如果你喝的是桶装咖啡或茶，你会很高兴曾经有人有魄力发明了一种将冷水变成热水的超高效方法——即电热水壶（也称为电茶壶）。给它装满水，插上电源，打开电源，几分钟后你就有了滚烫的热水，可以饮用或做饭了。水壶究竟是如何工作的？为什么要煮这么久？它怎么知道什么时候关闭自己？让我们仔细看看！
相片：电热水壶是一种利用电能制造热能的便捷方式。它是一个热水器，但它也是一个能量转换装置，说明了最基本的物理定律之一：能量守恒（下面进一步讨论）。
什么是电水壶？
水壶是最简单的家用电器之一。打开盖子，往里看，您会看到在水容器的最底部，有一圈厚金属，称为加热元件。当您将水壶插入电源插座时，大电流会流入加热元件。元件的电阻（任何材料必须阻止电流流过它的趋势）将电能转化为热能。换句话说，元件变热。由于它与冷水直接接触，热量通过传导传递给水并迅速升温。
照片：上图：电热水壶底座内的加热元件，如上图所示。底部：在一些水壶中，该元件被隐藏在内部地板下方，以防止水垢“结垢”。这是一个更整洁的设计，但它确实使水壶噪音更大。
水壶烧开需要多长时间？
你可以用各种方式烧水——即使是在明火或炉子上用简单的平底锅——尽管封闭式水壶通常要快得多：它阻止热量逸出，让压力上升得更快（记住水在饱和时沸腾蒸气压等于大气压），有助于水更快沸腾。但是你有没有因为你的水壶烧开需要多长时间而感到沮丧？不！令人惊奇的是你的水壶沸腾的速度和它一样快——这就是原因。
如果你一直将热能泵入水壶底部（比热量从顶部和侧面逸出的速度快），迟早水壶里的水会沸腾。称为能量守恒定律的基本物理学定律告诉我们，如果您需要从相同的温度开始煮沸一升水，则始终必须添加相同数量的能量才能做到这一点。无论你是使用篝火还是水壶、微波炉或James Prescott Joule的方式中的一些令人惊叹的搅拌装置（见下图），将水烧开所需要投入的能量是完全相同的。
假设您开始使用 1 升（约 1 千克，2.2 磅）约 10°C（50°F）的冷水，然后您想将其温度升高 90°C 至沸点（100°C 或 212°F） . 您需要的能量为 4.2 × 1000 克 × 90 度 = 378,000 焦耳或 378 kJ。
神秘的“4.2”是一个常数值，叫做水的比热容。每种材料都有不同的比热容，这就是将一克材料的温度升高一摄氏度所需要输入的能量。您需要添加 4.2 焦耳的能量才能使 1 克水的温度升高 1°C，因此水的比热容为 4.2 J/g/°C。
烧开一升水需要 378kJ 的能量，比您想象的要多得多。一盏额定功率为 10 瓦的节能灯每秒消耗 10 焦耳的能量（因为 1 瓦意味着每秒消耗 1 焦耳），因此需要 37,800 秒（约 10.5 小时）才能消耗与我们的水壶在一次煮沸！
艺术品：水壶使用大量能量烧开水，但烧水速度很快（大约 2.5 分钟），因为它们的工作功率很高。同样的能量，可以为微波炉供电约8分钟，为笔记本电脑供电1小时20分钟，为节能灯供电约10.5小时。
如果您使用的是额定功率为 2400 瓦的电热水壶，这意味着它每秒消耗 2400 焦耳的电能，并且每秒向水中注入的能量（大致）与热量相同。将 378,000 除以 2400，您会发现水壶需要大约 160 秒才能完成这项工作，这听起来不错——电水壶通常需要大约 2-3 分钟才能煮沸。一句古老的谚语说，看着锅（水壶）永远不会沸腾，但这可以追溯到大多数人过去常常在效率极低的露天煤火上烧水的时代。电热水壶可以在几分钟内将水烧开，因为它可以比明火更快、更有效地为水增加热能（允许热量向各个方向散逸）。
如果您的水壶的额定功率约为 2400 瓦 (W)，而您使用的是 240 伏 (V) 的英国电源，这意味着通过该元件的电流将为 2400 / 240 或 10 安培 (A)。按照家用标准，这是一个很大的电流：相比之下，我为 iPod 使用的小充电器消耗的最大电流为 0.67 安培——水壶的耗电量是它的 15 倍！所以电热水壶如何工作得这么快的答案是使用相对较大的电流。产生的热量与电流的平方成正比，因此与较小的电流相比，较大的电流会产生更多的热量，并且加热速度更快。
照片：典型现代水壶的隐藏式加热元件，从下方看。该元件被密封在浅灰色的中央部分，（如果你仔细观察）你可以看到它的两个端子在右下角伸出来。深灰色边缘（我的拇指接触到的部分）是一个橡胶塑料垫圈，可将加热元件密封在水壶底部并阻止水渗出。顶部的长管将蒸汽从水壶内部输送到恒温器，恒温器会在正确的时间关闭元件（如下所述）。
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即热式热水锅炉是如何工作的？
