探究水蒸气对电热壶效率的影响

张福田

(山东省淄博市淄川区罗村中学　255138)

电热壶是根据电流的热效应制成的一款家用电器，把电能转化为水的内能.它快捷方便，绿色环保，操作简单，深受人们的欢迎.

现有一个容积为2L，电功率为1500W的普通电热壶，使用非常方便，可它还是与传统的水壶一样，有一个共同的特点，就是当它里面水温达到一定数值时，便看到壶口会冒出大量的“白气”.这些 “白气”是壶里的水汽化变成水蒸气，然后又遇到壶嘴周围较冷的空气发生液化而形成小液滴.在形成水蒸气的过程中需要吸收大量的热量，有效利用的热量就会减少，电流通过导体产生的热量不变，这样，电热壶的效率显然就会降低.因此我想探究一下产生水蒸气时，对电热壶效率的影响有多大.

实验构想:电热壶的效率等于加热时，水升高温度时有效吸收的热量与电流通过导体产生的热量之比.给水加热时，用温度计测量水的温度，并注意观察温度计示数的变化，每隔1min记录一次温度；用停表记录时间.实验时，仍然采用控制变量法，再就是多次测量，寻找普遍规律，避免实验的偶然性.为验证这一猜想，我特设计实验如下.

实验器材：容积2L电功率1500W的家用普通电热壶、实验室常用温度计、铁架台、带孔的圆形硬纸板、细线，适量的水、量杯(1L)还有停表.

实验过程：用量杯量取2L水倒进电热壶.用带孔的硬纸板替代壶盖将壶口盖好，然后将温度计插入孔中，使温度计的玻璃泡浸入水中，用细线系在铁架台上.首先测出水的初温是18℃，然后接通电源对水加热，从对水开始加热计时开始，每隔1min记录一次水的温度，并将数据填在设计好的表格中，直到水沸腾.等进行完一次实验后，把加热完成的水倒掉，电热壶冷却完毕后，再注入2L的水重新进行实验.总共进行三次实验.

实验数据：

表1

表2

表3

实验现象：当时室内的温度是20℃，水温从开始到加热到40℃几乎看不到壶嘴有“白气”冒出，高于40℃时，开始有“白气”冒出并且逐渐增多，而到80℃时有大量的“白气”冒出，随温度升高而逐渐增多，温度也上升变慢，水蒸气把硬纸板顶起，并从壶口冒出，到水沸腾时，虽然继续加热，但温度保持不变.其实水温从98℃到沸腾时间不到1min.

分析、处理数据：第1分钟温度升高了6、7℃，主要是因为加热体开始温度变化较大时吸收的热量较多所以使水温度上升较慢，从第2分钟到第6分钟，基本是每1分钟水温升高10℃，而从第6分钟到第10分钟，每分钟升高的温度分别是9℃、8℃、6℃.根据公式：W=Pt和Q吸=cm(t-t0)分别计算出电热壶每分钟消耗的电能(也就是电流通过导体产生的热量)和水每分钟吸收的热量，再根据公式η=Q吸/ W分别计算出每分钟升高10℃、9℃、8℃、6℃时电热壶的效率分别是93.3%、84%、74.4%、56%.

实验结论：从上面计算的结果可以得出：在其它条件不变的情况下，水的温度越高，水蒸发的越快，吸收的热量也是越多，电热壶的效率也越低.所以水蒸气对电热壶效率有影响.

原理分析：根据物态变化的原理可知：水在蒸发时会吸收热量，而随着水温的升高，水的蒸发会加快.相同的时间内，产生的水蒸气吸收的热量也会增多.我认为，当接通电源对水进行加热时，随着水温的升高，产生的水蒸气也较多，它带走的热量也会增多，从而使电热壶的效率会降低.当然，电流通过导体产生的热量，并不是被水全部吸收，除冒出的水蒸气带走一部分热量，还有壶体吸收的热量和散失到空中热量，这些因素都会影响电热壶的效率.

其实，不同品牌的电热壶效率一般不同，这次实验用的是最普通的一种电热壶，壶体非常轻，加热体在壶内并且加热时是浸没在水中的，产生的热量直接被水吸收，虽然壶体外侧没有保温层，但效率相对较高.

从物理学的角度，影响电热壶效率的因素还有壶体的材料、质量以及壶的密闭性、保温性、结构设计等.所以购买电热壶要选用壶体材料比热容小、质量小、密闭性好、保温性能强的，结构设计合理的，这样可减少电流产生热量的损失，电热壶的效率相对较高，起到节能的作用.