Питання та консультації з фізики
Попередні сторінки дивіться тут.
Будь ласка, дуже прошу, допоможіть вирішити завдання. 1) Нагрівальний елемент має дві однакові спіралі. При включенні однієї спіралі потужність пристрою дорівнює 0,3 кВт. Чому дорівнює потужність приладу при послідовному та паралельному включенні спіралей. 2) Електричний кип'ятильник потужністю 1 кВт, що працює від мережі з напругою 220 в, за 12 хв нагріває 1,5 л води на 88'С. Визначити вартість витраченої енергії та силу струму в ланцюзі. Тариф 40 коп. за 1 кВт * год. Чому дорівнює ККД кип'ятильника?
Завдання 1.Зрозуміло, що завдання використання закону Джоуля - Ленца. український фізик Ленц експериментально виявив, що тепло, що виділилося при проходженні електричного струму
.
Нині це називається законом Джоуля – Ленца. Скориставшись законом Ома можна отримати ще дві формули, що описують закон Джоуля Ленца:
.
Яке з цих трьох рівнянь слід використовувати?
Першим рівнянням зручно користуватися, коли змінюється сила струму. Це не наш випадок. Вперше ми підключаємо одну спіраль опором, другий раз ми підключаємо дві спіралі паралельно, загальний опір буде, втретє ми підключимо дві спіралі послідовно - загальний опір одно. Зрозуміло, що струм через нагрівальний елемент буде різним. З цієї причини нас не влаштує і друге рівняння. Отже, ми з трьох разів вгадали, що нам потрібно користуватися третім рівнянням, яке виражає закон Джоуля – Ленца. Але тут не все просто, а точніше зовсім не просто. Струми в спіралях будуть різними, отже, спіралі будуть нагріватися до різних температур, а через залежність опору від температури ми не зможемо так просто обчислити і . Необхідно знатиматеріал спіралі або термічний коефіцієнт опору матеріалу спіралі треба знати температури спіралей. Усього цього немає, і тому вирішити це завдання неможливо. І це не якісь невеликі поправки, опір через температуру може змінюватися в рази. В одному з експериментів я використав цей ефект, щоб вимірювати температуру вольфрамового зволікання в реакторі. А потім я пристосувався до зміни опору стежити за швидкістю хімічної реакції, що протікає на поверхні зволікання. І це все було можливо через велику залежність опору вольфраму від температури. Упорядник цього завдання, мабуть, не займався вимірами високих температур усередині реакторів. Крім того, є ще одна причина, через яку не можна вирішити це завдання. Через те, що струми в нагрівальному елементі різні, будуть різними і падіння напруги в проводах, що підводять. Тому будуть різними і напруги на нагрівальному елементі, а ми не маємо даних, щоб врахувати цей ефект.
Що робити? Вирішити завдання не можна, а вирішити треба!
Завдання треба спростити!
Ми свідомо припускаємо:
1 – проводи, що підводять, не мають опору, і тому падіння напруги на них не відбувається,
2 – опір спіралей не змінюється від температури.
Тоді завдання стає очевидним.
Потужність однієї спіралі, підключеної до напруги, дорівнює
,
а потужності нагрівача з паралельно та послідовно включеними спіралями рівні, відповідно:
.
Розв'язавши ці рівняння, отримаємо, що
.
Енергія, отримана кип'ятильником із мережі, дорівнює
,
де - Потужність кип'ятильника, - час нагрівання.
Енергія, що пішла на нагрівання води, дорівнює
,
де маса води дорівнює , - щільністьводи, – її об'єм.
ККД кип'ятильника дорівнює
.
Сила струму в ланцюзі знайдете із співвідношення
.
Щоб знайти вартість витраченої енергії, слід, виражене в кВт/год, помножити на тариф. Не думаю, що ви отримаєте правильний результат, тому що тариф в умові завдання дуже вже умовний. Я плачу зараз 96 копійок за 1 кВт/год, а я маю на кухні електричну плиту, тому маю пільговий тариф. У будинках, де стоять газові плити, тариф вдвічі більший. А собівартість 1 кВт/год. на Саяно-Шушенській ГЕС 6 копійок. Але це не є проблемою фізики. Це наші проблеми, а в усьому винен…..