Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2005/11. 400.o.

A FIZIKA ORSZÁGOS KÖZÉPISKOLAI TANULMÁNYI
VERSENY HARMADIK FORDULÓJA
A HARMADIK KATEGÓRIA RÉSZÉRE - 2005

Vannay László, Fülöp Ferenc, Máthé József, Nagy Tamás
Budapesti Muszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Fizikai Intézet, Kísérleti Fizika Tanszék

A fizika Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny - a korábbi évekhezhasonlóan - ebben azévben is három kategóriában került megrendezésre. Külön-külön csoportban versenyeztek a szakiskolák tanulói, az általános, valamint az emelt szintű fizikaoktatásban részesülő diákok. Mind a három csoport részére három fordulóból állt a verseny. Azelső két forduló során elméleti problémákat kellett megoldaniuk a versenyzőknek, míg a harmadik fordulóban mérési feladatokkal kellett megbirkózniuk. A harmadik fordulóban azelső két forduló legjobbjai mérték össze tudásukat és ügyességüket.

A BME Fizikai Intézet az emelt szintű fizikaoktatásban részesülő diákok (harmadik kategória) versenyének harmadik fordulóját rendezte. A versenynek ebben a fordulójában tizenkilenc fiatal vett részt. Közleményünkben, erről a versenyről számolunk be. Dolgozatunkban bemutatjuk a versenyforduló kezdetekor kiadott írásos anyagot úgy, ahogy a versenyzők megkapták. Ennek az anyagnak a segítségével akartuk megismertetni a versenyzőket a megoldandó feladattal és a feladat megoldásáhozrendelkez ésükre álló eszközökkel. A kiadott írásos anyagok bemutatása után vázoljuk a kitűzött feladatok megoldásának módját, majd beszámolunk a verseny közben és az értékelés során szerzett tapasztalatokról és a versenyzők eredményeiről, végül köszönetet mondunk mindazoknak, akik közreműködtek a verseny előkészítésében vagy lebonyolításában.

A versenyzők részére kiadott írásos anyag

Jelenleg az emberiség energiaigényét zömmel fosszilis energiahordozók (olaj, földgáz és szén) elégetésével elégítjük ki. A fosszilis energiahordozók felhasználásával kapcsolatban egyre növekvő problémát jelent a készletek véges mivolta és azelégetésükkel járó káros környezeti hatások. A levegőbe jutó égéstermékek szennyezik a levegőt (allergiát, daganatos betegségeket stb. okozva), a keletkező szén-dioxid pedig üvegházhatást hoz létre, ami a légkör melegedését eredményezi.

Az energiagazdálkodás eddigi gyakorlata huzamosabb ideig tovább nem folytatható. Azener giaigények kielégítése hosszabb távon csak környezetbarát szemlélettel képzelhető el, ami energiatakarékossággal és a megújuló energiaforrások egyre fokozottabb felhasználásával kell, hogy együtt járjon.

A megújuló energiaforrások alkalmazása a Föld természetes energiaegyensúlyát nem változtatja meg. A megújuló energiaforrások a napsugárzás közvetett vagy közvetlen hasznosítását és a talajhő felhasználását jelentik. A napenergia közvetett felhasználása a víz-, a szél-, a biomassza- energia hasznosítása, a közvetlen hasznosítás pedig a napelemek és a napkollektorok segítségével lehetséges. A jelenlegi verseny a napkollektorral való ismerkedést szolgálja.

