AFPortal | ||
Подготовке к РФО 2007 г.
Чайник на
плите.
Для начала проделаем следующий
опыт. Поставим два совершенно одинаковых чайника с равными количествами
холодной воды на конфорки одинаковой мощности. Один из них закроем крышкой,
а второй оставим открытым. 1.1. Какой из них закипит раньше? Пока чайники нагреваются,
поставим на третью конфорку плиты еще один точно такой же чайник с тем же
количеством холодной воды, что и в первых двух, и попробуем его вскипятить
быстрее (при той же мощности конфорки). Для этого нужно каким-либо способом
быстро повысить температуру воды в нем, обогнав ее нагрев в двух первых
чайниках. Например, вспомним, что для того чтобы повысить температуру воды в
какой-либо емкости, в нее достаточно добавить более горячей воды. 1.2. Может быть, такой
прием ускорит закипание воды в третьем чайнике? Оцените отношение времени
закипания воды в чайнике (20 оС)
и воды в чайнике в который доливают 25 % от массы воды горячую воду (80
оС). Вода не смешивается. Пока мы успешно возились с
третьим чайником, первый, с закрытой крышкой, уже начинает шуметь. 1.3. Укажите причину
этого знакомого всем шума. 1.4. Оцените его характерную частоту. Оторвавшись от горячего дна, где
давление пара в пузырьке было примерно равно атмосферному (иначе он не мог
бы достаточно расшириться для всплытия), пузырек, всплывая, попадает в
верхние, еще не достаточно прогретые слои воды. Заполняющий пузырек
насыщенный пар при этом охлаждается, его давление падает и
уже не может компенсировать внешнего давления на
пузырек со стороны воды. В результате пузырек быстро схлопывается или просто
сильно сжимается (если в нем, помимо водяного пара, содержалось также
некоторое количество воздуха) – в жидкости распространяется звуковой
импульс. Схлопывание одновременно большого числа таких пузырьков, гибнущих в
верхних слоях воды, воспринимается как шум. 1.5. Оцените его характерную частоту. И вот, как и ожидалось, первым
закипает чайник под закрытой крышкой. Об этом нас извещает вырывающаяся из
его носика струя пара. 1.6. А какова ее скорость? И вот, наконец-то, закипает
чайник с открытой крышкой. Он заметно отстал от первого. Кстати, снимать с
плиты его следует с осторожностью – если просто схватиться за ручку, то
можно обжечься паром. 1.7. А что обжигает
сильнее – пар или кипяток? Оцените во сколько раз (M/m)
нужно взять больше кипятка, чтобы оказать такое же тепловое воздействие.
Считать, что 10 % пара находящегося под крышкой конденсируется в воду. Но мы отвлеклись от обсуждения
результата нашего опыта с двумя чайниками. 1.8. Почему же все-таки
чайник с открытой крышкой закипает позже? 1.9. Оцените массу воды, которая испаряется из открытого чайника в процессе доведения его до кипения. 1.10. Рассмотрите
эффекты, замедляющих закипание закрытого крышкой чайника. – неизменности массы в процессе
нагревания. – повышение давления под
закрытой крышкой. Сняв чайник с закрытой крышкой с плиты, вы видите, что кипеть он прекращает не сразу – некоторое время из его носика еще вырывается струя пара. 1.11. Какая же часть воды выкипает после снятия чайника с плиты и за какое время? Справочный материал. Характерные размеры пузырька в жидкости ~ 1 мм. Плотность
насыщенного пара при
Tк
= 373 К (100 oC)
равно
rn(Tк)
= 0,6 кг/м3. Мощность конфорки
P
= 500 Вт. Площадь сечения
носика чайника
S
= 2 см2. Удельная теплота
парообразования
L
= 2,26×106
Дж/кг. Давление насыщенного пара при температуре кипения pн(Tк) = 105 Па. Объем, занятый
насыщенным стоградусным паром под крышкой чайника, составляет
V1
= 1 л. Постоянная
Больцмана
k
= 1,38×10–23
Дж/К. Площадь сечения
чайника
S =
10–3 м2. Плотность воды r = 103 кг/м3.
|