Jelenség leírása
Mérjük meg, hogyan függ a mikrohullámú sütõben egy pohárban levõ víz melegedésének sebessége a víz mennyiségétõl, a pohár méreteitõl és a forgótányéron elfoglalt helyétõl!
Összeállítás
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 \emph{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.)
Eszközök
hőmérő, mikrohullámú sütő, stopper
Magyarázat
A mérés kivitelezésében a legnagyobb gondot a hõmérsékletmérés jelentette. A hõmérséklet mérésekor ugyanis le kell állítanunk a sütõt, meg kell kevernünk a vizet (hogy az mindenhol ugyanolyan hõmérsékletû legyen), és minél gyorsabban le kell olvassuk a hõmérõ által mutatott értéket, ha el akarjuk kerülni a jelentõs hõveszteséget. A kevergetés okozta idõveszteséget Juhász Anikó (Eger, Gárdonyi G. Ciszt. Gimn., 11. évf.) úgy tudta elkerülni, hogy kis fémkanalat tett a pohárba. A fém jó hõvezetõ, ezért (ellentétben az elterjedt közhiedelemmel, miszerint ,,a mikrohullámú sütõbe semmiféle fémtárgyat nem szabad tenni'') ajánlatos folyadék melegítésekor egy fémkanalat is belerakni az edénybe!!\footnote!!Más fémdarabokat, huzalokat a készülékbe tenni, vagy a berendezést a használati utasítástól eltérõ módon üzemeltetni nem szabad!. 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 - ,,elõmelegített'' hõmérõt használtak: egy olyan edényben tárolták a hõmérõt, amelyben a mérés várható eredményének megfelelõ (ahhoz közeli) hõmérsékletû víz volt.
Kézenfekvõ gondolat, hogy a vizet egészen a forrásig melegítjük, és az addig eltelt idõt mérjük. A zubogó forrás jelensége a védõrácson keresztül is észrevehetõ, ily módon tehát elkerülhetõ a folyamatos hõmérõzés, ajtónyitogatás, hõveszteség. Orosz Gergõ (Miskolc, Földes F. Gimn., 12. évf.) mérési eredményei alapján megállapította, hogy a forrás beindulásához szükséges idõ egyenesen arányos a víz mennyiségével. A ,,felforralós módszernek'' azonban van egy buktatója. A forrás megindulásához parányi gõzbuborékokra is szükség van, s ezek a mikrohullámú sütõben melegített víz esetében sokkal nehezebben alakulnak ki, mint pl. a gázlángon, fémlábosban forrósított víznél. A ,,mikróban'' történõ melegítésnél az edény általában hidegebb, mint a folyadék, ezért a víz hõmérséklete forrás nélkül 100 oC fölé is emelkedhet, majd az erõsen túlhevített víz hirtelen, szinte robbanásszerûen kezd el forrni; ezt pedig nyilván célszerû elkerülni!
A versenyzõk többféle mérõeszközt használtak: higanyos hõmérõt, alkoholos hõmérõt, elektromos hõmérõt, sõt, még infravörös sugárzást érzékelõ berendezést is. Geresdi Attila megpróbált egy elektromos hõmérõt a mikrohullámú sütõben tartani, de azt tapasztalta, hogy a vezeték és a sütõ 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 mérõeszközt: egy alkoholos hõmérõt rögzített a pohárhoz, ,,hogy az forgás közben ne boruljon ki'', de az ajtó nyitogatását õ sem tudta elkerülni.
Vigh Máté arra a következtetésre jutott, hogy csak olyan hõmérséklettartományban érdemes a változás sebességét mérni, amelyben az ,,jó közelítéssel'' állandó. Elõször megvizsgálta a hõmérséklet idõbeli változását, és azt tapasztalta, hogy az 50 oC és 80 oC között jó közelítéssel lineáris; ezért további méréseit ebben a tartományban végezte.
Biró István megfigyelte, hogy a mikrohullámú sütõ csak a legnagyobb teljesítményfokozatnál mûködik 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 hatványkitevõ hibáját nem adta meg), tehát jó közelítéssel fordítottan arányos a vízmennyiséggel.
A pohár méreteitõl és helyétõl való függés nem ilyen egyértelmû. Többen jutottak arra az eredményre, hogy a mérési hibán belül a melegedési sebesség független a pohár méreteitõl. Néhányan valamilyen gyenge függést véltek felfedezni a melegedés sebessége és a pohár átmérõje között, de ennek megbízható igazolásához több és pontosabb mérésre lett volna szükség.
Hasonló a helyzet a pohárnak a forgótányéron elfoglalt helyével is. úgy tûnik, hogy a melegedési sebesség sokkal inkább függ a készülék márkájától, mint a pohár helyzetétõl. Ahány sütõ, 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 sütõ teljesítményét, hanem 6, illetve 12 cm-rel magasabban is. Módszere ötletes és ugyanakkor nagyon egyszerû volt. Egy üveglapot vékonyan bekent margarinnal (egy kockamargarint húzott végig az üveg felületén), majd az üveglapot bizonyos magasságban a forgótányérjától ,,megfosztott'' sütõbe helyezte. Melegítés hatására a margarin foltokban megolvadt, az üveglap átlátszóvá vált és szemmel láthatóan ,,kirajzolta'' a különbözõ hõmérsékletû tartományokat. Megfigyelései szerint az üveglap mellé helyezett tárgyak (pl. edények) erõsen befolyásolták a mintázatok alakját és elhelyezkedését. A sütõ ,,egyenletessége'' tehát erõsen edény- és ételfüggõ!
A mérési hibák nagyságrendjét a hõmérsékletmérés, annak is elsõsorban a szisztematikus része (a hõmérõ hõkapacitása, ajtónyitogatás stb.) határozza meg. Ezek mellett az idõmérés és a térfogatmérés hibája elhanyagolható. Vigh Máté például a digitális hõmérõ mérési pontosságát és a térfogatmérés hibáját is 0,5 százalékra becsülte. A kezdeti hõmérséklet beállításánal elkövetett hibára 2%-os, a végsõ hõmérséklet mérésénél elkövethetõ hibákra és egyes véletlenszerû 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.