1. ábra

A feladatok

  1. Határozza meg, hogy hogyan függ a reflektorral megvilágított napkollektormodellből kivehető teljesítmény a rendszerben keringő víz adott rotaméterrel mérhető áramerősségétől! Mérési eredményeit tüntesse fel grafikonon! Fűzzön magyarázatot a kapott eredményekhez! A mérés elvégzéséhez a kollektortól 30 cm-re, a kollektor közepével szembe helyezze el a Napot helyettesítő reflektort!
  2. A rendelkezésére álló eszközökkel, mérés segítségével határozza meg, hogy a lámpa sugárzásából mekkora teljesítményt nyel el egy 15×20×0,05 cm méretű, feketére festett vörösrézlemez , ha aza lámpával szemben, attól 30 cm-re helyezkedik el!
  3. Mérési eredményei alapján adjon közelítő értéket arra vonatkozóan, hogy a napkollektor milyen hatásfokkal hasznosítja az elnyelt sugárzási energiát, különböző vízáram-erősségek mellett! Sorolja fel, hogy véleménye szerint milyen tényezők hatását nem tudta figyelembe venni a hatásfok megállapításánál! Hogyan módosítják ezek a tényezők a hatásfokot?
  4. Munkájáról készítsen olyan részletes jegyzőkönyvet, hogy segítségével egyértelműen megismételhető legyen az Ön által végzett mérés!

A mérőhelyen található eszközök és anyagok

  1. A kollektormodell a csatlakozó rendszerrel (részletes ismertetését lásd később)
  2. Halogén reflektor (500 W) állvánnyal
  3. Digitális hőmérő váltókapcsolóval
  4. 2 db 15×20 cm-es, 0,5 mm vastag rézlemez a két oldalán feketére festve, az egyik oldalára forrasztott termoelemmel (a termoelemről bővebben később)
  5. Termosztát jéggel (a termoelem "nullpontjához")
  6. 3 db HAMEG gyártmányú, HM 8011-3 típusú digitális multiméter (használati utasítás a mérőhelyen)
  7. ST 255 típusú egyenáramú tápegység (0-5 A-ig terhelhető, 0-25 V változtatható feszültséggel, használati utasítás a mérőhelyen)
  8. Fűtőtest nyomtatott áramköri lapon, csatlakozó vezetékekkel
  9. 15×20 cm-es "üres" nyomtatott áramköri lemez
  10. Bunsen-állvány dióval és fogóval
  11. 4 db csipesz
  12. Cső (20 cm hosszú)
  13. Műanyag vonalzó
  14. Cérna
  15. Hőmérő

1. táblázat

A vízáram erőssége (cm3/min) különböző hőmérsékleten
Jelölés a rotaméteren10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C
20 7,21 10,36 13,28 15,84 18,07 20,00
40 19,13 24,88 29,74 33,80 37,18 40,00
60 33,86 41,49 47,65 52,62 56,67 60,00
80 49,80 58,95 66,11 71,76 76,30 80,00
100 66,32 76,73 84,74 90,97 95,95 100,00
120 82,96 94,56 103,37 110,20 115,61 120,00
140 99,80 112,50 122,06 129,43 135,27 140,00
160 117,47 131,01 141,12 148,89 155,03 160,00
180 135,09 149,48 160,16 168,33 174,78 180,00
200 152,67 167,90 179,15 187,75 194,52 200,00

2. táblázat

A víz surusége (kg/m3) különböző hőmérsékleten

10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C

999,73 998,23 995,68 992,25 988,07 983,24

A kollektormodell és a hozzá csatlakozó rendszer felépítése

A napkollektor feladata, hogy a Napból érkező sugárzás minél nagyobb hányadát elnyelje, és az elnyelt energia segítségével melegítse a rendszerben keringő folyadékot. A versenyen alkalmazott kollektormodell fontos eleme egy 1,5 mm vastag rézlemez, amelynek az egyik oldalára rézcsőkígyót forrasztottunk, a másik oldalát matt fekete festékkel festettük be, hogy a reá érkező sugárzás minél nagyobb hányadát nyelje el. A hőveszteségek csökkentése érdekében a lemezt és a csőkígyót hátul és oldalt 20 mm-es hungarocell hőszigetelés veszi körül. A modellt és a hozzá csatlakozó rendszer vázlatát az 1. ábra mutatja.

