УСПЕЮ ЛИ Я В ШКОЛУ ИЛИ СКОЛЬКО СТОИТ ЧАЕПИТИЕ?

УСПЕЮ ЛИ Я В ШКОЛУ ИЛИ СКОЛЬКО СТОИТ ЧАЕПИТИЕ?

Титов Дмитрий Юрьевич

обучающийся 8 класса Муниципального общеобразовательного учреждения

 «УВК №16 города Донецка», Донецкая Народная Республика, г.Донецк

Научный руководитель: Кучеренко Маргарита Васильевна,

руководитель методического объединения учителей физики Калининского района г.Донецка, учитель физики Муниципального общеобразовательного учреждения «Специализированная физико-математическая школа №35 города Донецка»,

 Донецкая Народная Республика, г.Донецк

Актуальность темы. Мы живём в век огромных скоростей и ритма жизни, хотим успеть везде и всё сделать, и это при минимальных экономических и временных затратах. Сколько раз мы нервничали в ожидании, когда закипит чайник, чтобы позавтракать и вовремя успеть на урок? От чего зависит быстрота закипания воды в электрическом чайнике и сколько мы на это израсходуем средств?

Объект исследования: электрические чайники фирмы «Braun», «Маэстро», «Saturn».

Предмет исследования: закон сохранения энергии, работа электрического тока, количество теплоты ушедшее на нагревание воды и выделившееся на  проводнике при прохождении по нему электрического тока.

Цель: провести экспериментальный и сравнительный анализы времени и стоимости нагрева до кипения воды в электрочайниках различных производителей.

Задачи:

- изучить технические характеристики электрических чайников «Braun», «Маэстро», «Saturn»;

-  выполнить экспериментальное исследование;

- произвести расчет стоимости электроэнергии, потраченной на закипание воды в электрических чайниках;

- проанализировать  экспериментальные и расчётные показатели;

- определить предпочтительный выбор электрического чайника согласно полученным параметрам.

Приборы и материалы: Электрический чайник в количестве 3 штук, термометр, часы с секундной стрелкой, источник электрического тока (розетка квартирной электропроводки U=220 Вт, ν =50 Гц), водопроводная вода, калькулятор.

Электрический чайник – это бытовой электрический прибор для нагревания и кипячения питьевой воды, работающий на электроэнергии. Первые электрические чайники появились в конце XIX–начале XX века. С течением времени их конструкция и удобство пользования совершенствовались. В 1992 году в Японии началось производство электрочайников–термосов (термопотов). В 1994 году в Израиле выпустили электрочайники с контактной подставкой и автоматическим отключением после закипания. В СССР были распространены электрочайники со встроенным теплоэлектронагревателем.

В последние годы в продаже появились энерго- и времясберегающие чайники, предназначенные для быстрого кипячения небольшой порции воды, например, только одной чашки, а не всей налитой в них воды. Такие чайники позволяют при типовом использовании сэкономить до 65% электроэнергии и до 90% времени, по сравнению с электрочайниками предыдущего поколения. [3]

Современные электрочайники представляют собой прибор, емкостью от 1 до 2– 3 литров, с расположенным внутри нагревательным элементом. Обычно в качестве нагревательного элемента используется трубчатый электронагреватель. Электрический чайник представляет собой электронагревательное устройство, в котором энергия электрического тока превращается в тепловую, основной частью которого является нагревательный элемент с большим сопротивлением, способный нагреваться до высоких температур. При прохождении электрического тока по такому проводнику (нагревательному элементу), последний нагревается. [4]

Порядок выполнения экспериментальной части работы заключался в следующем:

1.   Наливаем в чайник воду объемом 1 литр.

2.   Измеряем температуру воды в чайнике.

3.   Плотно закрываем крышку чайника, ставим чайник на платформу, включаем в розетку.

4.   Определяем время закипания чайника (момент автоматического отключения).

5. Вычисляем количество теплоты по формуле: Q = ), где с – удельная теплоёмкость воды, m – масса воды, t₂ = 100 °C – температура кипения воды, t₁ – начальная температура воды.

6.  Рассчитываем количество теплоты, выделяемое проводником с током, используя закон сохранения энергии:    Q = А =  , где А – работа электрического тока (МДж и кВт·ч); Р – электрическая мощность нагревательного прибора (из технического паспорта электроприбора); τ – промежуток времени, в течение которого нагревается вода.

