Номер 2, страница 38 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

2. Определите минимальное количество природного газа, необходимое для того, чтобы довести до кипения воду в чайнике, которым вы пользуетесь. Почему на практике газа требуется больше? Как уменьшить расход газа?

Определите минимальное количество природного газа, необходимое для того, чтобы довести до кипения воду в чайнике, которым вы пользуетесь.

Для расчета возьмем стандартный чайник и типичные условия. Минимальное количество газа означает идеальные условия, при которых вся теплота от сгорания газа идет на нагрев воды (КПД = 100%).

Дано:

Объем воды в чайнике ($V_{\text{воды}}$) = 2 л

Начальная температура воды ($t_1$) = 20 °C (комнатная температура)

Конечная температура воды ($t_2$) = 100 °C (температура кипения)

Плотность воды ($\rho_{\text{воды}}$) ≈ 1000 кг/м³

Удельная теплоемкость воды ($c$) = 4200 Дж/(кг·°C)

Удельная теплота сгорания природного газа ($q$) ≈ 35 МДж/м³

$V_{\text{воды}} = 2 \text{ л} = 2 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

$q = 35 \text{ МДж/м}^3 = 35 \cdot 10^6 \text{ Дж/м}^3$

Найти:

Минимальный объем природного газа ($V_{\text{газа}}$) - ?

Решение:

1. Сначала найдем количество теплоты ($Q$), необходимое для нагрева воды от начальной температуры до кипения. Для этого используем формулу:

$Q = c \cdot m_{\text{воды}} \cdot (t_2 - t_1)$

Массу воды ($m_{\text{воды}}$) найдем через ее объем и плотность:

$m_{\text{воды}} = \rho_{\text{воды}} \cdot V_{\text{воды}} = 1000 \text{ кг/м}^3 \cdot 2 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3 = 2 \text{ кг}$

Теперь подставим значения в формулу для количества теплоты:

$Q = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^\circ\text{C}}} \cdot 2 \text{ кг} \cdot (100 {^\circ\text{C}} - 20 {^\circ\text{C}}) = 8400 \cdot 80 = 672000 \text{ Дж}$

2. Количество теплоты, выделяемое при сгорании газа, определяется по формуле:

$Q = q \cdot V_{\text{газа}}$

3. В идеальном случае вся теплота от сгорания газа передается воде, поэтому мы можем приравнять два этих значения:

$c \cdot m_{\text{воды}} \cdot (t_2 - t_1) = q \cdot V_{\text{газа}}$

Отсюда выразим и найдем минимальный объем газа:

$V_{\text{газа}} = \frac{Q}{q} = \frac{672000 \text{ Дж}}{35 \cdot 10^6 \text{ Дж/м}^3} \approx 0.0192 \text{ м}^3$

Переведем кубические метры в литры для наглядности ($1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л}$):

$V_{\text{газа}} = 0.0192 \text{ м}^3 \cdot 1000 = 19.2 \text{ л}$

Ответ: Минимальное количество природного газа, необходимое для доведения до кипения 2 литров воды, составляет примерно 0.0192 м³ или 19.2 литра.

Почему на практике газа требуется больше?

На практике расход газа всегда больше теоретического минимума из-за неизбежных потерь тепла. Эффективность (КПД) бытовой газовой плиты при кипячении воды обычно составляет всего 30-50%. Это означает, что от 50% до 70% энергии тратится впустую. Основные причины потерь:

• Нагрев окружающей среды. Значительная часть тепла от пламени не попадает на дно чайника, а уходит в воздух, нагревая кухню.
• Нагрев самого чайника. Прежде чем начнет нагреваться вода, тепло поглощается материалом, из которого сделан чайник (металл, пластик).
• Тепловое излучение. Нагретый чайник и само пламя излучают тепло во все стороны.
• Конвекция и испарение с поверхности воды. Если чайник не закрыт крышкой, теплая вода активно испаряется, унося с собой энергию, что замедляет процесс нагрева.

Ответ: На практике газа требуется больше из-за значительных тепловых потерь на нагрев окружающего воздуха, самого чайника, а также из-за теплового излучения и испарения воды.

Как уменьшить расход газа?

Чтобы уменьшить расход газа при кипячении воды, нужно минимизировать тепловые потери, описанные выше. Для этого можно следовать простым правилам:

• Используйте крышку. Всегда закрывайте чайник крышкой. Это значительно уменьшает потери тепла за счет испарения и конвекции.
• Регулируйте пламя. Пламя конфорки не должно выходить за пределы дна чайника. Если языки пламени "облизывают" стенки, они в основном греют воздух, а не воду.
• Используйте подходящую посуду. Чайник с широким и плоским дном более эффективно поглощает тепло от пламени.
• Кипятите нужное количество воды. Не стоит кипятить полный чайник, если вам нужна всего одна чашка чая. Чем меньше воды, тем меньше энергии требуется для ее нагрева.
• Своевременно очищайте чайник от накипи. Слой накипи внутри чайника обладает низкой теплопроводностью и работает как изолятор, замедляя передачу тепла воде.
• Используйте чистую конфорку. Загрязненная конфорка может приводить к неполному сгоранию газа и снижению эффективности.

Ответ: Для уменьшения расхода газа следует всегда накрывать чайник крышкой, регулировать пламя под размер дна посуды, кипятить только необходимый объем воды и регулярно очищать чайник от накипи.