Экономим электроэнергию или сколько воды наливать в чайник

Каждый из нас довольно часто пользуется чайником или обычным, или электрическим, чтобы довести воду до кипения. Это необходимо для приготовления двух замечательных напитков: чая и кофе. Однако не вся электрическая энергия, если чайник – электрический, или энергия горящего газа, если чайник – обычный, идет на нагревание воды. Каждый раз, когда мы, приготавливая кипяток, греем воду, вместе с ней нагревается и сам чайник, а также и воздух на кухне. При этом возникает вопрос: сколько лучше наливать воды? Если воды налить немного, то, с одной стороны, она быстро закипит, и потери теплоты на нагревание воздуха на кухне будет самыми небольшими. Но, с другой стороны, на нагревание самого чайника уйдёт почти столько же энергии, сколько и на нагревание воды. Если воды налить много, то энергия, потраченная на нагревание чайника, будет незначительной, но при этом чайник будет нагреваться долго и, следовательно, гораздо больше энергии будет передано окружающей среде. Давайте попробуем разобраться и определить оптимальное количество воды, при котором отношение потерь тепла к полезной работе по производству кипятка при помощи электрического чайника будет минимально.

При проведении расчетов будем считать, что вода, нагреваемая в чайнике, имеет комнатную температуру, а выделение тепла нагревательным элементом чайника в единицу времени неизменно и равно, соответственно, мощности, указанной производителем электрического чайника.

Для определения оптимального коэффициента полезного действия можно провести экспериментальное исследование, воспользовавшись электрическим чайником с мощностью нагревательного элемента 2400 Вт и объемом 1.5 л. Полезная работа по производству кипятка равна количеству теплоты, необходимому для нагревания воды от комнатной температуры до температуры кипения воды (100⁰С):

где  – теплоемкость воды,  – масса нагреваемой воды,  – температура кипения воды,  – начальная температура воды перед нагреванием (25⁰С).

Выделяемое нагревательным элементом количество теплоты определяется формулой:

где  – мощность нагревательного элемента,  – время закипания воды. Тогда коэффициент полезного действия электрического чайника  определяется соотношением:

а потери энергии:

При помощи секундомера делаем измерения времени закипания воды разной массы, а результаты заносим в таблицу:

Из таблицы видно, что минимальные потери энергии для используемого в эксперименте чайника будут, если нагревать 1-1,25 кг воды, а максимальные потери будут, если нагревать 0,25 кг воды. Таким образом, разница между максимальными и минимальными потерями составляет 161,3 кДж/кг. Учитывая, что в среднем чайник используется 2-3 раза в день, за год потери энергии будут 176,6 МДж, или 49 кВт/ч. Сама по себе экономия получилась небольшой, но если свести к минимуму все ненужные потери энергии, например, выключая неиспользуемые осветительные приборы и т.д., то эффект получится вполне ощутимым, особенно если посчитать экономию электроэнергии в пределах города Москвы: 150000000 кВт/ч.

По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу.

Проведите экспериментальное исследование и определите оптимальное количество воды, которое нужно наливать в ваш чайник, чтобы минимизировать тепловые потери.

Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г.Москвы