7.    Рассчитываем коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника по формуле:

ŋ =   = 100%   [1] [2]

8.        Расчёт стоимости электроэнергии, затраченной на закипание воды объёмом 1 литр производим по формуле: Z₁ = А  0,802 руб. На текущий момент тариф электричества в ДНР составляет  0,8018 рубля ( руб.) за 1 кВт·ч. [6]

Как показывает практика, за одни сутки человек или семья нагревают в среднем до 5 литров воды в день для приготовления горячих напитков. Расчёт стоимости в рублях за 1 мес. (30 дней) при расходе 5 л в сутки производится по формуле: Z = 5л · Z₁ · 30 дней.

Результаты моих экспериментов и вычислений занесены в таблицу 1.

Таблица 1 Результаты экспериментов и вычислений

В ходе работы удалось установить, что скорость закипания воды определяется  мощностью чайника. Самая высокая мощность из экспериментальных приборов у электрочайника «Braun» и у него на нагревание воды ушло почти вдвое меньше времени, чем у других, как и обещал производитель.

Учитывая то, что два электрочайника  «Маэстро» и «Braun»  имеют пластмассовые корпуса, то нагреваться и остывать они (корпус, вода) будут медленнее,  чем «Сатурн». А как известно, теплопроводность у пластика ниже, чем у металла (теплопроводность стали  - 47 Вт/м²,    пластмассы – 0,7 Вт/м²).

Несмотря на то, что мощность у электрочайника «Saturn» больше, чем у «Маэстро», КПД получился ниже, что можно объяснить теплопотерями.

Из результатов выполненной работы следует, что:

- показатель τ – времени закипания воды в чайнике, полученный экспериментально ниже показателя, рассчитанного по данным фирм производителей. Что свидетельствует об экономии времени на приготовление утреннего чая.

- Нагрев воды в электрическом чайнике с высокой мощностью является более экономичным решением.

- Работа электрического чайника в месяц обходится в среднем в 11,4-13,5 рублей.

- КПД электронагревательного прибора зависит от материала корпуса электрочайника. Так, пластиковый имеет меньшую теплопроводность, в отличие от металлического, поэтому будет дольше поддерживать температуру воды, т.е. процесс будет проходить без значимых  теплопотерь.

Нетрудно заметить, что в действительности потери энергии при нагреве воды происходят уже с первых секунд. В зависимости от нагревательного прибора это могут быть следующие виды потерь:

·                     на нагрев стенок ёмкости (чайника);

·                     потери на парообразование при кипении;

·                     теплопередача и тепловое излучение энергии в окружающую среду (от нагревательного элемента);

·                     испарение с поверхности воды в неплотно закрытом чайнике;

·                     потери в электрических проводах и контактах (разогрев проводов и штепсельной вилки электроприбора).[5]

Исходя из направлений потерь нетрудно определить мероприятия по повышению КПД процесса нагрева воды:

·                     использование закрытой ёмкости;

·                     теплоизоляция ёмкости;

·                     использование минимально необходимой температуры нагрева.

И самый главный вывод в этой работе – я успею выпить свой любимый чай и не опоздаю в школу, и при этом недорого заплачу!

Список использованной литературы:

1.    Физика. 8 класс: учеб. для общеобразоват.организаций/ В.В.Белага, И.А.Ломаченков, Ю.А. Панебратцев. - 5-е изд. - М.: Просвещение, 2017. - 159с.

2.    Физика. 9 класс: учеб. для общеобразоват.организаций/ В.В.Белага, И.А.Ломаченков, Ю.А. Панебратцев. - 2-е изд. - М.: Просвещение, 2016. - 175с.

3.    ГОСТ 7400-81.Электрочайники и электросамовары бытовые.\01.01.83.-Москва: издательство стандартов, 1981.-9с.

4.    История электрического чайника [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://tehnikaland.ru/tehnika-dlya-kuhni/istoriya-chaynika-i-elektrochaynika.html

5.    Тепловая мощность и КПД нагревателей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://foxford.ru/wiki/fizika/teplovaya-moschnost-i-kpd-nagrevateley

6.    Тарифы на электрическую энергию [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://rst-dnr.ru/tarifyi-na-elektricheskuyu-energiyu/

7.    Скачано с www.znanio.ru