选择性必修三 课题研究

研究样例

燃气灶火力对烧水效率的影响

问题的提出

用燃气灶烧水时,怎样控制火力的大小来提高烧水效率,这是使用燃气灶时普遍遇到的问题。为此,需要研究影响燃气灶烧水效率的因素。[1] 现把燃气灶烧水时的能量转化和转移的情况分析如下。

用燃气灶烧水时,水的内能增加了,水的内能的变化量 ΔU 就是燃气灶输出的有用能量。因此,燃气灶烧水的效率 η = ,而Q = ΔU + Q1 + Q2,这样,要提高燃气灶的烧水效率 η,便要设法减小烧水过程中热水散失给空气的热量 Q1 和火焰加热空气损失的热量 Q2

燃气灶火力如果太大,火焰散失在空气中的热量 Q2 相对较多,会降低效率;调小火力,会延长烧水的时间,热水散失给空气的热量 Q1 随加热时间延长而增大,也会降低效率。

怎样的火力有利于提高燃气灶烧水的效率呢?

热水散热损失(Q1)的研究及其启示

在一个水壶(燃气灶头和水壶吸收的热量忽略不计)中盛水 4.0 kg,用燃气灶加热,如图研-1 所示。水烧开后让其在自然散热下冷却,开始每隔 10 min 记录一次,一段时间后,每隔 20 min 记录水温一次。记录数据时室温为 26 ℃,基本上保证了实验环境温度的恒定。[2] 记录散热过程中不同时刻水的温度值如表 1 所示,作出水的温度随时间变化的水温—时间图像,如图研-2 所示。

图研 -1
图研 -2

表 1 开水冷却过程水温随时间的变化

时间 t/min

0

10

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

水温 /℃

101.9

94.8

90.0

81.0

73.5

66.5

61.5

57.5

53.5

50.5

47.5

45.5

43.7

42.0

40.8

39.8

38.8

质量一定时,水放出的热量跟它温度的下降量成正比。从表 1 中可以看出,水在 0 ~ 20 min 下降的温度(11.9℃)约为 180 ~ 200 min 下降的温度(2.0℃)的 6 倍,说明在单位时间内,水在 90 ~ 100 ℃温度区间散失的热量远大于它在 40 ~ 50 ℃温度区间散失的热量。为减小水在高温时的放热损失,应缩短水在高温时的加热时间。因此,水在高温时,燃气灶的火力不能太小。

燃气加热空气损失能量(Q2)的研究及其启示

燃气灶的火力太大,烧水时明显感到水壶周围空气的热浪,这就意味着燃气在烧水时使周围的空气被加热,浪费了能源。为此,我们选择两种不同火力,分别加热质量为 4 kg 的水从室温上升到 50℃。之所以只加热到 50℃ 就停止,是因为 50℃ 以下的水,通过水散失给空气的热量 Q1 并不多,可把不同火力下的 Q1 视为实验中的常量。该过程中,烧水的能量损失主要是燃气加热空气的热量 Q2 所造成的。

表 2 中的火力 1 是燃气灶的最大火力;火力 2 是燃气火焰大到恰好布满壶底但又不火焰四射的火力。用两种火力把相同的水都升高到 50℃ 所消耗的燃气量如表 2 所示。

表 2 同一燃气灶不同火力加热的耗气量

火力

水的质量

/kg

水的初温

/℃

水的末温

/℃

加热前燃气表读数 /m3

加热后燃气表读数 /m3

消耗燃气 /m3

火力 1(大火)

4.0

26.0

50.0

995.598 5

995.643 8

0.045 3

火力 2(中火)

4.0

26.0

50.0

995.643 8

995.671 6

0.027 8

燃气灶烧水火力的设计

根据以上对 Q1Q2 的研究,可以形成以下燃气灶烧水的节能策略:加热初期,水温不太高时用中火,避免燃气过分加热空气造成的浪费;加热后期,水温较高时用大火,避免因加热时间过长,热水长时期散热造成的浪费。

用实验检验研究结论的正确性。表 3 是三种不同加热方案消耗燃气的实验数据。

表 3 燃气灶三种加热方案消耗燃气的实验数据(水的质量、初温相同,都加热到沸腾)

方案

加热前燃气表读数 /m3

加热后燃气表读数 /m3

消耗燃气 /m3

方案 1(始终大火)

995.972 5

996.060 8

0.088 3

方案 2(始终中火)

996.060 8

996.145 3

0.084 5

方案 3(先中火,后大火)

 

996.145 3

996.223 7

0.078 4

实验结果表明,方案 3 所消耗的燃气量最少,验证了先中火,后大火加热方案的正确性。

参考选题

家用燃气热水器不同加热温度时的热效率研究

研究内容

使用热水器洗澡时,常有两种调温习惯:一种是把加热后的水温直接调节至洗澡的合适温度,如 38℃ 左右;另一种是把热水器的加热温度调到更高,如 50℃ 左右,再通过淋浴水龙头加兑冷水至合适水温,后者可以获得更大的适温水量。这两种情况下热水器工作的热效率相同吗?

研究思路

热水器工作前,先观察燃气表读数,测量加热前水的温度。第一次加热时,把热水器水温调为 38℃,将加热后的热水注入一容器中(如洗衣机或水桶),达到一定体积时,让热水器停止工作。观察燃气表读数,记录所用去的燃气体积。第二次工作时调节热水器的加热温度至更高(例如 50℃),记录加热同样体积的水所需要的燃气。根据热水内能的增加量 ΔUcmΔt 和所消耗的燃气,就可以比较两种情况下热效率的高低。

如果已知被加热水的体积,查找燃气的热值,还可以算出两种情况下热效率的大小。

 

[1] 水壶的质量和比热容都较小,以下不考虑其吸收的热量。

[2] 室内空间较大,开启了一台排气扇的低风挡进行换气。

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发布时间:2023/1/19 10:35:30  阅读次数:179

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