Может ли нагревательный элемент мощностью 1 Вт вскипятить воду? [закрыто]

Если я возьму нагревательный элемент мощностью 1 ватт, положу его в стакан с водой и поставлю их обоих внутрь герметичной воображаемой камеры, которая не проводит тепло наружу (опять же воображаемое).

В конце концов вода закипит?

Если нет, то я не понимаю, почему, поскольку электричество продолжает течь через нагревательный элемент, вырабатывая все больше и больше энергии в джоулях, а поскольку температура — это всего лишь увеличение в джоулях на килограмм, в идеально герметичной камере тепло будет накапливаться и медленно поднять температуру.

Просто для справки: ваша воображаемая камера адиабатическая .
В какой-то момент ваш нагревательный элемент станет слишком горячим и расплавится, разорвав цепь. Однако это произойдет после того, как вода закипит — температура плавления вольфрама очень высока по сравнению с температурой кипения воды.
Смешно, по теме: what-if.xkcd.com/35
Или просто встряхните идеально изолированный термос, наполовину наполненный водой.
Не ясно. Почему вы думаете, что он не будет кипеть? В чем ваша трудность?

Ответы (4)

В описанном вами сценарии без потери тепла в окружающую среду (идеальная изоляция) температура воды будет расти без ограничений, пока вы продолжаете добавлять энергию в систему, которая в сценарии составляет 1 Вт. Учитывая достаточное количество времени (и при условии, что ваш контейнер не сломается), это превысит температуру солнца. В какой-то момент, вероятно, произойдет одно или несколько фазовых переходов, и момент, в который они произойдут, будет зависеть от давления. Вы не указываете, поддерживается ли это при атмосферном давлении (изобарический) или давлению разрешено повышаться, а граница фиксирована (изохорический). Это актуально, поскольку вода кипит только при 100°C при атмосферном давлении на уровне моря.

Температура элемента не имеет значения, потому что, если вы продолжите накачивать в него энергию, она также будет продолжать расти по мере повышения температуры воды. Элемент и водная система никогда не будут находиться в термодинамическом равновесии, пока вы продолжаете качать энергию. Относительные температуры элемента и воды в любой момент будут зависеть от тепловых свойств обоих материалов.

Чтобы добавить к этому, и, пожалуйста, поправьте меня, если я ошибаюсь, будет становиться все более «трудным» продолжать достигать входной мощности в 1 Вт по мере повышения температуры системы. Например, при использовании электрического резистивного нагревательного элемента повышенная температура увеличивает сопротивление и, следовательно, требует большего напряжения для той же мощности. Таким образом, «насос» (генератор), подающий энергию, должен будет постоянно преобразовываться до более высокого напряжения, подобно тому, как автомобиль переключает передачи, чтобы не отставать от увеличивающейся скорости колес. Просто практическое примечание (например, «нагревательный элемент расплавится», лол)
@ jnez71: Нетрудно заставить электрический нагревательный элемент работать так же хорошо при +1000C, как и при -40C; единственная трудность (и обычно это проблема только при более экстремальных температурах) заключается в обеспечении того, чтобы устройство не расплавилось и не пострадало от дифференциального расширения и сжатия. Это одно из преимуществ электрического обогрева для промышленного применения.
@supercat Это справедливо. Эффект, который я описал, действительно имеет место (и проявляется по-разному во всех проблемах с постоянным питанием), но что касается электрического нагрева, дополнительное тепловое сопротивление на самом деле не ограничивает практичность в огромном диапазоне температур. Я подсчитал, что сопротивление вольфрамовой нити увеличится только в 16 раз при нагреве от 0°C до ее заведомо высокой температуры плавления, а это означает, что для поддержания постоянной мощности напряжение питания нужно будет увеличить только в 4 раза. Плавление / термическое разрушение гораздо более ограничено.
@jnez71: Ага. И если напряжение увеличится в четыре раза, ток, необходимый для удержания этого напряжения, также уменьшится в четыре раза.
@ jnez71 Некоторые материалы (например, металлы) увеличивают сопротивление при повышении температуры. Другие (например, полупроводники) работают с точностью до наоборот, поэтому электроника страдает от теплового разгона, потому что процесс имеет положительную обратную связь. Он называется «отрицательный температурный коэффициент».
@Agent_L Да, это правда, и для тех, кто хочет добиться постоянной мощности, можно сказать, что необходимо увеличивать подаваемый ток при повышении температуры. (Хотя это, скорее, было бы описано как снижение напряжения). Для всех, кто читал мой первый комментарий, я не имел в виду, что высокое напряжение является принципиальной проблемой, а скорее, что будет необходимо постоянно «преобразовывать» (т.е. с помощью трансформатора) мощность, чтобы поддерживать ее значение постоянным. Затем, конечно же, я определил, что необходимые факторы трансформации значительно ниже, чем следовало бы беспокоиться.

Да, если тепло не будет теряться, то вода в конечном итоге достигнет той же температуры, что и нагревательный элемент — предположительно выше, чем 100 ∘ С .

Вода имеет теплоемкость 4200 Дж / ( к грамм ∘ С ) , так 250 с м 3 стакан воды нагревается 1 Вт (т.е., 1 Дж / с ) будет нагревать его со скоростью

1 Дж / с 0,25 к грамм ⋅ 4200 Дж / ( к грамм ∘ С ) ≈ 1 / 1000 ∘ С / с

Вы указали идеальный изолятор, но интересно посмотреть, что происходит, когда мы допускаем охлаждение.

