Загальна інформація
Застосування
Джерело фото: wikipedia
Ефект Пельтьє: тепловий насос
Для систем опалення застосовують передусім компресійні теплові насоси. На теплому боці енергія віддається в систему гарячого водопостачання будинку, а на холодному боці поглинається теплота з довкілля.
У контурі компресійного теплового насоса є два різні тиски. Завдяки цьому холодоагент на холодному боці поглинає енергію і випаровується. Проходячи крізь компресор, він потрапляє під вищий тиск, і на теплому боці холодоагент може віддати енергію та сконденсуватися. Після цього він тече крізь дросель назад на бік низького тиску.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Якщо крізь елемент Пельтьє тече постійний струм, то один його бік нагрівається, а другий охолоджується.
Принцип
Цією властивістю можна пояснити принцип теплового насоса: теплий бік нагрівається не лише електричним струмом, а й за рахунок охолодження другого боку. Енергія «перекачується» з холодного боку на теплий.
Інша інформація (2/2)
Вказівка
- Силу струму в цьому досліді не слід брати більшою за 1 А. Якщо елемент Пельтьє нагріється надто сильно, то втрати теплоти в ньому стануть завеликими, коефіцієнт перетворення зменшиться, і елемент Пельтьє вже не вдасться переконливо показати як тепловий насос.
- У цьому досліді не використовують ізольованих посудин, щоб учні добре бачили термогенератор. Через це доводиться змиритися з втратами теплоти.
Завдання
У цьому досліді вимірюють температури й електричну роботу залежно від часу. Із цих даних можна визначити електричну енергію та теплові енергії на обох боках, а також обчислити коефіцієнт перетворення і ККД.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Щодо H- і P-формулювань звертайся до паспорта безпеки відповідної хімічної речовини.
Теорія
Теплова енергія:
Загальна теплоємність:
Теплоємність:
Якщо крізь елемент Пельтьє тече струм, то змінюється його температура, а разом із нею і його внутрішній опір. За сталої напруги це означає велику зміну сили струму й потужності термогенератора.
Теплові енергії на теплому та холодному боках термогенератора можна обчислити із загальної теплоємності і відповідних різниць температур , причому складається з теплоємності води і теплоємності мідного плеча термогенератора .
Теплоємності і - це добуток відповідної маси на питомі теплоємності і .
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість | 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 | 2 | Демонстраційний універсальний вимірювальний прилад, ADM3 | 13840-00 | 4 | 3 | PHYWE Блок живлення, універсальний, RiSU 2019 DC: 0...18 В, 0...5 А / AC: 2/4/6/8/10/12/15 В, 5 А | 13504-93 | 1 | 4 | З'єднувальний, прямий, модуль DB | 09401-01 | 1 | 5 | З'єднувальний, кутовий, модуль DB | 09401-02 | 4 | 6 | З'єднувальний, розімкнутий, модуль DB | 09401-04 | 2 | 7 | Вимикач вкл./викл., модуль DB | 09402-01 | 1 | 8 | Термогенератор, 1 елемент Пельтьє | 04374-00 | 1 | 9 | Теплоізоляційна пластина, повсть, 100 x 135 мм | 04375-00 | 1 | 10 | Тримач для приладів із магнітними кріпленнями | 45525-00 | 1 | 11 | Мензурка, низька, 250 мл | 46054-00 | 2 | 12 | Стрижень - мішалка | 04404-10 | 1 | 13 | Скляний стрижень, l=200 мм, d=5 мм | 40485-03 | 1 | 14 | Занурювальний зонд, NiCr-Ni, нержавіюча сталь, -50...400°C | 13615-03 | 2 | 15 | З'єднувальний провідник, 250 мм, червоний | 07360-01 | 2 | 16 | З'єднувальний провідник, 250 мм, синій | 07360-04 | 2 | 17 | З'єднувальний провідник, 750 мм, червоний | 07362-01 | 1 | 18 | З'єднувальний провідник, 750 мм, синій | 07362-04 | 1 |
|---|
Складання та виконання
Складання
- Скласти електричне коло за рисунком.
- Тримач для приладів із магнітними кріпленнями поставити на дошку і покласти на нього теплоізоляційну пластину (мензурки з термогенератором поки що на неї не ставити).
- Приєднати занурювальні зонди до обох мультиметрів ADM3.
- Вказівка: щоб уможливити кількісне опрацювання результатів, ADM3 треба додатково ввімкнути в коло як амперметр і вольтметр, а потім регулярно перемикати показ.
Виконання (1/2)
- Обидві мензурки наповнити рівно 150 мл води і поставити на тримач для приладів.
- Приєднати термогенератор до електричного кола і поставити в мензурки.
- Обидва температурні зонди вставити в отвори термогенератора, синій = негативний полюс
- Скляний стрижень або стрижень-мішалку поставити в мензурки.
- Увімкнути блок живлення і замкнути вимикач.
Виконання (2/2)
- Щохвилини знімати покази і записувати в таблицю
- Воду в мензурках рівномірно перемішувати, передусім перед вимірюванням.
- Через 10 хв закінчити вимірювання і записати електричну роботу.
- Вимкнути блок живлення.
Час Темп. Темп.
[хв] Синій Червоний
1
2
3
4
5
Електрична енергія:
Час Темп. Темп.
[хв] Синій Червоний
6
7
8
9
10
Опрацювання результатів (1/4)
Приклад вимірювання
Перетягни слова у правильні поля! ____ полюс термогенератора нагрівається, тоді як ____ охолоджується. При цьому ____ дещо більше, ніж ____.
Опрацювання результатів (2/4)
Питомі теплоємності міді й латуні в межах точності вимірювання практично однакові, тому для простоти можна рахувати з тим самим значенням.
Теплоємності наведено в такій таблиці - щоразу для одного боку термогенератора.
|
|---|
Обчисли теплові енергії (теплий і холодний бік) за допомогою різниць температур
Теплова енергія:
Де
і
Опрацювання результатів (3/4)
Енергетичний баланс через 10 хвилин:
Приклад вимірювання зі старих дослідів
Нахил прямих:
, для
Приклад вимірювання:
Зміна температури водяних бань через 10 хвилин:
Теплий бік , холодний бік
Потрібна електрична енергія (зчитана наприкінці):
(теплий бік)
(холодний бік)
Опрацювання результатів (4/4)
Коефіцієнт перетворення і ККД теплового насоса означені так:
Із визначених у досліді енергій дістаємо:
Коефіцієнт перетворення
ККД
Типова ознака теплового насоса - те, що коефіцієнт перетворення більший за 1. За допомогою електричної енергії один бік охолоджується. Звідти відбирається теплова енергія, і завдяки цьому другий бік нагрівається сильніше, ніж це було б можливо із суто електричним нагріванням.
-RbnzsrBe.avif)