Feladat: 231. fizika mérési feladat Korcsoport: - Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Biró István ,  Coc Károly ,  Dányi-Nagy Márió ,  Geresdi Attila ,  Juhász Anikó ,  Kiss Imre ,  Mózer Tamás ,  Orosz Gergő ,  Rárósi Ferenc ,  Sikó Lóránt ,  Soós Gábor ,  Soós Péter ,  Szilágyi Péter ,  Vigh Máté 
Füzet: 2002/május, 309 - 312. oldal  PDF file
Témakör(ök): Hőtani mérés, Mérési feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2002/február: 231. fizika mérési feladat

Mérjük meg, hogyan függ a mikrohullámú sütőben egy pohárban levő víz melegedésének sebessége a víz mennyiségétől, a pohár méreteitől és a forgótányéron elfoglalt helyétől!

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

A feladat egy pohár víz felmelegedési sebességének, azaz a hőmérsékletváltozás gyorsaságának vizsgálatát kérte a rendszerre jellemző adatok függvényében. A mérést elvégzők többsége megmérte ugyan a hőmérséklet időbeli alakulását, grafikonon ábrázolta is azt, de nem következtetett a hőmérséklet változási sebességére, pedig ez lett volna a tulajdonképpeni feladat. (A fizikai mérések lényeges része az adatok elemzése, kiértékelése. A mérést végző általában nagyon sok, a kívülálló számára nehezen áttekinthető mérési adatot kap. Ezekből neki kell ,,kibogarásznia'' a vizsgált jelenségre leginkább jellemző mennyiségeket, hogy ezeket tömör, áttekinthető formában a többiekkel is közölhesse.)
A víz hőmérsékletének változási sebességét mindössze a következő 7 versenyző határozta meg: Biró István (Marosvásárhely, Bolyai F. Líceum, 11. évf.), Coc Károly (Marosvásárhely, Bolyai F. Líceum, 11. évf.), Geresdi Attila (Pécs, Árpád Fejedelem Gimn., 12. évf.), Mózer Tamás (Hévíz, Bibó I. Gimn., 10. évf.), Rárósi Ferenc (Hódmezővásárhely, Bethlen G. Ref. Gimn., 11. évf.), Sikó Lóránt (Kecskemét, Bányai J. Gimn., 9. évf.) és Vigh Máté (Pécs, PTE Babits M. Gyak. Gimn., 10. évf.).
A mérés kivitelezésében a legnagyobb gondot a hőmérsékletmérés jelentette. A hőmérséklet mérésekor ugyanis le kell állítanunk a sütőt, meg kell kevernünk a vizet (hogy az mindenhol ugyanolyan hőmérsékletű legyen), és minél gyorsabban le kell olvassuk a hőmérő által mutatott értéket, ha el akarjuk kerülni a jelentős hőveszteséget. A kevergetés okozta időveszteséget Juhász Anikó (Eger, Gárdonyi G. Ciszt. Gimn., 11. évf.) úgy tudta elkerülni, hogy kis fémkanalat tett a pohárba. A fém jó hővezető, ezért (ellentétben az elterjedt közhiedelemmel, miszerint ,,a mikrohullámú sütőbe semmiféle fémtárgyat nem szabad tenni'') ajánlatos folyadék melegítésekor egy fémkanalat is belerakni az edénybe*. Igaz ugyan, hogy ekkor nem csak a víz, hanem a víz és a kanál együttes felmelegedésének sebességét mérjük, ‐ de bizonyos összehasonlítások megtételére ez is alkalmas. Többen ‐ nagyon helyesen ‐ ,,előmelegített'' hőmérőt használtak: egy olyan edényben tárolták a hőmérőt, amelyben a mérés várható eredményének megfelelő (ahhoz közeli) hőmérsékletű víz volt.
Kézenfekvő gondolat, hogy a vizet egészen a forrásig melegítjük, és az addig eltelt időt mérjük. A zubogó forrás jelensége a védőrácson keresztül is észrevehető, ily módon tehát elkerülhető a folyamatos hőmérőzés, ajtónyitogatás, hőveszteség. Orosz Gergő (Miskolc, Földes F. Gimn., 12. évf.) mérési eredményei alapján megállapította, hogy a forrás beindulásához szükséges idő egyenesen arányos a víz mennyiségével. A ,,felforralós módszernek'' azonban van egy buktatója. A forrás megindulásához parányi gőzbuborékokra is szükség van, s ezek a mikrohullámú sütőben melegített víz esetében sokkal nehezebben alakulnak ki, mint pl. a gázlángon, fémlábosban forrósított víznél. A ,,mikróban'' történő melegítésnél az edény általában hidegebb, mint a folyadék, ezért a víz hőmérséklete forrás nélkül 100C fölé is emelkedhet, majd az erősen túlhevített víz hirtelen, szinte robbanásszerűen kezd el forrni; ezt pedig nyilván célszerű elkerülni!
A versenyzők többféle mérőeszközt használtak: higanyos hőmérőt, alkoholos hőmérőt, elektromos hőmérőt, sőt, még infravörös sugárzást érzékelő berendezést is. Geresdi Attila megpróbált egy elektromos hőmérőt a mikrohullámú sütőben tartani, de azt tapasztalta, hogy a vezeték és a sütő fala között több centiméteres szikrák húztak át, amelyek még a vezeték szigetelését is leégették (!), ‐ így maradt az ,,ajtónyitogatás''. Csak Coc Károlynak sikerült ,,belül'' tartani a mérőeszközt: egy alkoholos hőmérőt rögzített a pohárhoz, ,,hogy az forgás közben ne boruljon ki'', de az ajtó nyitogatását ő sem tudta elkerülni.
Vigh Máté arra a következtetésre jutott, hogy csak olyan hőmérséklettartományban érdemes a változás sebességét mérni, amelyben az ,,jó közelítéssel'' állandó. Először megvizsgálta a hőmérséklet időbeli változását, és azt tapasztalta, hogy az 50C és 80C között jó közelítéssel lineáris; ezért további méréseit ebben a tartományban végezte.
Biró István megfigyelte, hogy a mikrohullámú sütő csak a legnagyobb teljesítményfokozatnál működik folyamatosan, az alacsonyabb teljesítményértékek- nél meg-megszakítja a melegítést. Ezért kénytelen volt a kísérletet egyetlen (800 W-os) fokozatban elvégezni, ‐ hiába szóltak egyéb érvek a lassabb melegítés mellett.
A mérési eredmények minden esetben azt mutatják, hogy a melegedés sebessége a víz mennyiségének növelésével csökken. Szemléltesse ezt Vigh Máté mérési adatait bemutató grafikon. Coc Károly megállapítása szerint a melegedés sebessége a víztömeg -0,94-edik hatványával arányos (sajnos a hatványkitevő hibáját nem adta meg), tehát jó közelítéssel fordítottan arányos a vízmennyiséggel.

