkungsgrad?

WGR4:Untersuchen Sie die ein Induktionskochfeld mit einer Leistung von 2.000 W mit einem Edelstahtopf. Inwieweit hat die Leistung, die Art der Beheizung und das Material Einfluss auf das Erhitzen von Wasser und damit auf den Wirkungsgrad?

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Versuchsanleitung

Sicherheitshinweis:Sie arbeiten mit heißen Flüssigkeiten und Wasserdampf! Bitte benutzen Sie die Handschuhe und arbeiten Sie vorsichtig um Verbrennungen zu vermeiden!

Hinweise:

Zur Versuchsvorbereitung schlagen Sie in der Literatur die spezifische Wärmekapazität c von Wasser nach.

1. Ermitteln des Wirkungsgrades eines Wasserkochers mit 2.200 W

• Stellen Sie sämtliche Anzeigen des Energiemessgerätes auf 0 indem Sie 4 Sekunden lang auf die Taste COST drücken. Stellen Sie anschließend die Anzeige dürch Drücken der Taste POWER auf aktuelle Leistungsmessung (Watt).

• Ermitteln Sie zunächst das Leergewicht des Gerätes. Achten Sie darauf, dass es trocken ist und kein Restwasser enthält.

• Füllen Sie ca. 1.000 ml Wasser in den Wasserkocher. • Bestimmen Sie die Gesamtmasse auf der Digitalwaage.• Stecken Sie das Thermoelement in die Öffnung des Ausgusses.• Schalten Sie das Präzisions-Sekundenthermometer an.• Stellen Sie den Wasserkocher an und notieren Sie alle 20 Sekunden die Temperatur

des Wassers. • Erwärmen und messen Sie bis eine Temperatur von 80°C erreicht ist. • Schalten Sie das Gerät aus und messen Sie weitere 10 Minuten die Temperatur im

Abstand von 60 s.• Lesen Sie während der Messung die Istleistung ab und am Ende des Versuches die

eingesetzte Energie.

Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik WGR2Versuchsanleitung


Hinweise:



• Stellen Sie sämtliche Anzeigen des Energiemessgerätes auf 0 indem Sie 4 Sekunden lang auf die Taste COST drücken.

• Stellen Sie anschließend die Anzeige dürch Drücken der Taste POWER auf aktuelle Leistungsmessung (Watt).

• Ermitteln Sie zunächst das Leergewicht des Gerätes. Achten Sie darauf, dass es trocken ist und kein Restwasser enthält.

• Füllen Sie ca. 1.000 ml Wasser in den Wasserkocher. • Bestimmen Sie die Gesamtmasse auf der Digitalwaage.• Stecken Sie das Thermoelement in die Öffnung des Ausgusses.• Schalten Sie das Präzisions-Sekundenthermometer an. • Stellen Sie den Wasserkocher an und notieren Sie alle 30 Sekunden die Temperatur

des Wassers.• Erwärmen und messen Sie bis eine Temperatur von 80°C erreicht ist.• Schalten Sie das Gerät aus und messen Sie weitere 10 Minuten die Temperatur im

Abstand von 60 s.• Lesen Sie während der Messung die Istleistung, und am Ende des Versuches die

eingesetzte Energie ab.


3. Ermitteln des Wirkungsgrades eines Induktionskochfeldes mit 2.000 W



• Ermitteln Sie zunächst das Leergewicht des Emailletopfes MIT Deckel. Achten Sie darauf, dass er trocken ist und kein Restwasser enthält.

• Füllen Sie ca. 1.000 ml Wasser in den Topf. • Bestimmen Sie die Gesamtmasse auf der Digitalwaage.• Positionieren Sie den Messfühler mittig im Wasser. • Schalten Sie das Präzisions-Sekundenthermometer an. • Schalten Sie das Induktionsfeld ein (On/Standby), drücken Sie "Temp/Level" und

wählen Sie mit der +- Taste die Leistung 2000.• Notieren Sie alle 20 Sekunden die Temperatur des Wassers. • Erwärmen Sie das Wasser bis es eine Temperatur von 80°C erreicht hat. • Schalten Sie das Gerät aus und messen Sie weitere 10 Minuten die Temperatur im




Hinweise:




Hinweise:


4. Ermitteln des Wirkungsgrades eines Induktionskochfeldes mit 2.000 W



• Ermitteln Sie zunächst das Leergewicht des Edelstahltopfes MIT Deckel. Achten Sie darauf, dass er trocken ist und kein Restwasser enthält.

