探究水蒸氣對電熱壺效率的影響

張福田

(山東省淄博市淄川區羅村中學　255138)

電熱壺是根據電流的熱效應制成的一款家用電器，把電能轉化為水的內能.它快捷方便，綠色環保，操作簡單，深受人們的歡迎.

現有一個容積為2L，電功率為1500W的普通電熱壺，使用非常方便，可它還是與傳統的水壺一樣，有一個共同的特點，就是當它里面水溫達到一定數值時，便看到壺口會冒出大量的“白氣”.這些 “白氣”是壺里的水汽化變成水蒸氣，然后又遇到壺嘴周圍較冷的空氣發生液化而形成小液滴.在形成水蒸氣的過程中需要吸收大量的熱量，有效利用的熱量就會減少，電流通過導體產生的熱量不變，這樣，電熱壺的效率顯然就會降低.因此我想探究一下產生水蒸氣時，對電熱壺效率的影響有多大.

實驗構想:電熱壺的效率等于加熱時，水升高溫度時有效吸收的熱量與電流通過導體產生的熱量之比.給水加熱時，用溫度計測量水的溫度，并注意觀察溫度計示數的變化，每隔1min記錄一次溫度；用停表記錄時間.實驗時，仍然采用控制變量法，再就是多次測量，尋找普遍規律，避免實驗的偶然性.為驗證這一猜想，我特設計實驗如下.

實驗器材：容積2L電功率1500W的家用普通電熱壺、實驗室常用溫度計、鐵架臺、帶孔的圓形硬紙板、細線，適量的水、量杯(1L)還有停表.

實驗過程：用量杯量取2L水倒進電熱壺.用帶孔的硬紙板替代壺蓋將壺口蓋好，然后將溫度計插入孔中，使溫度計的玻璃泡浸入水中，用細線系在鐵架臺上.首先測出水的初溫是18℃，然后接通電源對水加熱，從對水開始加熱計時開始，每隔1min記錄一次水的溫度，并將數據填在設計好的表格中，直到水沸騰.等進行完一次實驗后，把加熱完成的水倒掉，電熱壺冷卻完畢后，再注入2L的水重新進行實驗.總共進行三次實驗.

實驗數據：

表1

表2

表3

實驗現象：當時室內的溫度是20℃，水溫從開始到加熱到40℃幾乎看不到壺嘴有“白氣”冒出，高于40℃時，開始有“白氣”冒出并且逐漸增多，而到80℃時有大量的“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，雖然繼續加熱，但溫度保持不變.其實水溫從98℃到沸騰時間不到1min.

分析、處理數據：第1分鐘溫度升高了6、7℃，主要是因為加熱體開始溫度變化較大時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℃.根據公式：W=Pt和Q吸=cm(t-t0)分別計算出電熱壺每分鐘消耗的電能(也就是電流通過導體產生的熱量)和水每分鐘吸收的熱量，再根據公式η=Q吸/ W分別計算出每分鐘升高10℃、9℃、8℃、6℃時電熱壺的效率分別是93.3%、84%、74.4%、56%.

實驗結論：從上面計算的結果可以得出：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.所以水蒸氣對電熱壺效率有影響.

原理分析：根據物態變化的原理可知：水在蒸發時會吸收熱量，而隨著水溫的升高，水的蒸發會加快.相同的時間內，產生的水蒸氣吸收的熱量也會增多.我認為，當接通電源對水進行加熱時，隨著水溫的升高，產生的水蒸氣也較多，它帶走的熱量也會增多，從而使電熱壺的效率會降低.當然，電流通過導體產生的熱量，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，這些因素都會影響電熱壺的效率.

其實，不同品牌的電熱壺效率一般不同，這次實驗用的是最普通的一種電熱壺，壺體非常輕，加熱體在壺內并且加熱時是浸沒在水中的，產生的熱量直接被水吸收，雖然壺體外側沒有保溫層，但效率相對較高.

從物理學的角度，影響電熱壺效率的因素還有壺體的材料、質量以及壺的密閉性、保溫性、結構設計等.所以購買電熱壺要選用壺體材料比熱容小、質量小、密閉性好、保溫性能強的，結構設計合理的，這樣可減少電流產生熱量的損失，電熱壺的效率相對較高，起到節能的作用.