2. ábra

A rendszerben lévő víz keringtetését egy akváriumszivattyú végzi. A vízáram erősségének mérésére egy rotaméter, és az áramerősség változtatására egy szabályozó szelep található a körben. A rotaméterről a vízáram erőssége cm3/perc egységekben olvasható le. (A beállított áram értéke az "úszó" felső pereménél olvasható le.) A rotaméter hitelesítése 60 °C-os vízzel történt, ennek felel meg a rotaméteren látható skála. Az ettől eltérő hőmérsékletű vízre vonatkozó adatok az 1. és 2. táblázatból határozhatók meg. A rendszer zavartalan működésének feltétele a jó légtelenítés!

A kollektorba be-, illetve azonnan kilépő víz hőmérsékletét két termisztor (hőmérsékletfüggő ellenállás) méri (az ábrán T-vel jelölve). A termisztorok egy váltókapcsolón keresztül felváltva csatlakoztathatók a digitális kijelző műszerhez, amelyről 0,1 °C pontossággal olvasható le a hőmérséklet. A kollektorban felmelegedett víz a csapvízzel hűtött hőcserélőben adja le energiáját.

A termoelem és használata

A termoelemek működése a két különböző anyagú fém érintkezésénél tapasztalható "kontaktpotenciál"-on alapul. A kontaktpotenciál az érintkező fémek anyagától és a hőmérséklettől függ. A versenyen réz-isotán termoelemet használunk, a 2. ábrán látható kapcsolásban. A réz-isotán átmenetek közül az egyiket T0, a másikat Tx hőmérsékleten tartva a millivoltmérő műszer a két hőmérséklet különbségével arányos feszültséget mér. Ha T0 ismert hőmérséklet (jelenleg azolvadó jég segítségével előállított 0 °C), a Tx hőmérséklet a mért feszültség ismeretében meghatározható. A termoelem hitelesítésekor megállapítottuk, hogy az elem által szolgáltatott feszültség 39,6 µV/°C. Megjegyezzük, hogy esetünkben a termoelem és a vörösrézlemez közötti jó termikus kapcsolat érdekében a termoelem egyik elemét - huzal helyett - a vizsgált lemez képezi.

Megjegyzések

  1. A feladatok megoldásához 4 óra áll rendelkezésére.
  2. Ha a kiadott műszerek használatával kapcsolatban problémái jelentkeznek, forduljon a felügyelő tanárokhoz.
  3. Ha munkája közben rendellenességet tapasztal, azonnal jelentse a felügyelő tanároknak.
  4. Ha légtelenítési hibát tapasztal, szóljon a felügyelőknek.
  5. Tartsa be a balesetvédelmi előírásokat! Vigyázzon saját magára és az eszközök épségére!
Különös gonddal figyeljen arra, hogy

3. ábra

A feladat megoldása

A kollektor közepével szemben, 30 cm-re helyeztük el, a kollektorra merőlegesen sugárzó lámpát. (Vizsgálataink szerint a lámpa tükröző felülete előtt lévő vonalizzó a kollektor felületére közel egyenletesen sugárzott.) A rendszerben keringő víz áramlási sebességét a rotaméterrel mértük, és a különböző értékeket a szabályozó szeleppel állítottuk be. A rotaméter skálájáról leolvasott értékeket a kollektorba belépő vízhőmérsékletének figyelembevételével a megadott táblázat segítségével, interpolálással korrigáltuk. A kollektorba belépő és az onnan kilépő vízhőmérsékletét a digitális kijelzésű hőmérőről olvastuk le, a sebességváltoztatások alkalmával az állandósult állapot beállta után. (Azállandósult állapot 15-20 perc alatt alakult ki.) A hőcserélőben lévő vízhőmérsékletét 0,1 °C beosztású higanyos hőmérővel mértük.