• Füllen Sie ca. 1.000 ml Wasser in den Topf. • Bestimmen Sie die Gesamtmasse auf der Digitalwaage.• Positionieren Sie den Messfühler mittig im Wasser. • Schalten Sie das Präzisions-Sekundenthermometer an. • Schalten Sie das Induktionsfeld ein (On/Standby), drücken Sie "Temp/Level" und

wählen Sie mit der +- Taste die Leistung 2000.• Notieren Sie alle 20 Sekunden die Temperatur des Wassers.• Erwärmen Sie das Wasser bis es eine Temperatur von 80°C erreicht hat.• Schalten Sie das Gerät aus und messen Sie weitere 10 Minuten die Temperatur im



durchgeführt von:

mKocher = 735,8 g spez. Wärmekap. c = 4,19 kJ/(kg.K)mKocher+Wasser = 1.735,1 g Anfangstemp. ϑ0 = 25,9 °C

mWasser = 999,30 g

Leistung Psoll = 2.200 W elektrische Arbeit W = 0,075 kWhLeistung Pist = 1.977 W elektrische Arbeit W = 75 Wh

Zeit Temperatur Temperatur- Zeit Temperatur Temperatur-differenz differenz

t in s ϑ in °C ∆ϑ in K t in s ϑ in °C ∆ϑ in K0 25,9 0,0 200 85,8 59,920 27,7 1,8 260 84,9 59,040 36,6 10,7 320 84,2 58,360 45,8 19,9 380 83,4 57,580 53,7 27,8 440 82,7 56,8100 63,2 37,3 500 82,3 56,4120 72,3 46,4 560 81,7 55,8137 80,3 54,4 620 81,0 55,1

680 80,7 54,8740 80,1 54,2

Funktion der Trendline: y = mx + b

Erwärmungm = 0,374b = 0

Abkühlungm = -0,0103b = 61,632

zugeführte elektrische Arbeit W: 75,00 WhWärmemenge QE für Temperaturerhöhung: 63,27 Wh

Berechnung Wirkungsgrad η: 84,4 %Wirkungsgrad η aus Steigung der Trendlinie: 79,2 %

Ergebnisdiagramme

Berechnung


WGR1Musterwerte


Tragen Sie Ihre ermittelten Werte in untenstehende Tabellen ein.

Erwärmung Abkühlung

y = 0,374xR² = 0,9744

y = -0,0103x + 61,632R² = 0,9892

010203040506070

0 200 400 600 800

Tem

pera

turd

iff. i

n K

Zeit in s

Temperaturdiff. gegen Zeit

durchgeführt von:

mKocher = 696 g spez. Wärmekap. c = 4,19 kJ/(kg.K)mKocher+Wasser = 1.696,6 g Anfangstemp. ϑ0 = 26,2 °C

mWasser = 1.000,60 g



t in s ϑ in °C ∆ϑ in K t in s ϑ in °C ∆ϑ in K0 26,2 0,0 290 84,2 58,030 29,9 3,7 350 83,4 57,260 36,9 10,7 410 82,9 56,790 46,8 20,6 470 82,4 56,2120 52,7 26,5 530 81,8 55,6150 60,8 34,6 590 81,2 55,0180 68,9 42,7 650 80,8 54,6210 77,1 50,9 710 80,2 54,0225 80,6 54,4 770 79,6 53,4

830 79,2 53,0



Abkühlungm = -0,0091b = 60,489



Ergebnisdiagramme

Berechnung


WGR2Musterwerte




y = 0,2355xR² = 0,9903 y = -0,0091x + 60,489

R² = 0,9975

010203040506070

0 200 400 600 800 1000

Tem

pera

turd

iff. i

n K

Zeit in s


durchgeführt von:

mKocher = 550,3 g spez. Wärmekap. c = 4,19 kJ/(kg.K)mKocher+Wasser = 1.551,5 g Anfangstemp. J0 = 25,0 °C

mWasser = 1.001,20 g 9




750 74,3 49,3-25,0



Abkühlungm = -0,0117b = 57,955




Ergebnisdiagramme

Berechnung


WGR3Musterwerte

3. Ermitteln des Wirkungsgrades eines Induktionskochfeldes mit 2.000 WEmailletopf mit Deckel


y = 0,3641xR² = 0,9911

y = -0,0117x + 57,955R² = 0,9978

0

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800

Tem

pera

turd

iff. i

n K

Zeit in s


durchgeführt von:

