¿Puede hervir agua un elemento calefactor de 1 vatio? [cerrado]

En el escenario que describe, sin pérdida de calor al medio ambiente (aislamiento perfecto), la temperatura del agua aumentará sin límite siempre que siga agregando energía al sistema, que en el escenario es a razón de 1 W. Dado el tiempo suficiente (y suponiendo que su contenedor no se descomponga), esto superará la temperatura del sol. En algún momento habrá probablemente uno o más cambios de fase, y el punto en el que se produzcan dependerá de la presión. No indica si esto se mantiene a la presión atmosférica (isobárico) o si se permite que la presión aumente y el límite es fijo (isocórico). Esto es relevante ya que el agua solo hierve a 100°C a la presión atmosférica a nivel del mar.

La temperatura del elemento es irrelevante porque si sigue bombeando energía en él, también seguirá aumentando a medida que aumenta la temperatura del agua. El elemento y el sistema de agua nunca estarán en equilibrio termodinámico mientras continúe bombeando energía. Las temperaturas relativas del elemento y del agua en un momento dado dependerán de las propiedades térmicas de ambos materiales.

Sí, si no se pierde calor, el agua finalmente alcanzará la misma temperatura que el elemento calefactor, presumiblemente más de$100\,^\circ\mathrm C$.

El agua tiene una capacidad calorífica de$4200 \,\mathrm{J/(kg\,^\circ C)}$, así que un$250 \,\mathrm{cm^3}$vaso de agua siendo calentado por$1 \,\mathrm W$(es decir,$1 \,\mathrm{J/s}$) lo calentará a razón de

Usted especificó un aislante perfecto, pero es divertido ver qué sucede cuando permitimos el enfriamiento.

Podemos imaginar un cubo de agua con lados de longitud$l$.

Un cuerpo negro perfecto irradiará calor a una velocidad

$P = \sigma T^4 A$.

Los materiales reales no son cuerpos negros perfectos, por lo que debemos multiplicar nuestro resultado por un factor de error llamado emisividad , que es de aproximadamente 0,96 para el agua.

Establecer poder$P$a nuestro suministro de 1W.

Área$A = 6l^2$donde$l$es la longitud del lado de nuestro cubo.

La temperatura$T \approx 373K$para agua hirviendo.

$l = \sqrt{\frac{1}{\sigma T^4*6*0.96}} \approx 12$cm

Ignorando todas las demás transferencias de calor, nuestro cubo de agua hervirá si mide menos de aproximadamente 12 cm por cada lado.

Si coloca un elemento calefactor de 1 W en un vaso de agua, no hervirá, porque el vaso con agua se enfriará con aire e irradiará calor. Una vez que la temperatura se estabiliza en un cierto nivel, la entrada de calor del elemento sería igual a la pérdida de calor hacia el medio ambiente. Si aumenta la potencia del elemento, la temperatura aumentaría en consecuencia. Finalmente, en algún nivel de potencia específico, la temperatura alcanzaría el punto de ebullición. Esto definitivamente no sucedería con 1W y probablemente con 10W. El nivel de potencia exacto requerido para hervir depende de una serie de factores y probablemente estaría más cerca de 100 W, más o menos generosamente.

Para hervir un vaso de agua con un elemento de 1 W, debe evitar la pérdida de calor. La forma más sencilla de hacerlo sería poner el elemento dentro de un termo. Si el termo es de alta calidad (paredes de espejo doble con un vacío en el medio y una tapa de bajo consumo), entonces debería poder hervir agua con un elemento de 10 W y, si el termo está muy bien y cerrado de manera eficiente, entonces potencialmente incluso con un elemento de 1W.