Кожен з нас досить часто користується чайником або звичайним, або електричним, щоб довести воду до кипіння. Це необхідно для приготування двох чудових напоїв: чаю і кави. Однак не вся електрична енергія, якщо чайник - електричний, або енергія палаючого газу, якщо чайник - звичайний, йде на нагрівання води. Кожен раз, коли ми, готуючи окріп, гріємо воду, разом з нею нагрівається і сам чайник, а також і повітря на кухні. При цьому виникає питання: скільки краще наливати води? Якщо води налити трохи, то, з одного боку, вона швидко закипить, і втрати теплоти на нагрівання повітря на кухні буде найбільш невеликими. Але, з іншого боку, на нагрівання самого чайника піде майже стільки ж енергії, скільки і на нагрівання води. Якщо води налити багато, то енергія, витрачена на нагрівання чайника, буде незначною, але при цьому чайник буде нагріватися довго і, отже, набагато більше енергії буде передано навколишньому середовищу. Давайте спробуємо розібратися і визначити оптимальну кількість води, при якому відношення втрат тепла до корисної праці з виробництва окропу за допомогою електричного чайника буде мінімально.
При проведенні розрахунків будемо вважати, що вода, що нагрівається в чайнику, має кімнатну температуру, а виділення тепла нагрівальним елементом чайника в одиницю часу незмінно і одно, відповідно, потужності, зазначеної виробником електричного чайника.
Для визначення оптимального коефіцієнта корисної дії можна провести експериментальне дослідження, скориставшись електричним чайником з потужністю нагрівального елементу Потужність 2400 Вт і об'ємом 1.5 л. Корисна робота по виробництву окропу дорівнює кількості теплоти, необхідного для нагрівання води від кімнатної температури до температури кипіння води (100 0 С):
де - теплоємність води, - маса води, що нагрівається, - температура кипіння води, - початкова температура води перед нагріванням (25 0 С).
Виділяється нагрівальним елементом кількість теплоти визначається формулою:
де - потужність нагрівального елементу, - час закипання води. Тоді коефіцієнт корисної дії електричного чайника визначається співвідношенням:
а втрати енергії:
За допомогою секундоміра робимо вимірювання часу закипання води різної маси, а результати заносимо в таблицю:
З таблиці видно, що мінімальні втрати енергії для використовуваного в експерименті чайника будуть, якщо нагрівати 1-1,25 кг води, а максимальні втрати будуть, якщо нагрівати 0,25 кг води. Таким чином, різниця між максимальними та мінімальними втратами становить 161,3 кДж / кг. З огляду на, що в середньому чайник використовується 2-3 рази в день, за рік втрати енергії будуть 176,6 МДж, або 49 кВт / год. Сама по собі економія вийшла невеликою, але якщо звести до мінімуму всі непотрібні втрати енергії, наприклад, вимикаючи невикористовувані освітлювальні прилади і т.д. то ефект вийде цілком відчутним, особливо якщо порахувати економію електроенергії в межах міста Москви: 150000000 кВт / год.
За запропонованим методом ми пропонуємо вам вирішити задачу.
Проведіть експериментальне дослідження і визначте оптимальну кількість води, яке потрібно наливати в ваш чайник, щоб мінімізувати теплові втрати.