 
 

A pohár méreteitől és helyétől való függés nem ilyen egyértelmű. Többen jutottak arra az eredményre, hogy a mérési hibán belül a melegedési sebesség független a pohár méreteitől. Néhányan valamilyen gyenge függést véltek felfedezni a melegedés sebessége és a pohár átmérője között, de ennek megbízható igazolásához több és pontosabb mérésre lett volna szükség.
Hasonló a helyzet a pohárnak a forgótányéron elfoglalt helyével is. úgy tűnik, hogy a melegedési sebesség sokkal inkább függ a készülék márkájától, mint a pohár helyzetétől. Ahány sütő, annyiféle eredmény született. Van olyan készülék, amelyik a tányér középpontjában melegít a leggyorsabban, van amelyik a szélén, és van olyan is, amelyik a tányér sugarának kb. a felénél. Soós Gábor (Kiskunhalas, Bibó I. Gimn., 11. évf.) nemcsak a forgótányér síkjában térképezte fel a mikrohullámú sütő teljesítményét, hanem 6, illetve 12 cm-rel magasabban is. Módszere ötletes és ugyanakkor nagyon egyszerű volt. Egy üveglapot vékonyan bekent margarinnal (egy kockamargarint húzott végig az üveg felületén), majd az üveglapot bizonyos magasságban a forgótányérjától ,,megfosztott'' sütőbe helyezte. Melegítés hatására a margarin foltokban megolvadt, az üveglap átlátszóvá vált és szemmel láthatóan ,,kirajzolta'' a különböző hőmérsékletű tartományokat. Megfigyelései szerint az üveglap mellé helyezett tárgyak (pl. edények) erősen befolyásolták a mintázatok alakját és elhelyezkedését. A sütő ,,egyenletessége'' tehát erősen edény- és ételfüggő!
A mérési hibák nagyságrendjét a hőmérsékletmérés, annak is elsősorban a szisztematikus része (a hőmérő hőkapacitása, ajtónyitogatás stb.) határozza meg. Ezek mellett az időmérés és a térfogatmérés hibája elhanyagolható. Vigh Máté például a digitális hőmérő mérési pontosságát és a térfogatmérés hibáját is 0,5 százalékra becsülte. A kezdeti hőmérséklet beállításánal elkövetett hibára 2%-os, a végső hőmérséklet mérésénél elkövethető hibákra és egyes véletlenszerű események zavaró hatására ugyancsak 2‐2 százalékos becslést adott. Mindezek összegeként a mérésének pontosságát 6‐7%-osnak tekintette, és ezt alátámasztotta a ténylegesen mért adatok 4‐5%-os szórása.
*Más fémdarabokat, huzalokat a készülékbe tenni, vagy a berendezést a használati utasítástól eltérő módon üzemeltetni nem szabad!