Práctica: rendimiento de un hervidor eléctrico

Criterios: 1.2, 2.3, 3.1, 4.1

Objetivo

Medir la energía eléctrica que consume un aparato doméstico y la que llega al agua que calienta, calcular su rendimiento y distinguir en la práctica potencia, energía y rendimiento.

Planteamiento

Antes de empezar, cada grupo escribe su predicción razonada:

1. La etiqueta del hervidor indica su potencia. ¿Basta ese dato para saber cuánta energía consume al calentar el agua? ¿Y para saber cuánta llega al agua?
2. ¿Qué porcentaje de la energía eléctrica creéis que acaba en el agua? ¿Adónde va el resto?

Normas de seguridad específicas

• Agua caliente y vapor: el hervidor se calienta solo 90 s con 1000 g de agua y 45 s con 500 g, para que el agua no pase de unos 60 °C y no se forme vapor. Con 500 g de agua, 90 s la llevarían a unos 80-90 °C: no se alarga nunca el tiempo indicado. Si alguna lectura supera los 60 °C, se espera a que el agua se enfríe antes de seguir. Nunca se abre la tapa con el hervidor encendido; se agarra siempre por el asa y, al abrirla, con el paño, apartando la cara.
• Electricidad: manos secas al enchufar y desenchufar. El hervidor se apaga y se desenchufa del medidor antes de abrir la tapa e introducir la sonda del termómetro. Si se derrama agua sobre la base, el medidor o la mesa, no se toca nada y se avisa al profesorado.
• El medidor de consumo se conecta directamente a la toma de pared, nunca a una regleta con otros aparatos. Se comprueba que admite la potencia del hervidor (16 A × 230 V = 3680 W).
• El hervidor se coloca en el centro de la mesa, con el cable recogido para que no cuelgue ni se pueda enganchar.
• El agua usada se deja enfriar antes de verterla en la pila.

Procedimiento

1. Tarad la balanza con el hervidor vacío y añadid agua del grifo hasta que la balanza marque 1000 g. Anotad la masa exacta.
2. Removed, introducid la sonda del termómetro, esperad a que la lectura se estabilice y anotad T₁. Retirad la sonda y cerrad la tapa.
3. Enchufad el medidor de consumo a la pared y el hervidor al medidor. Uno de los miembros del grupo se encarga del cronómetro; otro, de leer la potencia.
4. Encended el hervidor y el cronómetro a la vez. A los 30 s y a los 60 s anotad la potencia que marca el medidor.
5. A los 90 s exactos, apagad el hervidor. Desenchufadlo del medidor.
6. Abrid la tapa con el paño, removed el agua durante 15 s para igualar la temperatura e introducid la sonda. Anotad la temperatura máxima que alcanza la lectura (T₂).
7. Repetid el procedimiento con 500 g de agua fría del grifo (cuestión 4), pero apagad el hervidor a los 45 s, no a los 90 s: con la mitad de agua, la mitad de tiempo da una subida de temperatura parecida y el agua no pasa de unos 60 °C. Antes de empezar, enjuagad el hervidor con agua fría para que no conserve el calor de la medida anterior.

Tabla de datos

Tratamiento de datos y cuestiones

Dato: capacidad calorífica específica del agua líquida, c = 4,18 × 10³ J kg⁻¹ K⁻¹ (NIST). 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J.

1. Completad la tabla con las unidades del SI y las cifras significativas que permitan vuestras medidas. Calculad el rendimiento de las dos medidas.
2. ¿Adónde va la energía que no llega al agua? ¿Se ha incumplido la conservación de la energía?
3. Estimad la incertidumbre relativa de m, ΔT, t y P (consultad la ficha técnica del medidor). ¿Cuál limita más la precisión del rendimiento? Si otro grupo obtiene un 104 %, ¿qué ha podido pasar?
4. Comparad los rendimientos con 1000 g y con 500 g y explicad la diferencia.
5. Muchas personas llenan el hervidor entero para preparar una sola taza. Calculad la energía que se consume al año por calentar cada día 1,0 L de agua de más desde 15 °C hasta 100 °C con el rendimiento que habéis medido, y estimad las emisiones con el factor medio del sistema eléctrico español que se calcula en el libro (unos 0,10 kg CO₂ eq/kWh en 2024). ¿Qué hábito recomendaríais?
6. ¿Un hervidor de más potencia tiene necesariamente más rendimiento? Justificadlo con vuestras medidas.
7. Comparad los resultados con vuestras predicciones y redactad el informe con la estructura de la unidad 1.

Alternativa virtual

Si no hay hervidor ni medidor disponibles, las transferencias de energía al calentar agua pueden explorarse con la simulación Formas y cambios de energía de PhET (Universidad de Colorado, en español), que representa con «paquetes» de energía cómo pasa la energía de un quemador al agua y al entorno. La simulación es cualitativa: no da potencias ni rendimientos, así que las cuestiones 1 a 5 se resuelven con los datos de ejemplo que facilite el profesorado.

Rúbrica