^^Efficienza energetica di una lampada a incandescenza; misura.

doc: 24/5/93 itis Cesano

Schema distruz/trasformaz/generaz/entrata/uscita energia

                 *************                      EN_GEN_TOT
                 *     >>>>>>>>>>>  EN LUMINOSA   } energia
EN ELETTRICA >>>>>>>>>>      *                    } generata
                 *     >>>>>>>>>>>  EN TERMICA    } totale
                 *************

                            EN_LUM /EN_GEN_TOT   frazione luce
                            EN_TERM/EN_GEN_TOT   frazione calore

Principio d CONSERVAZ d ENERGIA in una TRAS-FORM-AZIONE:
ENERGIA TOTALE DISTRUTTA = ENERGIA TOTALE GENERATA

L'ENERGIA LUMINOSA NON E' L'UNICA ENERGIA RADIANTE GENERATA.
Lo schema e' approssimato.
Energia radiante = visibile + non_visibile (UltraViolett e InfraRoss)

Obiettivo: misurare le frazioni di energia luminosa e termica generate da una lampada (a regime).

Linee essenziali procedura:

Misur calore sviluppato dalla lampada

Per misurare il calore bisogna avere qualche nozione di calorimetria. ref: calmis
Immerg lampada in un sistema che assorba il calore generato e sia trasparente alla luce es: acqua in recipiente vetroso;
La fuoriuscita d luce dal sistema e' necessaria poiche': luce assorbita da materia si trasforma in calore; il calore prodotto dalla luce assorbita si sommerebbe a quello prodotto dalla lampada, di conseguenza non si potrebbe piu' distinguere quale e' quale, si potrebbe misurare solo la loro somma.

Misur energia luminosa

La misura "diretta" dell'energia luminosa e' cosa difficile, che viene circum-navigata. Bisognerebbe raccogliere-convogliare tutta la luce in un misuratore di luce, il foto-metro. Non e' pero' facile raccogliere-convogliare la luce.
Una soluzione e' una misura "indiretta": si chiude il sistema alla fuoriuscita d luce es: incappucciando lamp con un foglio di alluminio, dimodoche alla fine del suo propagarsi la luce sia assorbita dalla materia trasformandosi cosi' in calore; il calore prodotto dalla lampadina e dalla luce si mischiano; il calore complessivo viene misurato.
La frazione luminosa e' deducibile per differenza:

  QC         calore prodotto dalla lamp
  QL         calore prodotto da assorbimento di tutta la luce
  QCL=QC+QL  calore complessivo prodotto
  QL =QCL-QC

Misur energia totale prodotta

Tutta l'enegia generata viene convertita in calore e misurata.

Disposizione delle misure

Per come devono essere eseguite, le misure non possono essere fatte contemporaneamente.
L'esperimento viene ripetuto, il piu' simile possibile.
In un esperimento la luce viene fatta uscire dal sistema per
misurare solo il calore prodotto nel funzionamento usuale, in un altro esperimento la luce viene trattenuta nel sistema e convertita in calore e misurato il calore complessivo.

Misura delle frazioni

QC/QCL frazione calore
QL/QCL frazione luce
QC/QCL = dtt_C/dtt_CL
il rapporto tra i valori d u grandezza sono uguali al rapporto dei corrispondenti valori-indice proporzionali: ref: misindir
Cio' comporta che per calcolare il rapporto, non serve saper-dover misurare le quantita' di calore, ma e' sufficente misurare gli incrementi di temperatura e farne il rapporto.

Misure calorimetriche

Ci siamo orientati a fare misure calorimetriche, piuttosto che ritenere misurabile l'energia elettrica in ingresso direttamente in forma elettrica.

Connessioni, spiegaz:

TRASFORMAZ ENERGETICHE d u LAMPADA A INCANDESCENZA ref: trenl
Una lampada produce anche calore, non solo luce.
TRASFORMAZ ENERGETICHE ref: tren
Perche' guardiamo le frazioni di energie e non le quantita'.
MISURE DI CALORE. CALORIMETRIA. ref: calmis
Come si misura il calore?
MISURE CALORIMETRICHE DELL'ENERGIA. ref: enmis
Come hai pensato di misurare l'energia luminosa misurando il calore prodotto dal suo assorbimento?
MISURE IN/DIRETTE ref: misindir
Perche' si riesce a calcolare il rapporto senza conoscerne i termini?
METODO ESPER-IENZE/IMENTI DIDATTICI ref: metesp

Giudizio estetico

Anche se non riesco a giustificare bene perche', voglio dire che giudico q esperimento elegante ed essenziale.
Elegante poiche':

perviene ad un preciso risultato senza la taratura del calorimetro
per gli ingegnosi accorgimenti sperimentali

Essenziale poiche':

il controllo dell'esperimento viene mantenuto con un minimo di strumentazione semplice.

Ho voluto esprimere un giudizio estetico poiche' ritengo che se anche non lo si razionalizza, e' una sensibilita' da sviluppare.

Variazioni d esperimento. Esperimenti collegati. Compl-ementi/icazioni,

misurare la stessa quantita' di energia in 2 forme diverse, per determinare il fattore di conversione.
Misurare le quantita' di energia
- elettrica in ingresso nelle unita' internazionali
- termica in uscita nelle unita' caloria
convertendo completamente l'energia elettrica in calore, per misurare il fattore di conversione tra le unita' termiche e quelle meccaniche, calorie <-> joule.
Valore ufficiale: 1 caloria = 4,186 joule.
studio del riscaldamento. Registrare l'evoluzione della temperatura.