mKocher = 662,8 g spez. Wärmekap. c = 4,19 kJ/(kg.K)mKocher+Wasser = 1.663,5 g Anfangstemp. J0 = 26,9 °C

mWasser = 1.000,70 g




750 79,7 52,8-26,9



Abkühlungm = -0,0106b = 60,53




Ergebnisdiagramme

Berechnung


WGR4Musterwerte

4. Ermitteln des Wirkungsgrades eines Induktionskochfeldes mit 2.000 WEdelstahltopf mit Deckel


y = 0,3564xR² = 0,9901

y = -0,0106x + 60,53R² = 0,9885

010203040506070

0 200 400 600 800

Tem

pera

turd

iff. i

n K

Zeit in s



WGR Infos

Allgemeine Hinweise

Machen Sie sich vor dem Versuch klar, was genau Energie oder Leistung bedeutet. Wo bestehen die Unterschiede? Stellen Sie Querverbindungen zu anderen Lehrgebieten her (Auch im Ernährungsbereich wird von Energie gesprochen, die dem Körper zugeführt wird oder dass es Leistungsumsätze gibt.)


Die Stoppuhr zeigt das Ergebnis in Minuten und Sekunden an. Eine Anzeige von 01:20:25 heißt 1 Minute, 20 Sekunden und 25 Hundertstel Sekunden (nicht 120 Sekunden!). Wenn Sie bei den Messungen nicht so schnell von Minute in Sekunde umrechnen können, machen Sie sich vorher eine Liste mit den entsprechenden Umrechnungen.

Schreiben Sie die Temperaturwerte bei den Ablesungen zunächst auf ein Blatt, da die Eingabe in Excel manchmal mehr Zeit als 15 s kostet.

Wenn Sie den Versuch wiederholen müssen, achten Sie darauf, dass Sie die Geräte wieder abkühlen. Eine Wärmezufuhr wegen noch heißer Wasserkocher oder Kochfelder würde den Wirkungsgrad erhöhen und damit verfälschen.

Lesen die Versuchsanleitungen sorgfältig durch. Viele Hinweise sind darin enthalten. Seien Sie sicher, dass diese Anleitungen nicht zuletzt ein Produkt aus den Erfahrungen vieler Studierender vor Ihnen sind, da wir bemüht sind, die Anregungen und Wünsche Ihrer Kommilitonen in diesen Anleitungen zu berücksichtigen. Sollten Ihnen Fehler auffallen, scheuen Sie sich nicht uns darauf anzusprechen. Wir sind dankbar für jeden Hinweis.

Im ersten Semester finden Sie vorgefertigte Excel‐Mappen vor, in die Sie Ihre Messwerte eintragen können. Nutzen Sie ausschließlich diese Excel‐Vorlagen. Um Sie zu öffnen, gehen Sie genau nach der am Arbeitsplatz liegenden Anweisung vor.

Ein Tipp für das 2. Semester: Diagramme und Berechnungen sind in den Vorlagen bereits vorgefertigt. Im 2. Semester werden Sie selber Formeln und Diagramme erstellen. Schauen Sie sich die eine oder andere Formel mal genauer an um sich vertraut mit der Funktionsweise zu machen. Wenn Sie noch Zeit haben, löschen Sie ein Diagramm und versuchen es selber neu zu erzeugen.

Nach Eingabe Ihrer Messwerte entstehen Berechnungen und Diagramme daraufhin sozusagen automatisch. Nehmen Sie trotzdem die Ergebnisse nicht als ‚gegeben‘ hin, sondern überprüfen Sie sie kritisch! Durch Eingabefehler oder ein falsch gesetztes Komma können Ergebnisse entstehen, die jeglicher Plausibilität entbehren.

Sollten Sie nach angemessener Zeit einen Fehler nicht finden können, rufen Sie die Aufsicht.

Sie müssen im Praktikum mit der Anwendung der Geradengleichung vertraut sein und aus der Geradengleichung die Steigung ablesen können.

Es wird erwartet, dass Sie die prinzipiellen Abläufe und die Bedienungsanleitungen verstanden haben. Der praktische Umgang mit den Geräten wird Ihnen im Praktikum noch erläutert. Rückfragen sind nur vor dem Praktikumstermin möglich.

