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。

表 1 开水冷却过程水温随时间的变化

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

燃气灶烧水火力的设计

根据以上对 Q₁ 和 Q₂ 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）

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 ΔU ＝ cmΔt 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。

发布时间：2023/1/19 上午10:35:30  阅读次数：2568