Научно-исследовательская работа на тему: «Исследование факторов, влияющих на КПД электрических чайников» (номинация «Физика»)

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

Среднекарачанская основная общеобразовательная школа

Научно-исследовательская работа

на тему:

«Исследование факторов, влияющих на КПД электрических чайников»

(номинация «Физика»)

Выполнили: обучающиеся 8 класса

Башарина Татьяна

Сыпова Надежда

Руководитель: учитель физики первой

квалификационной

категории

Афанасьев А. С.

2023

Оглавление

Введение

Целью нашей работы является вычисление значения коэффициента полезного действия и исследование зависимости КПД электрических чайников от различных факторов, таких как – масса, начальная температура, мощность.

В этой исследовательской работе мы будем рассматривать, что такое электрический чайник, его принцип действия, виды электрических чайников, понятие КПД и его нахождение, а также исследование зависимости КПД электрических чайников от различных факторов.

Актуальность данной темы заключается в том, что электрические чайники играют важную роль в жизни человечества и сложно представить нашу жизнь без них. Если знать, как эффективнее использовать электрические чайники чтобы КПД было больше, то можно экономить много энергии.

1. Электрический чайник.

Понятие, устройство и принцип его действия

Электрический чайник - прибор для нагревания питьевой воды, работающий на электричестве.

Электрический чайник содержит корпус с носиком, ручку, подвижно соединенную с корпусом крышку, в отверстии которой закреплена головка нагревательного элемента, в головке имеется гнездо для колодки сетевого шнура, чайник снабжен направляющим элементом для сетевого шнура, роль которого выполняет держатель, состоящий из основания и крышки держателя, между которыми имеется полость для укладки сетевого шнура, основание крепится к ручке посредством заклепок, на основании отформованы две бобышки: передняя и задняя, на боковой поверхности основания имеется паз для закладки сетевого шнура, который пропускается в паз задней бобышки. Крышка держателя соединена с основанием посредством петли, оси и защелки.

Принцип действия данного прибора состоит в следующем: если включить нагреватель, он постепенно доведёт воду до кипения. От кипящей воды начинает валить пар, который разогревает металлическую пластину. Пластина от этого выгибается и нажимает на выключатель.

1. История электрического чайника

Некий полковник Кромптон, проявив смекалку, вмонтировал в обычный чайник электрический нагревательный элемент, а вернее в его подставку. Это было примерно в 1893 году. На международной выставке в Чикаго, на которой он был представлен в том же году, особого восторга не вызвал, поскольку очень медленно кипятил воду, при этом потребляя достаточно много электроэнергии. Так или иначе, но доподлинно известно, что первый чайник с электрическим нагревательным элементом появился в Германии. Если верить официальным источникам, то создателем первого экземпляра электрочайника, выпускавшегося серийно, можно считать немецкую фирму по производству бытовых электрических приборов AEG. Кстати они и сейчас занимается тем же, но в составе корпорации Electrolux.

1. Виды электрических чайников

Электрические чайники бывают различных видов. Такие как:

1. Электрический чайник с открытым электронагревателем (спираль).

Нагреватель выполнен в виде металлической спирали. Обычно нагревательный элемент делают из нержавеющей стали, его могут покрывать нитридом титана или хромировать.

1. Электрический чайник с закрытым электронагревателем (диск).

При включении происходит нагрев всей воды, находящейся над диском и с ним соприкасающейся, что приводит к значительно быстрому закипанию, чем в чайниках со спиралью.

1. Электрические чайники-термосы (термопоты).

Внешним видом эти чайники от приборов с закрытым нагревательным элементом не отличаются. Отличие заключается в том, что корпус термопота изготовлен из теплоизоляционного материала. Чайник удерживает тепло внутри, при этом оставаясь холодным снаружи. Единственными производителями таких чайников выступают фирмы Siemens, Zojirushi и Panasonic.

На многих новых моделей чайников есть различные функции:

• световой индикатор включения;

• систему автоматического отключения при закипании воды;

• индикатор подключения к сети и индикатор уровня воды;

• вращение чайника на 360 градусов. В таких моделях контакт чайника с подставкой обеспечивается не сбоку, а посередине;

• функция автоматического подогрева;

• система фиксации крышки. Не позволяет крышке открываться, когда вы наливаете кипяток в чашку;

• защита от работы без воды. Функция, которая не позволит чайнику включиться, если вы забудете налить в него воду;

• звуковой сигнал, который срабатывает при закипании воды.

При всем разнообразии моделей электрических чайников у них есть общие технические характеристики, а именно: мощность, объем, вес прибора и главной характеристикой электрического чайника является коэффициент полезного действия.

2. Коэффициент полезного действия. Понятие и его нахождение

Коэффициент полезного действия - это характеристика эффективности системы устройства в отношении преобразования или передачи энергии.

Формулы нахождения и расчета КПД электрического чайника:

где,

- кол-во теплоты, затраченное на нагревание

Q - кол-во теплоты, выделяемое нагревателем

- коэффициент полезного действия

P - мощность, Вт.

m - масса, кг

△Т - изменение температуры

△t - время нагревания

с - удельная теплоемкость воды (Н₂О)

Промышленность выпускает электрические чайники различных мощностей, например: 1200 Вт, 2000 Вт, 2400 Вт и многих других.

Удельную теплоемкость воды для расчетов можно найти в любом справочнике по физике:

Целью нашей работы является исследование зависимости КПД электрических чайников от различных факторов, таких как – масса, начальная температура, мощность.

3. Исследование факторов, влияющих на КПД электрических чайников

Для достижения поставленных нами целей мы провели серию экспериментов, и получили данные приведенные в таблицах.

Зависимость от массы воды:

Зависимость от начальной температуры:

Наглядней будет видно на графиках:

1. Зависимость КПД электрических чайников от массы воды:

На данном графике мы видим повышение КПД при увеличении массы воды, а также идет резкое возрастание КПД у чайника мощностью 750 Вт при увеличении массы воды от 0,5 кг до 0,75кг, затем снижение и дальше более спокойное повышение.

1. Зависимость КПД электрического чайника от начальной температуры:

Здесь мы можем наблюдать, что с увеличением начальной температуры КПД у более мощного чайника падает, но не сильно. А у менее мощного чайника КПД плавно растёт.

Заключение

Одна из самых крупных статей расходов сегодня для каждого человека – это оплата услуг жилищно-коммунального хозяйства. Поэтому сегодня все ищут возможности сэкономить. В связи с этим, целью нашей исследовательской работы выяснить: как эффективнее использовать электрические чайники, чтобы для нагревания воды затрат энергии было меньше.

В этой исследовательской работе мы рассмотрели виды электрических чайников, разобрали их КПД, а также его нахождение. Таким образом, выяснили факторы, влияющие на КПД.

После серии экспериментов мы сделали следующий вывод - КПД электрического чайника намного выше, т.е. для кипячения единицы массы воды электрический чайник тратит меньше энергии.

Изучая данную тему, мы узнали много нового о современных электрических чайниках, а также получили дополнительные знания.

Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_чайник

2. https://tehnikaland.ru/tehnika-dlya-kuhni/istoriya-chaynika-i-elektrochaynika.html

3. https://www.nkj.ru/archive/articles/4381/

4. https://globallab.ru/ru/project/cover/izuchaem_kpd_elektricheskogo_chainika.ru.html

5. https://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2019/10/23/kpd-bytovoy-tehniki-bytovaya-tehnika-i-chelovek-nauchno

Приложение

Термопот фирмы TOSHIBA, мощность 750 Вт

Чайник SCARLETT Gretta, мощность 2200 Вт