Schalten Sie Geräte (außer Computer) erst dann ein, wenn die Aufsicht zustimmt.


WGR FAQ's Warum darf bei jedem Versuchsteil nur ein Parameter verändert werden?

Wenn Sie Vergleichsmessungen vornehmen, ist es wichtig, dass immer nur ein Parameter geändert wird. Wollen Sie z.B. die Auswirkung der Leistung bestimmen, müssen Masse und Temperaturdifferenz identisch sein. Achten Sie deshalb darauf, dass Sie bei allen Versuchsteilen mit einer Masse von 1000g und einer identischen Temperaturdifferenz arbeiten (Anfangstemperatur annähernd gleich, Endtemperatur 80°C).

Was ist der Unterschied zwischen Istleistung und Soll- oder Nennleistung?Wenn Sie ein Elektrogerät kaufen, ist es mit einem Typenschild versehen, das Auskunft über Gerätedaten gibt, unter anderem die Leistung. Die Leistungsangabe ist ein ungefährer Wert, der abhängig von der tatsächlichen Spannung ist (P=U*I) und von der angegebenen Leistung abweichen kann.

Was bedeutet die Steigung der Trendlinie?Die Steigung beschreibt den Quotient aus y- und x-Werten, hier aus Temperaturdifferenz und Zeit. Die Steigung der Geraden ist also ein Maß für die Temperaturerhöhung pro Zeit. Je größer die Steigung umso schneller wurde das Wasser erwärmt.

Was ist der Unterschied zwischen dem Wirkungsgrad η und dem Wirkungsgrad η aus der Steigung?

Es handelt sich bei beiden Wirkungsgraden natürlich um die gleiche Größe. Der erste Wirkungsgrad η berechnet sich aus dem Quotienten aus genutzter Energie (hier die Wärme des Wassers Q) und eingesetzter Energie (hier die Energie aus der ‚Steckdose‘ W). Beim zweiten Wirkungsgrad η wird der Wert aus der Steigung (∆ϑ/∆t) mit der Masse m und der spezifischen Wärmekapazität c multipliziert und durch die Istleistung Pist dividiert. Somit ist die Formel des Wirkungsgrades m*c*∆ϑ/P*t auch hier angewendet worden. Ein geringfügiger Unterschied durch die verschiedenen Berechnungsarten kann auftreten. Weisen die beiden Werte allerdings eine relative Abweichung von mehr als 10% auf (siehe Ergebnisblatt), sollten Sie Ihre Messwerte überprüfen.

Wie gehe ich vor, wenn ich mehr Messwerte aufgenommen habe als in der Vorlage vorgesehen?

Wenn Sie mehr Daten in die Tabelle eintragen wollen, können Sie zusätzliche Zeilen einfügen. Achten Sie darauf, dass die Bezüge im Diagramm und bei den abhängigen Formeln aktualisiert werden.

Was sagen die Diagramme im Ergebnisblatt aus?Hier wurden aus den Steigungen der vier Versuchsteile Geraden konstruiert. Auch hier ist nur eine Aussage darüber möglich, wie schnell in jedem Versuchsteil das Wasser erwärmt wurde bzw. wieder abkühlte. Natürlich ist die Leistung eines Gerätes ein wesentlicher Grund für die Schnelligkeit der Erwärmung, aber es kann durchaus Unterschiede bei gleich großen Leistungen auftreten. Hier muss also noch eine andere Größe eine Rolle spielen.

Wie gibt man eine ‚Empfehlung‘ ab?Da Ihre Aufgabe nicht klar definiert ist (z.B. welche Erhitzungsart ist die schnellste?), sollten Sie alle Größen kritisch berachten. Die kostengünstigste Art ist nicht immer die schnellste, die schnellste Art hat nicht immer den besten Wirkungsgrad. Es kann durchaus sein, dass man verschiedene Erhitzungsarten für unterschiedliche Bedürfnisse empfehlen kann.


Geräte

Leistung: 2200 WattAbschaltautomatikGehäusematerial: EdelstahlTrockengehschutzKabellos360° SockelVerdeckte HeizelementeFüllmenge in l: 1.7

WasserkocherHersteller GrossagTyp WK 33

TischstoppuhrHersteller: Junghans

Werk: MechanikFunktion: StoppuhrGehäuse: MetallGlas: Mineralglas

Ablesbarkeit: 1 s bzw. 1/100 min Laufzeit: ca. 20 StundenMetallblatt in 60er und 100er-TeilungAufzug mittels Schlüssel an der Rückwand

EnergiemessgerätHersteller: NEWTyp: Technoline Cost Control

Technische DatenBetriebsspannung: 230 V Wechselspannung, 50 HzMax. Strom: ca. 16 AMax. Leistung: 3600 W

Durch Drücken der Taste POWER wechselt die Anzeige zwischen Energie, aktuelle Leistung und Maximalleistung. Zum Zurücksetzen aller Anzeigen auf 0 drücken Sie 4 Sekunden land die Taste COST.

Kern DigitalwaageTyp 440-49 NHersteller: Kern & Sohn

Ablesbarkeit: 0,1 gWägebereich: 4000 gReproduzierbarkeit: 0,1 gMindeststückgewicht: 0,2 g Wägeplatte: 170 x 150 mmB x H x T: 165 x 230 x 80 mm Gewicht: 1000 g

Bedienung: ON-Taste drücken - Null-Anzeige erscheint - Wägegut auflegen - Gewicht sofort digital ablesen.

Tip: Beim Zuwiegen in ein Gefäß einfach zuerst die TARA-Taste drücken.

Wechselspannungssteller Hersteller FG ElektronikTyp NS 3005

Über die Änderung der Spannung kann die Leistung beeinflusst werden. Der Stellknopf befindet sich bereits in der richtigen Stellung. Verändern Sie die Einstellungen nicht.

Präzisions-SekundenthermometerHersteller: GreisingerTyp: GTH 1170

Die Temperaturmessung mit Thermoelementen• Temperaturunterschiede zwischen Gerat und Fühlerstecker können Messfehlerhervorrufen. Warten Sie deshalb nach dem Anstecken oder Berühren einesFühlersteckers bis sich die Temperaturen angeglichen haben.• Thermoelemente sind geeignet sehr große Temperaturbereiche zu messen. Beachten Sie die zulässigen Grenzen ihres Fühlers.• Bei Messungen der Lufttemperatur muss der Fühler trocken sein, sonst wird eine zuniedrige Temperatur gemessen (Verdunstungskälte).

Messbereich: -65,0...+199,9°C, Auflösung: 0,1°C bzw.-85,0...+199,9°F, Auflösung 0,1°F

-65...+1150°C, Auflösung 1°C bzw. -65.. +1999°F, Auflösung 1°F Genauigkeit:(± Digit)-65,0°C ...+199,9°C: ±0,05% vom Messwert ±0,2% FSMessfrequenz: 3 Messungen pro Sekunde

Einzel InduktionskochfeldHersteller: CasoTyp: Comfort C2000

Bezeichnung Induktionskochfeld C2000Modell C20L Temp.bereich 60° bis 200° CLeistung bis 2000 W /abhängig vom KochgeschirrStand-by 2 WAnschluss 220-240 V / 50 Hz

1 Hauptschalter On/Standby 2 Keep warm Funktion 3 Booster Funktion 4,5 +/- Tasten zur Einstellung der Stufe, der Temperatur oder des Timers 6 Taste zur Auswahl der Funktionen Leistungsstufe oder Temperatur 7 Timer

WGRWGR Testat


Zur Erlangung des Testats müssen Sie

• das Antestat bestehen

• die Versuchsdurchführung erfolgreich abschließen

• ein Aufgabenblatt ausfüllen.

Der Versuch Wirkungsgrad endet mit dem Ausfüllen eines Aufgabenblattes. Die dafür benötigte Excel-Datei 'WGR_Aufgabenblatt.xlsm' befindet sich auf dem Desktop Ihres Rechners. Sie muss im Physiklabor mit Ihrem Namen versehen und ausgedruckt werden.

Achten Sie am Ende des Versuchs darauf, dass die Ergebnisse aus allen Versuchsteilen in die Excel‐Datei 'WGR_Ergebnis.xlsx' eingetragen wurden und dass Sie diese Datei und Ihre ausgefüllte Vorlagendatei auf Ihrem Stick abgespeichert haben, sonst können Sie das Aufgabenblatt nicht ausfüllen.

Documents

Versuch: Wirkungsgrad · Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik WGR3 Musterwerte 3. Ermitteln des Wirkungsgrades eines Induktionskochfeldes mit 2.000 W Emailletopf mit