Протекание электрического тока в проводниках вызывает их нагревание. Количество теплоты, выделяемой проводником при прохождении по нему тока, определяется по закону Джоуля - Ленца:
Q=I2Rt, (1)
где I - сила тока в цепи нагревателя; R – сопротивление нагревателя; t - время прохождения тока.
Работа, совершаемая электрическим током при нагревании, в соответствии с законом сохранения энергии равна выделяющейся теплоте и определяется выражением:
А = Q = IUt, (2)
где U - напряжение на клеммах нагревателя.
Мощность электрического нагревателя равна
. (3)
При работе электрического нагревателя всегда имеют место потери энергии (тепла) на излучение и нагрев посторонних предметов. Поэтому коэффициент полезного действия h нагревателя всегда меньше единицы и определяется отношением полезно использованного тепла Qп ко всему теплу Q, выделенному в нагревателе за счет энергии электрического тока:
. (4)
Если на нагревателе производится нагрев жидкости, находящейся в некотором сосуде, то количеством полезно использованной теплоты Qп следует считать энергию Q 1 + Q 2, используемую соответственно на нагревание сосуда (Q 1) и жидкости (Q 2) в нем:
(5)
где с 1 и с 2 - удельные теплоемкости материала сосуда и жидкости соответственно; m 1 и m 2 - масса сосуда и масса жидкости соответственно; t н и t к – начальная и конечная температуры жидкости и сосуда, находящихся в тепловом контакте.
С учетом (5) полезно использованная энергия вычисляется по формуле
, (6)
а коэффициент полезного действия с учетом (2), (4) и (6) будет равен:
. (7)
Если КПД нагревателя низок, то значительная часть выделившейся в нагревателе теплоты переходит в окружающую среду. В результате стоимость потребленной электроэнергии окажется неоправданно высокой. Кроме того, выделение теплоты в окружающую среду ведет к ухудшению экологической обстановки. Таким образом, экономические и экологические факторы требуют увеличения КПД нагревателей, который можно повысить за счет снижения потерь энергии путем использования тепловых экранов и улучшения теплоизоляции.
