探究水蒸氣對(duì)電熱壺效率的影響

張福田

(山東省淄博市淄川區(qū)羅村中學(xué)　255138)

電熱壺是根據(jù)電流的熱效應(yīng)制成的一款家用電器，把電能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能.它快捷方便，綠色環(huán)保，操作簡(jiǎn)單，深受人們的歡迎.

現(xiàn)有一個(gè)容積為2L，電功率為1500W的普通電熱壺，使用非常方便，可它還是與傳統(tǒng)的水壺一樣，有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是當(dāng)它里面水溫達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，便看到壺口會(huì)冒出大量的“白氣”.這些 “白氣”是壺里的水汽化變成水蒸氣，然后又遇到壺嘴周?chē)^冷的空氣發(fā)生液化而形成小液滴.在形成水蒸氣的過(guò)程中需要吸收大量的熱量，有效利用的熱量就會(huì)減少，電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量不變，這樣，電熱壺的效率顯然就會(huì)降低.因此我想探究一下產(chǎn)生水蒸氣時(shí)，對(duì)電熱壺效率的影響有多大.

實(shí)驗(yàn)構(gòu)想:電熱壺的效率等于加熱時(shí)，水升高溫度時(shí)有效吸收的熱量與電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量之比.給水加熱時(shí)，用溫度計(jì)測(cè)量水的溫度，并注意觀察溫度計(jì)示數(shù)的變化，每隔1min記錄一次溫度；用停表記錄時(shí)間.實(shí)驗(yàn)時(shí)，仍然采用控制變量法，再就是多次測(cè)量，尋找普遍規(guī)律，避免實(shí)驗(yàn)的偶然性.為驗(yàn)證這一猜想，我特設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下.

實(shí)驗(yàn)器材：容積2L電功率1500W的家用普通電熱壺、實(shí)驗(yàn)室常用溫度計(jì)、鐵架臺(tái)、帶孔的圓形硬紙板、細(xì)線，適量的水、量杯(1L)還有停表.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：用量杯量取2L水倒進(jìn)電熱壺.用帶孔的硬紙板替代壺蓋將壺口蓋好，然后將溫度計(jì)插入孔中，使溫度計(jì)的玻璃泡浸入水中，用細(xì)線系在鐵架臺(tái)上.首先測(cè)出水的初溫是18℃，然后接通電源對(duì)水加熱，從對(duì)水開(kāi)始加熱計(jì)時(shí)開(kāi)始，每隔1min記錄一次水的溫度，并將數(shù)據(jù)填在設(shè)計(jì)好的表格中，直到水沸騰.等進(jìn)行完一次實(shí)驗(yàn)后，把加熱完成的水倒掉，電熱壺冷卻完畢后，再注入2L的水重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn).總共進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

表1

表2

表3

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)時(shí)室內(nèi)的溫度是20℃，水溫從開(kāi)始到加熱到40℃幾乎看不到壺嘴有“白氣”冒出，高于40℃時(shí)，開(kāi)始有“白氣”冒出并且逐漸增多，而到80℃時(shí)有大量的“白氣”冒出，隨溫度升高而逐漸增多，溫度也上升變慢，水蒸氣把硬紙板頂起，并從壺口冒出，到水沸騰時(shí)，雖然繼續(xù)加熱，但溫度保持不變.其實(shí)水溫從98℃到沸騰時(shí)間不到1min.

分析、處理數(shù)據(jù)：第1分鐘溫度升高了6、7℃，主要是因?yàn)榧訜狍w開(kāi)始溫度變化較大時(shí)吸收的熱量較多所以使水溫度上升較慢，從第2分鐘到第6分鐘，基本是每1分鐘水溫升高10℃，而從第6分鐘到第10分鐘，每分鐘升高的溫度分別是9℃、8℃、6℃.根據(jù)公式：W=Pt和Q吸=cm(t-t0)分別計(jì)算出電熱壺每分鐘消耗的電能(也就是電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量)和水每分鐘吸收的熱量，再根據(jù)公式η=Q吸/ W分別計(jì)算出每分鐘升高10℃、9℃、8℃、6℃時(shí)電熱壺的效率分別是93.3%、84%、74.4%、56%.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從上面計(jì)算的結(jié)果可以得出：在其它條件不變的情況下，水的溫度越高，水蒸發(fā)的越快，吸收的熱量也是越多，電熱壺的效率也越低.所以水蒸氣對(duì)電熱壺效率有影響.

原理分析：根據(jù)物態(tài)變化的原理可知：水在蒸發(fā)時(shí)會(huì)吸收熱量，而隨著水溫的升高，水的蒸發(fā)會(huì)加快.相同的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的水蒸氣吸收的熱量也會(huì)增多.我認(rèn)為，當(dāng)接通電源對(duì)水進(jìn)行加熱時(shí)，隨著水溫的升高，產(chǎn)生的水蒸氣也較多，它帶走的熱量也會(huì)增多，從而使電熱壺的效率會(huì)降低.當(dāng)然，電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，并不是被水全部吸收，除冒出的水蒸氣帶走一部分熱量，還有壺體吸收的熱量和散失到空中熱量，這些因素都會(huì)影響電熱壺的效率.

其實(shí)，不同品牌的電熱壺效率一般不同，這次實(shí)驗(yàn)用的是最普通的一種電熱壺，壺體非常輕，加熱體在壺內(nèi)并且加熱時(shí)是浸沒(méi)在水中的，產(chǎn)生的熱量直接被水吸收，雖然壺體外側(cè)沒(méi)有保溫層，但效率相對(duì)較高.

從物理學(xué)的角度，影響電熱壺效率的因素還有壺體的材料、質(zhì)量以及壺的密閉性、保溫性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等.所以購(gòu)買(mǎi)電熱壺要選用壺體材料比熱容小、質(zhì)量小、密閉性好、保溫性能強(qiáng)的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的，這樣可減少電流產(chǎn)生熱量的損失，電熱壺的效率相對(duì)較高，起到節(jié)能的作用.