Question

太陽能熱水器能利用太陽能把水從低溫加熱到高溫，以滿足人們日常生活的需要．如圖甲所示，太陽能熱水器主要由兩部分構成：一部分是由許多根玻璃吸熱管組成的集熱器，每根玻璃吸熱管由雙層玻璃管組成，雙層玻璃管之間是真空．如圖乙所示是玻璃吸熱管的工作原理圖，它的結構與保溫瓶的玻璃內膽相似，只是在玻璃吸熱管的內表面涂了一層黑色的吸熱材料；另一部分是保溫儲水箱，保溫儲水箱下部與玻璃吸熱管相通．
玻璃吸熱管工作原理如圖乙所示：當太陽光入射到黑色的吸熱層上時，黑色吸熱層能把太陽能更有效地轉化為內能，將管內的水加熱．向光一側的水被加熱后體積增大，向上運動；背光一側的水由于溫度較低，向下運動，形成冷熱水循環，最終整箱水都升高至一定的溫度．玻璃吸熱管具有吸熱保溫作用．
請回答以下問題：

（1）玻璃吸熱管內向光一側的水吸熱后體積增大、密度

變小

（選填“變大”、“不變”或“變小”）．
（2）能否將黑色的吸熱材料涂在玻璃吸熱管的外表面上？簡單說明理由．

不能，因為玻璃是熱的不良導體，集熱管中又有真空層，不利于將熱量傳遞給管內的水

．
（3）將質量為100kg的初溫為20℃的水加熱到60℃，求這些水需要吸收多少熱量？[水的比熱容是4.2×10³J/（kg?℃）]
（4）某品牌太陽能熱水器集熱器面積為S=2m²，熱效率為η=40%（即熱水器能將照射到玻璃吸熱管上的太陽能的40%轉化為水的內能），該地點太陽能輻射到地面的平均功率為P=1.4×10³W/m²（即平均每平方米每秒鐘太陽輻射能為1.4×10³J）．在第（3）小題中水吸收的熱量由該熱水器提供，求需要加熱多長時間？

Answer 1

分析：（1）玻璃吸熱管內向光一側的水吸熱后體積增大，質量不變，根據密度公式可知密度的變化；
（2）玻璃吸熱管的內表面涂了一層黑色的吸熱材料，吸收太陽輻射熱，傳遞給水，水吸熱溫度升高；若將黑色的吸熱材料涂在玻璃吸熱管的外表面，因為玻璃是熱的不良導體，集熱管中又有真空層，不利于將熱量傳遞給管內的水；
（3）知道水的質量、水的比熱容、水的初溫和末溫，利用吸熱公式Q_吸=cm（t-t₀）求水吸收的熱量；
（4）根據題意可求每秒水吸收的熱量，又知道水吸收的熱量，求需要的加熱時間．

解答：解：（1）玻璃吸熱管內向光一側的水吸熱后體積增大，質量不變，由ρ=

m

V

可知密度變小；
（2）不能將黑色的吸熱材料涂在玻璃吸熱管的外表面，因為玻璃是熱的不良導體，集熱管中又有真空層，不利于將熱量傳遞給管內的水；
（3）水吸收的熱量：
Q_吸=cm（t-t₀）
=4.2×10³J/（kg?℃）×100kg×（60℃-20℃）
=1.68×10⁷J；
（4）熱水器每秒水吸收的熱量：
Q_吸′=Pst×40%=1.4×10³W/m²×2m²×1s×40%=1120J，
∴加熱時間：
t=

Q吸

Q吸′

=

1.68×107J

1120J/s

=15000s≈4.2h．
答：（1）變小；
（2）不能，因為玻璃是熱的不良導體，集熱管中又有真空層，不利于將熱量傳遞給管內的水；
（3）這些水需要吸收的熱量為1.68×10⁷J；        
（4）需要加熱4.2h．

點評：本題考查了學生對密度公式、吸熱公式和能量的利用率的運用，要學會審題，從復雜的題干中搜集有用信息，計算時注意溫度升高了（△t）、升高（△t）和升高到（末溫）的區別．