A kollektorból kivehető teljesítményt a

összefüggésből határoztuk meg, ahol c a vízfajhője, m a idő - esetünkben 60 s - alatt átáramló víztömege és a vízhőmérsékletének változása, a be-, illetve kilépő vízhőmérsékletének különbsége.

15 °C-os hűtővízés 25 °C-os környezeti hőmérséklet mellett a mért adatokat és a belőlük számított teljesítményeket a 3. táblázatban tüntetjük fel. A táblázatban szereplő adatok felhasználásával készült a 3. ábra grafikonja.

A grafikonról jól látszik, hogy alacsony áramlási sebességnél, ahol a kollektor erősen felmelegszik, a környezet felé leadott hőmennyiség nagy, a nagy veszteség miatt kicsi a kivehető teljesítmény. Nagyobb áramlási sebesség mellett kisebb a kollektor felülete és a környezet közötti hőmérséklet- különbség, ezért kisebb a veszteség és nagyobb a rendszerből kivehető teljesítmény, nagyobb a hatásfok.

A modellből kivehető legnagyobb teljesítmény 141 W-ra becsülhető.

Azt, hogy a lámpa sugárzásából mekkora teljesítményt nyel el a modell, a 15×20×0,05 cm méretű, két oldalán a kollektorral azonos felületi kiképzésű, feketére festett vörösrézlemezfelhasz nálásával határoztuk meg.

A lámpával szemben, a kollektormodell helyére elhelyeztünk egy ilyen lemezt. Ez a lemez feltehetően negyedakkora teljesítményt nyelt el a lámpa sugárzásából, mint a modell. A sugárzásnak kitett lemez kezdetben folyamatosan melegszik. A melegedés addig tart, míg az elnyelt teljesítmény egyenlő nem lesza lemezkét oldalán a környezetnek átadott teljesítménnyel. Ekkor éri el a lemezhőmérséklete a legnagyobb értéket. A lemezre forrasztott termoelem ekkor adja a legnagyobb feszültséget. Ezt a feszültséget mértük és megjegyeztük. (A legnagyobb feszültség ismeretében meghatározhatnánk a lemez maximális hőmérsékletét, de erre nincs szükség.)

Az előbbi lemezből két darabot véve, egy nyomtatott áramköri lapon kimaratott fűtőtest és egy "üres" nyomtatott áramköri lap felhasználásával egy szimmetrikus elrendezésű szendvicsszerkezetet hoztunk létre. A szerkezetben középen helyezkedett el a fűtőtest és ennek két oldalán egy-egy "üres" nyomtatott áramköri lemez és rézlemez. A fűtőtest teljesítményét változtatva a két lemezt úgy fűtöttük fel, hogy állandósult állapotban a külső felület hőmérséklete megegyezzen a lámpával történt besugárzáskor tapasztalt legnagyobb értékkel. Ennek az állapotnak a beálltát a felületre forrasztott termoelem feszültségének mérésével határoztuk meg.

Az állandósult állapotban a fűtőtest teljesítménye a két külső felületen a környezetnek adódik át ugyanúgy, mint a lámpával történő besugárzáskor az elnyelt teljesítmény. Azt mondhatjuk, hogy az azonos körülmények között kialakult állandósult állapotokban a fűtőtest teljesítménye és a besugárzáskor elnyelt teljesítmény nagysága megegyezik.

A leírtak szerint eljárva a lemez által elnyelt teljesítményt 51 W-nak (23,5 V és 2,17 A) mértük. Mivel a vizsgálatnak ebben a részében alkalmazott lemez felülete a kollektormodell felületének a negyede volt, azt mondhatjuk, hogy az alkalmazott kollektor 204 W teljesítményt nyelt el a lámpa sugárzásából.

A kapott mérési eredmények alapján megállapítható, hogy a modellben áramló víz alacsony áramlási sebessége mellett a kollektor hatásfoka 68,6%. Megjegyezzük, hogy egy működő kollektor "jellemző hatásfoka" közel 60%, míg optimális esetben a hatásfok megközelíti a 80%-ot.

