برای حل این مسئله، ابتدا باید بدانیم که چه مقدار گرما لازم است تا ۳ لیتر آب را از ۲۰ درجه سلسیوس به ۱۰۰ درجه سلسیوس (دمای جوش) برساند.
فرمول انتقال گرما به صورت زیر است:
\[
Q = mc\Delta T
\]
که در آن:
- \(m\): جرم آب
- \(c\): ظرفیت گرمایی ویژه آب
- \(\Delta T\): تغییر دمای آب
ابتدا باید جرم آب را محاسبه کنیم. دانسیته آب برابر \(1 \frac{g}{cm^3}\) یا \(1000 \frac{kg}{m^3}\) است. بنابراین، ۳ لیتر آب معادل ۳ کیلوگرم است.
ظرفیت گرمایی ویژه آب \(C = 4.2 \frac{kJ}{kg°C}\) دادهشده است.
تغییر دما \(\Delta T = 100 - 20 = 80°C\) خواهد بود.
بنابراین:
\[
Q = 3 \times 4.2 \times 80 = 1008 \text{ kJ}
\]
سماور در هر ثانیه \(840 J\) انرژی میدهد. پس باید کل انرژی را به ثانیه تبدیل کنیم:
\[
1008 \times 1000 = 1008000 \text{ J}
\]
بر این اساس، زمان مورد نیاز به شکل زیر محاسبه میشود:
\[
t = \frac{1008000}{840} \approx 1200 \text{ ثانیه}
\]
زمان به دقیقه:
\[
\frac{1200}{60} = 20 \text{ دقیقه}
\]
بنابراین، پاسخ درست گزینهی (4) یعنی ۲۰ دقیقه است.