Номер 4, страница 122 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

4. КПД электрочайника и пути его повышения.

КПД электрочайника

Коэффициент полезного действия (КПД) электрочайника – это физическая величина, которая показывает, какая доля всей потребленной из сети электрической энергии преобразуется в полезную тепловую энергию, идущую непосредственно на нагрев воды.

КПД, который обозначается греческой буквой $\eta$ (эта), вычисляется как отношение полезной энергии к затраченной энергии и обычно выражается в процентах:

$\eta = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}} \cdot 100\% = \frac{Q_{полезная}}{Q_{затраченная}} \cdot 100\%$

Применительно к электрочайнику:

• Полезная энергия ($Q_{полезная}$) – это количество теплоты, полученное водой для её нагрева от начальной температуры до температуры кипения. Эта величина рассчитывается по формуле: $Q_{полезная} = c \cdot m \cdot (t_{2} - t_{1})$, где:
  • $c$ – удельная теплоемкость воды (около $4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$);
  • $m$ – масса нагреваемой воды в килограммах;
  • $t_{2}$ – конечная температура воды (обычно температура кипения, $\approx 100 °C$);
  • $t_{1}$ – начальная температура воды.
• Затраченная энергия ($Q_{затраченная}$) – это вся электрическая энергия, которую чайник потребил из сети за время своей работы. Она вычисляется по формуле работы электрического тока: $Q_{затраченная} = P \cdot \tau$, где:
  • $P$ – мощность электрочайника (указана на корпусе прибора, измеряется в ваттах);
  • $\tau$ – время нагрева воды в секундах.

Таким образом, итоговая формула для расчета КПД электрочайника выглядит так:

$\eta = \frac{c \cdot m \cdot (t_{2} - t_{1})}{P \cdot \tau} \cdot 100\%$

КПД любого реального электрочайника всегда меньше $100\%$, поскольку существуют неизбежные потери энергии. Основные источники потерь:

• Нагрев корпуса чайника и его основания. Часть тепла от нагревательного элемента передается не воде, а материалам, из которых сделан прибор.
• Теплоотдача в окружающую среду. Нагретый корпус чайника отдает тепло в окружающий воздух через конвекцию и излучение.
• Парообразование. Часть энергии расходуется на превращение воды в пар, особенно в момент интенсивного кипения перед автоматическим отключением. Этот пар уносит с собой энергию.
• Прочие потери. Незначительная часть энергии уходит на работу светового индикатора и на звуковые волны (шум при закипании).

Как правило, КПД современных бытовых электрочайников составляет 80–90%.

Ответ: КПД электрочайника — это отношение тепловой энергии, пошедшей на нагрев воды, к общему количеству потребленной электрической энергии. Он рассчитывается по формуле $\eta = (c \cdot m \cdot (t_{2} - t_{1})) / (P \cdot \tau) \cdot 100\%$. Его значение всегда меньше 100% из-за потерь тепла на нагрев корпуса прибора и в окружающую среду.

Пути его повышения

Повысить КПД электрочайника — значит уменьшить энергетические потери в процессе его работы. Этого можно достичь как за счет конструктивных особенностей прибора, так и благодаря правильной эксплуатации.

1. Уменьшение теплопотерь. Самый эффективный способ — улучшить теплоизоляцию корпуса. Чайники с двойными стенками (работающие по принципу термоса) или модели из материалов с низкой теплопроводностью (например, толстого пластика или керамики) теряют тепло медленнее, чем тонкостенные металлические чайники. Также важно всегда плотно закрывать крышку во время кипячения, чтобы уменьшить потери с выходящим паром.
2. Регулярная очистка от накипи. Накипь (минеральные отложения) на нагревательном элементе или дне чайника имеет очень низкую теплопроводность. Она создает барьер, который мешает эффективной передаче тепла от нагревателя к воде. Это приводит к увеличению времени закипания и, соответственно, к большим потерям тепла в окружающую среду за это время. Своевременное удаление накипи специальными средствами восстанавливает нормальную теплопередачу и повышает КПД.
3. Оптимизация объема воды. Следует кипятить ровно столько воды, сколько необходимо в данный момент. Нагрев лишнего объема воды — это прямая трата энергии как на нагрев самой лишней воды, так и на сопутствующие теплопотери.
4. Использование чайников со скрытым нагревательным элементом. Плоский дисковый нагреватель имеет большую площадь контакта с водой по сравнению с открытой спиралью, что обеспечивает более быстрый и равномерный нагрев. Кроме того, его значительно проще очищать от накипи.
5. Своевременное отключение. Важно, чтобы система автоматического отключения срабатывала сразу после достижения точки кипения. Если чайник продолжает кипеть длительное время, вся потребляемая энергия бесполезно расходуется на образование пара.

Ответ: Основные пути повышения КПД электрочайника: использование моделей с хорошей теплоизоляцией (например, с двойными стенками); регулярная очистка от накипи для улучшения теплопередачи; кипячение только необходимого количества воды; плотное закрытие крышки во время работы и использование приборов с точной системой автоотключения.