A versennyel kapcsolatos megjegyzések és az eredmények

A harmadik fordulóra behívott 20 versenyző közül 10 diáknak volt az addigi teljesítménye alapján maximális 300 pontja. Az eddig szerzett legalacsonyabb pontszám is 260 volt. Az első két forduló nem tudott különbséget tenni a versenyzők között, "nem húzta szét eléggé a mezőnyt". Így a végső sorrend kialakítása a mérési fordulón történt.

A feladat meghatározásakor úgy gondoltuk, hogy az első részt - a modellből kivehető teljesítmény kimérését - a versenyzők zöme sikeresen megoldja. Egy teljesen beállított rendszerben a víz keringési sebességét kellett változtatni, és digitális kijelzésű műszerről két hőmérséklet leolvasásával a feladat megoldható volt. Meglepetéssel vettük észre, hogy többen már ezzel a feladattal sem tudtak megbirkózni. Örömmel tapasztaltuk viszont, hogy többen helyesen, jó elgondolással igyekeztek megoldani a feladat második - véleményünk szerint - nehezebb részét.

A mérésekről készült jegyzőkönyvek nehezen értelmezhetők, a számítási lépések nehezen követhetők voltak. A kapott eredmények értelmezése rendszerint elmaradt. Érdekes, hogy egyesek a grafikonokon feltüntetett mérési pontokra minden áron egyenest illesztenek.

A verseny harmadik fordulóján megjelent 19 versenyző pontszáma 200 és 18 között változott, jelezve az egymástól nagyon eltérő teljesítményeket. Az összesített eredmények alapján a verseny első 10 helyezettje:

  1. VARJAS DÁNIEL a dunaújvárosi Széchenyi István Gimnázium diákja 500 ponttal
  2. KÓMÁR PÉTER, Budapest, Fazekas Mihály Fővárosi Gyakorló Gimnázium, 483
  3. PÁLINKÁS CSABA, Szolnok, Verseghy Ferenc Gimnázium, 480
4. Halász Gábor (Budapest, ELTE Radnóti M. Gyakorlóiskola, 476), 5. Kiss Péter (Budapest, ELTE Apáczai Csere J. Gyak. Gimn., 459), 6. Incze Attila (Szeged, Radnóti Miklós Kísérleti Gimn., 451), 7. Stippinger Marcel (Sopron, Széchenyi I. Gimn., 434), 8. Bazsó Gábor (Szolnok, Verseghy F. Gimn., 411), 9. Kis Gergely (Budapest, Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., 402), 10. Ferenczy Máté (Budapest, Fazekas M. Főv. Gyak. Gimn., 383)

Köszönetnyilvánítás

A verseny lebonyolításához szükséges anyagi hátteret részben az Országos Közoktatási Értékelési és Vizsgaközpont biztosította. Ezt ezúton is köszönjük.

A verseny lebonyolításához szükséges - igen munkaigényes - eszközök esztétikus kivitelezéséért Horváth Bélának és Halász Tibornak, a megfelelő körülmények megteremtéséért Kovács Ferencnének, Gál Bélánénak és Mezey Miklósnak mondunk köszönetet. Reméljük, hogy munkájuk eredményeként a versenyzők jól érezték magukat a verseny alatt. A feladat kituzésével, a verseny lebonyolításával kapcsolatos hasznos tanácsaiért Tóth Andrásnak és Kálmán Péternek mondunk köszönetet.

A versennyel kapcsolatos adminisztrációs és gazdasági ügyek intézéséért Köves Endrénét és Gál Bélánét illeti köszönet. Elismerés és köszönet illeti mindazokat (szülőket, tanárokat, barátokat stb.), akik segítették a versenyzők munkáját, és ezzel hozzájárultak a verseny sikeréhez.