入力エネルギーと目的の出力を測る実験を組もう

加熱実験で効率を調べるには、電熱線へ入った電気エネルギーと、水が得た熱を別々に測ります。温度上昇だけを比べても、電力・時間・水量が違えば効率は分かりません。

このレッスンの役割

「エネルギー変換の効率」の第2段階です。前のレッスンで入力と出力を区別しました。今回は入力Ptと有用な出力4.2mΔTを測れるよう、条件と手順を設計します。次へ、測定値をエネルギー収支図へ表す力を渡します。

入力には通電中のV・Iと時間tが必要です。水の受熱には水の質量m、初期温度、終了温度が必要です。時間は秒、質量はgにそろえると、どちらもJで表せます。

二つの装置を比べるなら、水量、初期温度、目標温度、容器、室温、温度計位置、かき混ぜ方をそろえます。ふたや断熱材を使うと周囲へ逃げる熱を減らせますが、装置ごとに条件を変えてはいけません。

温度計を電熱線や容器へ触れさせず、回路を切ってから組み替えます。学校の低電圧装置を使い、通電は教師の指示に従います。実験中のV・Iが変化する場合は一定間隔で記録し、単一の表示値だけを使わない方法も考えます。

100 Wを60秒使えば入力は6000 Jです。200 gの水が5℃上がれば水の受熱は4.2×200×5＝4200 Jです。差の1800 Jを「誤差」とだけ書かず、容器、電熱線、周囲へ移った可能性を考えます。

確認1：入力電気エネルギーに必要な三つの量は何ですか？

電圧V、電流I、時間tです。Ein＝VItで求めます。

確認2：水が得た熱に最終温度だけでは足りないのはなぜですか？

温度上昇ΔT＝終了温度−初期温度が必要だからです。

確認3：入力と水の受熱の差はどこへ行きますか？

主に電熱線、容器、周囲の空気などへ熱として移ります。

効率実験では入力Einと有用出力Qwaterを別々にJで測ります。次は二つの値とその他の出力を一つの流れとして表します。

クイズと理解チェックは、アプリで挑戦できます。