Чему равен коэффициент полезного действия чайника

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КПД ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЧАЙНИКОВ

,

11 класс;

ФГКОУ «Екатеринбургское суворовское военное училище» Министерства обороны Российской Федерации, г. Екатеринбург,

Руководитель: , преподаватель физики,

ФГКОУ «Екатеринбургское суворовское военное училище» Министерства обороны Российской Федерации, г. Екатеринбург,

e-mail: levchuk. *****@***ru

20 января 2015 года, в штаб-квартире ЮНЕСКО в Париже было официально объявлено о старте Международного года света и световых технологий. Одной из задач является ознакомление с возможностями энергосбережения. Рыночная экономика привела к невероятному изобилию товаров в нашей стране, в частности, электрических чайников. Производители предлагают широкий спектр этих устройств: различных по размеру, форме, цвету, мощности. Выбрать себе подходящий не так уж и просто.

В наше время не многие люди задумываются о том, насколько им нужен электрочайник. Этот бытовой прибор внес элемент комфорта в нашу обыденную жизнь: достаточно нажать на «кнопку» и чайник сам проконтролирует процесс нагревания и закипания воды. И если задуматься о том, сколько времени чайник находится в «рабочем» состоянии, то за год эта цифра становится колоссальной.

Возникает вопрос: как эффективнее использовать электрические чайники, а значит, как можно сэкономить электроэнергию, не отказываясь от повседневных привычек? Получить ответы на поставленные вопросы мы решили в ходе выполнения научно-исследовательской работы.

Таким образом, исходя из проблемы исследования и ее актуальности, в нашей повседневной жизни сложилась ситуация, которая характеризуется следующим противоречием: существует ли возможность сочетать комфорт, созданный усилиями электрических чайников, с возможностями энергосбережения.

Объект исследования – электрический чайник.

Предмет исследования – факторы, влияющие на коэффициент полезного действия электрических чайников.

Цель исследования – исследование зависимости коэффициента полезного действия электрических чайников от массы, начальной температуры воды и мощности чайника.

Гипотеза – электрический чайник низкой мощности эффективнее, чем электрический чайник высокой мощности.

В соответствии с поставленной целью и выдвинутой гипотезой были определены следующие задачи исследования:

1.  Изучить научно-популярную литературу по теме исследования и ресурсы сети Интернет.

2.  Подобрать пару электрических чайников разных фирм производителей, имеющих: разную мощность, но примерно равный объем.

3.  Исследовать зависимость коэффициента полезного действия электрических чайников от массы воды; от начальной температуры воды; от мощности электрических чайников.

Практическая значимость исследования состоит в определении факторов, влияющих на коэффициент полезного действия электрических чайников, проведении анализа эффективности чайников разной мощности.

Электрический чайник – бытовой электрический прибор для нагревания и кипячения питьевой воды, работающий на электроэнергии. Электрически чайники можно поделить на три группы: с открытым нагревателем-спиралью, с закрытым нагревателем и чайники-термосы.

Электрический чайник состоит из корпуса, нагревательного элемента (ТЭН), автоматического выключателя и подошвы с электрошнуром [4]. Принцип работы электрочайника заключается в следующем: при нажатии на кнопку выключателя на ТЭН подаётся, через электрошнур и контакты на подошве, напряжение, и вода в чайнике начинает нагреваться. После того как вода закипит, пар поступает к автоматическому выключателю через ручку чайника или трубку в корпусе. Пар нагревает биметаллическую пластину в выключателе, при нагревании она изгибается и чайник отключается [5].

Таким образом, при всем разнообразии моделей электрических чайников, производители отмечают общие технические характеристики: мощность, объем, время закипания воды, время кипения воды, а главной характеристикой эффективной, энергосберегающей и экономичной работы электрического чайника является коэффициент полезного действия.

Всякое устройство, совершающее работу, должно получать энергию, за счет которой эта работа производится. В простейших случаях механизм (устройство) лишь передает энергию от источника к потребителю. Однако при этом не вся работа (а значит и не вся мощность), получаемая устройством от источника, передается потребителю. Происходят потери энергии, на преодоление которых затрачивается часть работы. Эта работа превращается в тепло [3]. Работа – это процесс. Ее нельзя накопить, чтобы потом израсходовать. Термин «затраченная работа» используется в физике при определении коэффициента полезного действия (КПД).

