§33. Електронагрівальні прилади. Коефіцієнт корисної дії (ККД) електронагрівального приладу. Коротке замикання. Запобіжники

Зміст

Назвіть нагрівальні електроприлади, крім згаданих вище, які використовують у побуті, промисловості та сільському господарстві.

До таких приладів належать електродуховки, електрокаміни, мультиварки, хлібопечі, сушарки для овочів та фруктів, тостери, фени, бойлери, а також індукційні печі для виплавки сталі.

Чи вся теплота нагрівного елемента чайника йде тільки на нагрівання та кип’ятіння води?

Ні, теплота витрачається не тільки на воду (корисна кількість теплоти), а й частково на нагрівання самого корпусу чайника та навколишнього середовища (втрачена енергія).

Перевірте себе

1. Розгляньте малюнок 33.3 та назвіть електроприлади, робота яких ґрунтується на тепловій дії електричного струму.

На тепловій дії струму ґрунтується робота кавомашини (є), праски (д), електроплити (а) та чайника (б).

2. Чому порожній електричний чайник не можна вмикати в електромережу?

Нагрівальний елемент має великий питомий опір і дуже сильно нагрівається. Якщо в чайнику немає води, яка забирає це тепло, елемент може розплавитися, а проводи — загорітися.

3. Найбільша потужність, яку можуть споживати електроприлади у квартирі, становить 1,32 кВт. Чи не вийдуть з ладу плавкі запобіжники, розраховані на силу струму 6 А і напругу 220 B?

Дано:

• $P_{\text{max}} = 1,32 \text{ кВт} = 1320 \text{ Вт}$
• $I_{\text{доп}} = 6 \text{ А}$
• $U = 220 \text{ В}$

Знайти:

$P_{\text{доп}} - ?$

Розв’язання:

Запобіжник витримає потужність, що дорівнює добутку допустимої сили струму на напругу:

$P_{\text{доп}} = U \cdot I_{\text{доп}}$

$P_{\text{доп}} = 220 \text{ В} \cdot 6 \text{ А} = 1320 \text{ Вт}$

Оскільки споживана потужність $1320 \text{ Вт}$ не перевищує допустиму $1320 \text{ Вт}$, запобіжники не вийдуть з ладу.

Відповідь: запобіжники не вийдуть з ладу.

4. Скільки літрів води, узятої за температури $10^{\circ}C$, можна нагріти до кипіння кип’ятильником, який споживає струм 3 А за напруги 127 В? Коефіцієнт його корисної дії становить 30%. Час роботи — 10 хвилин.

Дано:

• $t_{1} = 10^{\circ}C$
• $t_{2} = 100^{\circ}C$
• $I = 3 \text{ А}$
• $U = 127 \text{ В}$
• $\eta = 30$
• $t = 10 \text{ хв} = 600 \text{ с}$
• $c = 4200 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^{\circ}C}$
• $\rho = 1000 \dfrac{\text{кг}}{\text{м}^{3}}$

Знайти:

$V - ?$

Розв’язання:

Повна кількість теплоти, яку виділяє кип’ятильник:

$Q_{\text{пов}} = U \cdot I \cdot t$

Корисна кількість теплоти, що йде на нагрівання води:

$Q_{\text{кор}} = c \cdot m \cdot (t_{2} - t_{1})$

Використовуючи формулу ККД7:

$\eta = \dfrac{Q_{\text{кор}}}{Q_{\text{пов}}}$

$0,3 = \dfrac{c \cdot m \cdot (t_{2} - t_{1})}{U \cdot I \cdot t}$

Звідси маса води:

$m = \dfrac{\eta \cdot U \cdot I \cdot t}{c \cdot (t_{2} - t_{1})}$

$m = \dfrac{0,3 \cdot 127 \cdot 3 \cdot 600}{4200 \cdot (100 - 10)} = \dfrac{68580}{378000} \approx 0,18 \text{ кг}$

Об’єм води:

$V = \dfrac{m}{\rho} = \dfrac{0,18 \text{ кг}}{1000 \dfrac{\text{кг}}{\text{м}^{3}}} = 0,00018 \text{ м}^{3} = 0,18 \text{ л}$

Відповідь: можна нагріти приблизно 0,18 л води.