Мы можем представить куб воды со сторонами длиной л .

Совершенно черное тело будет излучать тепло со скоростью

п знак равно о Т 4 А .

Реальные материалы не являются идеальными черными телами, поэтому нам нужно умножить наш результат на фиктивный коэффициент, называемый коэффициентом излучения , который для воды составляет около 0,96.

Установить мощность п к нашему источнику питания 1 Вт.

Область А знак равно 6 л 2 куда л длина стороны нашего куба.

Температура Т ≈ 373 К для кипячения воды.

л знак равно 1 о Т 4 * 6 * 0,96 ≈ 12 см

Игнорируя все другие теплопередачи, наш водяной куб закипит, если его сторона меньше примерно 12 см.

«Игнорируя все другие теплопередачи». Это как-то слишком упрощенно. Конвекция и теплопроводность тоже будут играть большую роль, вероятно, большую, чем ваши потери на излучение.
@EricDuminil Но это хорошее умственное упражнение. Так что, если вы находитесь в космосе в ожидании своего полета и хотите вскипятить чашку чая, пока ждете, с портом USB 2.0 мощностью 2,5 Вт в вашем скафандре, вы знаете ... о, подождите ;-).
@PeterA.Schneider В этом случае просто ничего не делайте, вода закипит сама по себе, если в этой ситуации нет проводимости (и, следовательно, нет воздуха, поэтому нет давления)
@Ferrybig Это было мое «о, подожди» ;-). Боюсь, чай будет невкусным; вы останетесь с пропаренными листьями при температуре в несколько градусов, и вам понадобится небольшой воздушный затвор для еды.

Если вы поместите нагревательный элемент мощностью 1 Вт в стакан с водой, она не закипит, потому что стакан с водой будет охлаждаться воздухом и излучать тепло. Как только температура стабилизируется на определенном уровне, поступление тепла от элемента будет равняться тепловым потерям в окружающую среду. Если увеличить мощность элемента, соответственно возрастет и температура. Наконец, при определенном уровне мощности температура достигает точки кипения. Это определенно не произойдет при 1 Вт и вряд ли при 10 Вт. Точный уровень мощности, необходимый для кипячения, зависит от ряда факторов и, вероятно, будет ближе к 100 Вт, плюс-минус.

Чтобы вскипятить стакан воды с элементом мощностью 1 Вт, вам нужно предотвратить потерю тепла. Самый простой способ сделать это — поместить элемент в термос. Если термос качественный (двойные зеркальные стенки с вакуумом между ними и энергосберегающая крышка), то вы должны уметь кипятить воду с элементом мощностью 10 Вт, а если термос очень хорошо и качественно закрыт, то потенциально даже с элемент 1 Вт.

Да, но мой вопрос об идеальной воображаемой камере, такой, которая не дает теплу "утекать"
@physicsnewbie Конечно, это то же самое, что и «очень хороший термос». Мой ответ просто также включает более общую и реалистичную ситуацию для полноты картины. В идеальной камере температура будет неуклонно повышаться до кипения со скоростью, рассчитанной в ответе Мартина, или примерно через 24 часа, начиная с комнатной температуры. Однако, в отличие от того, что он сказал, температура нагревательного элемента не имеет значения, потому что она также будет увеличиваться со временем.
я понимаю, почему нагревательный элемент также будет увеличиваться со временем, но что, если это была свеча, если предположить, что у нее каким-то образом был бесконечный запас кислорода. я всегда читал, что свечи сгорают до определенной температуры, и я не мог понять, почему они «застревают» на этой температуре и не поднимаются все выше и выше, как нагревательный элемент.
Если вы используете свечу с определенной температурой, то, как только вода достигнет этой температуры, передача тепла прекратится. Это будет результатом того, что свеча находится за пределами вашей запечатанной камеры. Следовательно, передача мощности от элемента (свечи) к камере прекратится (упадет с 1 Вт до нуля). Это нарушило бы условия вашего вопроса, в частности, постоянную теплоотдачу 1 Вт. Для выполнения этого условия можно использовать более горячую свечу, но не обязательно. Вы могли бы просто использовать резистор 1 Ом, питаемый 1 Вольтом, и его температура просто увеличилась бы с температурой воды.
@physicsnewbie Что касается свечей, physics.stackexchange.com/questions/272893/… Короче говоря, вам нужно гораздо больше магии, чтобы сделать это со свечой, чем с электрическим нагревательным элементом. Если бы можно было подавать к свече кислород той же температуры, что и остальная система, она могла бы достигать более высоких температур - это просто невозможно в реальности, так как углекислый газ уносит много тепла, а свежий кислород будет довольно холодным (если вы предварительно не нагреете его - это означает, что много тепла больше не исходит от свечи).
Если гипотетически свеча находится внутри, как вы описываете, ее температура будет равна сумме температуры окружающей среды (воды) и температуры горения. Так что со временем он будет гореть все горячее и горячее. Другими словами, тепловая энергия горящего топлива повысит температуру свечи по сравнению с ее текущей температурой. Ключевым моментом здесь является энергия, выделяемая при горении, в то время как результирующая температура является следствием добавления этой энергии, и, таким образом, температура горения свечи не будет постоянной, а будет увеличиваться со временем.
@Luaan Да, согласен.
Может ли нагревательный элемент мощностью 1 Вт вскипятить воду? [закрыто]
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v