Так как потери энергии во всяком устройстве неизбежны, то всегда Ап<Аз, значит КПД всегда меньше единицы. Всякий механизм стремятся сделать таким, чтобы бесполезные потери энергии в нем были по возможности как можно меньше, т. е. чтобы КПД был близок к 100%. Для этого уменьшают силы сопротивления в устройстве.

Таким образом, анализируя полученное выражение для расчета КПД электрического чайника, можно заключить, что КПД зависит от таких факторов, как масса воды в чайнике, изменение температур (которое тем больше, чем меньше начальная температура воды), электрическая мощность самого чайника. В нашей работе мы выясним, чайник какой мощности будет более эффективным, а значит позволит сберечь электроэнергию.

Для исследования мы подобрали электрические чайники разных фирм-производителей: равной емкости, но различной мощности: чайник №1 – электрический чайник фирмы «Braun» (Р = 1920 Вт); чайник №2 – электрический чайник фирмы «Polaris»(Р = 1850 Вт).

Определили начальные условия эксперимента: начальную температуру воды t1=21ºC; температуру окружающей среды tсреды=22ºC.

Определили постоянные величины по справочным таблицам [1]: температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении tкип=100ºC; удельная теплоемкость воды с =4200 Дж/(кг·ºС).

На 1 этапе провели исследование зависимости КПД электрических чайников от массы воды. В исследуемые электрические чайники наливали разные объемы воды определенной температуры (начальная температура воды). Измеряли время нагревания воды в чайнике до кипения (от момента включения чайника до момента его автоматического отключения) для каждого объема воды. По данным исследования выполнили расчет КПД электрических чайников. Результаты измерений и вычислений занесли в табл. 1.

Таблица 1.

Построили график зависимости КПД электрических чайников от массы воды (график 1).

По результатам эксперимента видно (график 1), что при увеличении массы воды идет увеличение КПД обоих электрических чайников. Но КПД чайника фирмы «Polaris» выше, чем КПД чайника фирмы «Braun». А значит, менее мощный чайник оказался эффективнее и позволяет сберечь больше электроэнергии. Время закипания чайников лежит в диапазоне 1-4 секунд, что не оказывает существенного экономического бремени на бюджет потребителя.

На 2 этапе проверили зависимость КПД от начальной температуры воды. В исследуемые электрические чайники наливали равные объемы воды при разной температуры (начальная температура воды). Измеряли время нагревания воды в чайнике до кипения (от момента включения чайника до момента его автоматического отключения) для каждого объема воды. По данным исследования выполнили расчет КПД электрических чайников. Результаты измерений и вычислений занесли в табл. 2.

Таблица 2.

Построили график зависимости КПД электрических чайников от начальной температуры воды (график 2).

По результатам эксперимента видно (график 2), что в интервале температур 0-5 ºС идет увеличение КПД обоих чайников, затем КПД с повышением начальной температуры незначительно падает. Но КПД чайника фирмы «Polaris»снова, чем КПД чайника фирмы «Braun». А значит, менее мощный чайник вновь оказался эффективнее и позволяет сберечь больше электроэнергии. Время закипания чайников лежит в диапазоне 2-8 секунд, что не оказывает существенного экономического бремени на бюджет потребителя.

Подводя итоги нашим исследованиям, мы получили результаты, которые подтверждают нашу гипотезу – электрический чайник низкой мощности эффективнее, чем электрический чайник высокой мощности. Таким образом, даже самый дешевый чайник может быть эффективнее (а значит, позволяет сэкономить электроэнергию), и возможно экономичнее электрического чайника высокой мощности. Перспективы моей работы – это экономический расчет расхода электроэнергии при работе электрических чайников разной мощности.

Литература:

Научно-популярная литература:

1.  Енохович, по физике и технике[Текст] / . – М.: Просвещение, 1990.

2.  Касаткина, по физике: теория: механика; молекулярная физика; термодинамика; электромагнетизм [Текст] /; под ред. доцента . – Ростов н/Д: Феникс, 2011.

3.  Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т.[Текст] /Под ред. . Т.1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – М.: Наука Главная редакция физико-математической литературы, 2001.

Электронные ресурсы сети Интернет:

4.  Как работает электрочайник[Электронный ресурс] //Класс! ная физика. – Режим доступа:https://class-fizika. narod. ru/snakom1.htm

5.  Части электрического чайника[Электронный ресурс] // Узнай все!. – Режим доступа: https://www. uznayvse. ru/tehnologii/chasti-elektricheskogo-chaynika-49530.html

Лабораторная работа

«Определение коэффициента полезного действия электрического чайника».