如果您厌倦了等待并且想让水壶烧得更快，那么您只能做两件事。一种是使用更多的电流——换句话说，买一个更大功率的水壶；另一种用途是使用更少的水。
“速溶”开水器/饮水机（例如 Breville Hot Cup 和 Morphy Richards Meno）结合了这些方法，可以非常快速地煮沸一杯水。它们使用比普通水壶更强大的加热元件（通常为 3000 瓦或更高），并且经过精心设计，该元件仅与少量水接触即可安全运行。如果您只煮沸（比如说）四分之一升水，那么您只需要四分之一的能量——比如 100,000 焦耳。如果你用一个 3000 瓦的元件提供能量，计算一下你会发现你可以在大约 30 秒内完成，而不是 2.5 分钟。你能在这里看到另一个巨大的好处吗？如果你煮一整水壶只做一杯热饮，你实际上是在浪费四分之三的能量 重新消费。只煮所需量的水可为您节省大量资金，并有助于环境也。
水壶如何知道何时关闭？
艺术品：电水壶如何关闭。有一个蒸汽出口和管子（黄色，43 和 44）从水室（灰色，38）的顶部向下通向双金属恒温器和开关（橙色和红色，1 和 2）。当水壶沸腾时，蒸汽沿着这个管子向下流动，加热恒温器，并使其翻开，关闭加热元件（绿色，39）并停止水沸腾。美国专利 4,357,520 中的艺术品：由 John C. Taylor 设计的具有干式和流式敏感热响应控制单元的电开水容器，由美国专利商标局提供。
早期的电热水壶有内在的危险：打开它们相对容易，关闭并做一两件家务，然后就把它们抛在脑后。如果幸运的话，几分钟后回来时，您会发现厨房里充满了蒸汽。如果你不走运，你的水壶元件可能会烧坏、烧断保险丝，甚至引发火灾。
值得庆幸的是，几乎所有现代水壶都使用恒温器（响应温度变化的机械、电气或电子设备）自动关闭。许多都基于英国发明家John C. Taylor开发的设计，其公司 Otter Controls 和 Strix Ltd 在全球开发了超过 10 亿个此类恒温器。
它们是如何工作的？最简单的是机械式，并使用集成到水壶底部元件单元中的双金属恒温器（在我们关于恒温器的主要文章中进行了描述）。它由两种不同金属制成的圆盘组成紧密结合在一起，随着温度升高，其中一个比另一个膨胀得更快。通常恒温器是朝一个方向弯曲的，但当热水达到沸点时，产生的蒸汽会撞击双金属恒温器，使其突然折断并向相反方向弯曲，有点像一把雨伞在风中翻过来。当恒温器突然打开时，它会推动一个使电路跳闸的杠杆，切断电流，并安全地关闭水壶。更复杂的水壶恒温器（用于时尚的 Marco über 咖啡锅炉等系统）完全是电子的，可以将水加热到精确的温度，并通过反复打开和关闭电流来无限期地保持该温度。
照片：这是典型的 Strix 恒温器开关在现实中的样子。我使用了与上图相同颜色的圆点来显示这个旧的、拆开的水壶的关键部件。蒸汽管（黄色）将蒸汽输送到双金属恒温器。恒温器（橙色）关闭水壶。一个开关单元（红色）和几根电线将恒温器、电源开关（粉色）和无线连接器（深蓝色）连接到加热元件的两个端子（绿色）。恒温器和开关用螺丝固定在浅灰色隐藏式加热元件的底部（如本页上方的照片所示）。
照片：双金属恒温器的特写（另一张照片中的橙色圆点）。
“热的机械当量”
图稿：焦耳为寻找热的机械当量而进行的实验。
电热水壶可能看起来非常平凡，但它们值得一读和一写，因为它们出色地说明了我们宇宙中最基本的物理定律之一：你可以将一种能量转化为另一种能量，但你不能从中创造能量稀薄的空气或让它消失得无影无踪。这个极其重要的想法被称为能量守恒，英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule，1818-1889 年）是最早深入其中的人之一。
焦耳设计了一个绝妙的实验。他将重物 (1) 系在绕在滑轮(2) 上的绳索上，当重物落下时，绳索转动轴(3) 并搅动装满水的容器 (4) 内的桨轮。他推断他以这种方式添加到水中的“机械”能会转化为热能，使水稍微变暖。经过反复实验，他成功地证明了重物下落所损失的能量（或他所说的vis viva）恰好等于温水所获得的能量。通过这种方式，焦耳证实了机械能（或功）和热能是可以互换的，并将结果发表在一篇名为The Mechanical Equivalent of Heat的著名论文中，这仍然被认为是能量守恒理论最重要的证实之一。
焦耳相信他可以在现实世界中找到支持他的想法的证据。他所要做的就是找到一个瀑布并测量顶部和底部的温度。落下的水会将势能转化为热量，产生温差，他相信这会证实他的理论。根据他的计算，巨大的尼亚加拉大瀑布底部的温度会比顶部高五分之一度，尽管要测量这一点非常困难！为了解决这个问题，焦耳在 1847 年去法国夏蒙尼度蜜月时带了一些温度计，并试图测量那里的瀑布，尽管他做的不够准确以证明他的观点。