Avvertenze sperimentali

Usare basse tensioni !!!! pericolo di MORTE con 220v !!!! ref: mortele
Immergere la lampada a freddo, altrimenti si rompe (shock termico).
Per convertire luce in calore senza farla uscire dal sistema: avvolgere un foglio di alluminio sul bulbo di vetro, senza mettere in corto circuito i 2 poli della lampadina (da un'idea di Renato Valota).
Per far uscire la luce: pulire i vetri in modo da renderli il piu' trasparenti possibili alla luce.
Nel caso di luce fuoriuscente, tenere il tutto a mezz'aria, per non far riscaldare il piano d'appoggio dalla luce; deviare la luce uscente dal fondo con uno specchio.
Mettere un recipiente di vetro dentro l'altro in modo da creare una intercapedine di aria ferma; per evitare il contatto tra i 2 recipienti, usare pezzetti di sughero come distanziali.
Posizionare la lampadina a centro acqua, distante da tutte le pareti.
Chiudere con un domopack plastica il sopra recipiente per diminuire raffreddamento da evaporazione; questo ostacola pero' il mescolamento.
Mescolare a sufficenza, senza esagerare, in modo da favorire una temperatura uniforme dell'acqua.
Il termometro deve essere tenuto distante dalla lampadina e perfare la lettura, tenerlo prima in movimento circa 20 sec per fargli misurare una temperatura media-spaziale e non locale.
Alimentare a potenza costante; la nostra scelta e' stata: batteria di automobile.

I dati

Viene rilevata la correlazione dtt<->dt:
- a lampada libera
- a lampada incappucciata

I dati vanno elaborati-analizzati-modellati

Forma:
Nel grafico dtt<->dt si puo' individuare 2 zone di forme diverse:

zona1: iniziale, a pendenza variabile, cioe' andamento curvo, non rettilineo; scostamento dal rettilineo rispetto all'altra
zona2: una zona a seguire, a pendenza costante, cioe' andamento rettilineo

Significato:

zona1: transitorio
zona2: regime

d: Come spiegare la diversita' di comportamento nel transitorio e nel regime? e' necessario dare una spiegazione per proseguire, raggiungere l'obiettivo?
r: no, mi restringo alla zona di regime e valuto i valori in tale zona; pero' lo spirito indagatore di un fisico non rinuncia a una spiegazione
r: quando si accende la lampadina (nel senso che si chiude il circuito), non immediatamente la lampadina si accende (nel senso che produce luce), poiche' il filamento inizia a riscaldarsi e impiega un certo tempo per diventare incandescente, portarsi alla temperatura di funzionamento. Poi si deve riscaldare la lampadina nel suo complesso e stabilire il gradiente termico che trasferisce calore all'acqua, dopodiche' il fenomeno, in confronto a prima, avviene in modo stazionario. Quindi inizialmente l'incremento di temperatura dell'acqua e' inferiore, poiche' rispetto a poi il calore viene apprezzabilmente assorbito dalla lampadina.

d: come si vede dal grafico dtt<->dt, il trasferimento di energia termica all'acqua non e' stato costante in una fase iniziale, anche se il trasferimento di energia elettrica e' costante fin dall'inizio; come mai?
r: per rispondere bisogna analizzare come si stabilisce una condizione di flusso di calore stazionario. ref: calflu

La misura delle frazioni a partire dai dati dtt<->dt

Per calcolare le frazioni bisogna fare rapporti tra le energie riferite alla stessa durata, pero' ...
d: i tempi di osservaz possono essere diversi in modo accidentale, come fare?
r: fisso un intervallo comune, il massimo intervallo, per aver maggior precisione, anche se perdo comunque quella che mi darebbe il considerare tutta l'estensione nel caso del piu' lungo.
C'e' pero' un altro sistema: rifarsi alla pendenza, la cui interpretazione e' la velocita' di crescita della temperatura

      <<<<<<  q prp dtt    <<<<<<     q=p*dt
    *1/dt                      *dt
      >>>>>>  p prp dtt/dt >>>>>>     p=q/dt

la velocita' di crescita della temperatura e' un indice della potenza
          dtt       dt        dtt/dt
          [grC]     [min]     [grC/min]
scoperta  5         14        0,36
 coperta  6,5       14,5      0,45

PQC/PQCL = (dtt/dt)[C] / (dtt/dt)[CL] = 0,36/0,45 = 0,8

Conclusione: 80% energia generata dalla lampadina e' calore, solo il 20% luce.

Correzioni della misura

Correzione della quantita' d'acqua

Negli esperimenti abbiamo usato un becker da 500cc.
Ci siamo fidati dei livelli indicati; abbiamo fatto 4 esperimenti.
Verifica con una bilancia di precisione: i 500cc, secondo l'indicazione del becker, risultavano 518,82g con la bilancia di precisione.
Conclusione: riteniamo l'indicazione di volume errata.

Acqua distillata / acqua di rubinetto: riteniamo lo scarto tra le densita' di massa minore dell'1%.

Perdita di calore per evaporazione

Misurando il peso prima e dopo il riscaldamento, si rileva uno scarto di circa 2,0g in mezz'ora.

m_ini= 518,82 g
m_fin= 516,78 g
dt   = 32'05"
dt_evap = 31'00"

Il regime di evaporazione viene raggiunto, stimando dalla formazione di bollicine, circa 1 minuto dopo l'accensione, dobbiamo togliere questo tempo alla durata di accensione.

Il flusso di massa, da liquido a vapore, e':
flus= m/dt = 2,04g/31'00" = 1,1 mg/s

Il calore latente di vaporizzazione dell'acqua, in condizioni standard di pressione, e': 2,253*10^6 j/kg = 2,253 j/mg

energia= cal_lat_evap * massa
fl_en = cal_lat_evap * fl_mas

= 2,253 watt/(mg/s) * 1,1 mg/s = 2,478 watt = 0,591 calorie/sec

1 caloria = 4,186 joule