Цель: целенаправленное обучение поисковой деятельности, актуализация личностного смысла обучающихся к изучению темы,  создание условий для развития навыков общения  и совместной деятельности.

Задачи:

 Образовательная: экспериментальная работа по определению КПД электроприборов на примере электрочайника, формирование умения устанавливать связь между элементами содержания ранее изученного материала и нового.

Развивающая: развитие навыков мыслительных операций, совершенствование умений формулировать личностно – значимые цели,   способствовать развитию исследовательских и творческих навыков.

Воспитательная: совершенствование умений работать в паре, формировать способность к самоанализу.

Тип урока: урок – практикум (2 часа)

Оборудование: Электрический чайник, термометр, часы с секундной стрелкой.

Ход урока

1.  Организационный момент

2.  Инструктаж по технике безопасности при работе с электроизмерительными приборами.

3.  Постановка задачи.

ü  Вычислить совершѐнную электрическим током работу

ü  Вычислить количество теплоты, полученное водой и равное полезной работе,

ü  определить на опыте КПД электроприборов на примере электрочайника;

4.  Выполнение работы, согласно методическим рекомендациям.

1. Рассмотрите электрочайник. По паспортным данным определите электрическую мощность электроприбора P.

2. Налейте в чайник воду объѐмом V, равным 1 л (1 кг)

3. Измерьте с помощью термометра начальную температуру воды t1.

4. Включите чайник в электрическую сеть и нагревайте воду до кипения.

5. Определите по таблице температуру кипения воды t2.

6. Заметьте по часам промежуток времени, в течение которого нагревалась вода Δŧ

Все измерения выполняйте в СИ.

7. Используя данные измерений, вычислите:

а) совершѐнную электрическим током работу, зная мощность чайника P и время нагревания воды Δt, по формуле A эл. тока = P∙Δt

б) количество теплоты, полученное водой и равное полезной работе, Q нагр. = cm(t2 — t1)

8. Рассчитайте коэффициент полезного действия электрочайника по формуле

η = =

9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу

Контрольные вопросы:

1.  Как рассчитать количество теплоты, выделяющегося в проводнике при протекании по нему тока, зная сопротивление этого проводника?

2.  Почему спираль электрочайника изготавливают из проводника большой площади сечения? Дайте развѐрнутый ответ.

3.  Приведите примеры других электроприборов, в которых нагревательным элементом является спираль. Чем эти приборы отличаются друг от друга?

Сварщик Почему при электросварке большее количества тепла выделяется именно в месте соединения сварных кусков? (при пропускании тока большой силы через соприкасающиеся на небольшой плоскости металлические детали в месте контакта этих деталей оказывается максимальное сопротивление проходящему току и, следовательно, выделяется максимальное количество тепла). 

Автомеханик Почему маломощные приборы невыгодны? Почему при пользовании такими приборами неизбежен перерасход энергии? (Вследствие увеличения времени нагревания воды увеличиваются потери путем конвекции, теплопроводности, излучения)

Вывод.

5. Домашнее задание: подготовить отчёт, повторить закон Джоуля — Ленца.

Отчёт о выполнении лабораторной работы

«Определение коэффициента полезного действия электрического чайника».

Цель работы: научиться экспериментально определять КПД электроприборов на примере электрочайника.

Оборудование: Электрический чайник, термометр, часы с секундной стрелкой.

Ход работы:

1. Рассмотрел электрочайник. По паспортным данным определил электрическую мощность электроприбора P.

2. Налил в чайник воду объѐмом V, равным 1 л (1 кг)

3. Измерил с помощью термометра начальную температуру воды t1.

4. Включил чайник в электрическую сеть и нагрел воду до кипения.

5. Определил по таблице температуру кипения воды t2.

6. Заметил по часам промежуток времени, в течение которого нагревалась вода Δŧ

7. Используя данные измерений, вычислил:

а) совершѐнную электрическим током работу, зная мощность чайника P и время нагревания воды Δt, по формуле A эл. тока = P∙Δt

б) количество теплоты, полученное водой и равное полезной работе, Q нагр. = cm(t2 — t1)

8. Рассчил коэффициент полезного действия электрочайника по формуле

η = =

9. Результаты измерений и вычислений занес в таблицу

Ответы на контрольные вопросы:

Вывод о проделанной работе: