Název: Fyzika v kuchyni

Název: Fyzika v kuchyni Téma: měření teploty, účinnost

Diferenciace:

Čas: 90 minut

Věk: 13-16

Připomínky, ICT podpora: Pokud možno, použijte termální kameru s možností prezentace snímku přes dataprojektor

Pomůcky: Indukční vařič, elektrický vařič, voda, olej, nádoby, ochranné pomůcky, termokamera, teploměr

Výstupy: 

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

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

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

l

Ilustrační spotřeba energie ledniček podle energetických tříd

Energetická třída

Roční spotřeba v kWh

Náklady v Kč/den

Náklady v Kč/rok

A+++

160

2,10

768

A++

219

2,88

1051

A+

274

3,60

1315

A

305

4

1464

Počítáno s cenou 4,80 Kč/kWh

4

Spotřebu energie ledničky ovlivňuje velikost užitného objemu, typ kompresoru, tloušťka izolace a další parametry. (převzato http://www.alza.cz/slovnik/energeticka-trida-lednickyart5700.htm)

Porovnejte tyto energetické štítky? Co můžete říct o uvedených zařízeních?

Více o energetických štítcích se dočtete na https://cs.wikipedia.org/wiki/Energetick%C3%BD_%C5%A1t%C3%ADtek

5

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  Pp

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 600 000 J. Jak dlouho bude trvat uvaření čaje v konvici o příkonu 2000 W a účinnosti 85%?

Zápis: Pp = 2000 W W = 600000 J

 = 0,85 =? t1 = 10 oC t2 = 100 oC

6

W = P·,  

W W  P   Pp

W ...práce (J),  ...čas (s), Pp … příkon (W),  … účinnost



600000  353 0,85  2000

 = 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/m3 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

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 (oC) Konečná teplota vody - t (oC) 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)

0 30 60 90 120 150 180

Teplota vody (oC)

Pro sestrojení grafu využijte software Excel.

Příklady naměřených hodnot: Měření účinnost vařiče

8

Hmotnost vody - m

0,55 kg

Počáteční teplota vody – to

25 ° C

Konečná teplota vody - t

90 ° C

Měrná tepelná kapacita vody - c

4180 J·kg·K-1

Výpočet potřebného tepla - Q Q = mc (t - t0)  149435 J Příkon vařiče – Po

2200 W

Doba ohřevu - 

128 s

CVýpočet celkové energie

W = P0  281600 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 11.00 CZK / m3 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

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 m3 Cena energie

0,13 CZK

Hrnec bez pokličky: Doba ohřevu

285 s

Energie potřebná k zahřátí na bod varu Cena energie

0.014 m3

0.15 CZK

Úspora energie

0.02 CZK

10

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 Cena energie

0,21 kWh

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 oC 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

1220 kJ

55 %

6 min 2 s

11

Pozn. Počítáme jen s účinností vařiče jako takového, není zahrnuta účinnosti při transport energie distribuční soustavou a ostatní tepelné ztráty. (www.nazeleno.cz). 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

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

Pracovní list Elektrický vařič Hrnec s pokličkou

Hrnec bez pokličkyPot without lid

Hrnec s pokličkou


Hmotnost vody - m (kg) Počáteční teplota vody - t0 (oC) Konečná teplota vody - t (oC) 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 -

W = P0 (J)

Výpočet účinnosti -  (%)

 = (Q / W)100%

Plynový vařič

Hmotnost vody - m (kg) Počáteční teplota vody - t0 (oC) Konečná teplota vody - t (oC)

14

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 -  (%)


W = P0 (J)


 = (Q / W)100%

Indukční vařič

Hrnec s pokličkou

Hmotnost vody - m (kg) Počáteční teplota vody - t0 (oC) Konečná teplota vody - t (oC) 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



W = P0 (J)


 = (Q / W)100%

16

Název: Fyzika v kuchyni

Recommend Documents