题目

阅读下面的短文，回答问题。 太阳能热水器 太阳能热水器能利用太阳能把水从低温加热到高温，以满足人们日常生活的需要。它具有安全、节能、环保等优点。 如图I4 -12所示，太阳能热水器主要由两部分构成：一部分是由许多根玻璃吸热管组成的集热器，每根玻璃吸热管由双层玻璃管组成，双层玻璃管之间是真空。如图14 - 13所示是玻璃吸热管的工作原理图，它的结构与保温瓶的玻璃内胆相似，只是在玻璃吸热管的内表面涂了一层黑色的吸热材料；另一部分是保温储水箱，保温储水箱下部与玻璃吸热管相通。 玻璃吸热管工作原理如图14 -13所示，当太阳光入射到黑色的吸热层上时，黑色吸热层能把太阳能更有效地转化为热能，将管内的水加热，向光一侧的水被加热后体积增大、密度变小而向上运动；背光一侧的水由于温度较低、密度较大而向下运动，形成冷热水循环，最终整箱水都升高至一定的温度，玻璃吸热管具有吸热保温作用。(1)玻璃吸热管内向光一侧的水吸热后体积增大、密度变小，所受到的浮力——重力。(2)能否将黑色的吸热材料涂在玻璃吸热管的外表面上？简单说明理由(3)将质量为100 kg的初温为20℃的水加热到60℃，求这些水需要吸收多少热量？[水的比热容是4.2×I03J/( kg．℃)](4)某品牌太阳能热水器集热器面积为S=2 mz，热效率为77= 40c/o(印热水器能将照射到玻璃吸热管上的太阳能的40%转化为水的热能)，该地点太阳能辐射到地面的平均功率为P=1.4×l03 W／n12(即平均每平方米每秒钟太阳辐射能为1.4×l03 J)。在第(3)小题中水吸收的热量由该热水器提供，求需要加热多少小时。保温储水箱-|||-保温储水箱 热水-|||-集热器 大家 冷水-|||-真空层-|||-涂有黑色吸热材料-|||-玻璃吸热管

阅读下面的短文，回答问题。
                                                                     太阳能热水器
    太阳能热水器能利用太阳能把水从低温加热到高温，以满足人们日常生活的需要。它具有安全、节能、环保等优点。
    如图I4 -12所示，太阳能热水器主要由两部分构成：一部分是由许多根玻璃吸热管组成的集热器，每根玻璃吸热管由双层玻璃管组成，双层玻璃管之间是真空。如图14 - 13所示是玻璃吸热管的工作原理图，它的结构与保温瓶的玻璃内胆相似，只是在玻璃吸热管的内表面涂了一层黑色的吸热材料；另一部分是保温储水箱，保温储水箱下部与玻璃吸热管相通。
    玻璃吸热管工作原理如图14 -13所示，当太阳光入射到黑色的吸热层上时，黑色吸热层能把太阳能更有效地转化为热能，将管内的水加热，向光一侧的水被加热后体积增大、密度变小而向上运动；背光一侧的水由于温度较低、密度较大而向下运动，形成冷热水循环，最终整箱水都升高至一定的温度，玻璃吸热管具有吸热保温作用。
(1)玻璃吸热管内向光一侧的水吸热后体积增大、密度变小，所受到的浮力——重力。
(2)能否将黑色的吸热材料涂在玻璃吸热管的外表面上？简单说明理由
(3)将质量为100 kg的初温为20℃的水加热到60℃，求这些水需要吸收多少热量？[水的比热容是4.2×I03J/( kg．℃)]
(4)某品牌太阳能热水器集热器面积为S=2 mz，热效率为77= 40c/o(印热水器能将照射到玻璃吸热管上的太阳能的40%转化为水的热能)，该地点太阳能辐射到地面的平均功率为P=1.4×l03 W／n12(即平均每平方米每秒钟太阳辐射能为1.4×l03 J)。在第(3)小题中水吸收的热量由该热水器提供，求需要加热多少小时。

题目解答

答案

1)大于  
(2)不能。因为玻璃是热的不良导体，集热管中又是真空，不利于把热量传递给管内的水 
(3)1. 68×I07J    
(4)4. 17 h

解析

  1. 浮力与重力的关系：当物体密度变化时，浮力与重力的比较需结合阿基米德原理。
  2. 热传递条件：真空层和热的不良导体限制热量传递，需分析材料位置对效率的影响。
  3. 热量计算：直接应用比热容公式 $Q=cm\Delta T$。
  4. 能量转化与时间计算：结合效率、功率计算总能量需求，注意单位换算。

第（1）题

浮力与重力比较

向光一侧的水吸热后体积增大，密度变小，导致其密度小于周围水的密度。根据阿基米德原理，浮力 $F_{\text{浮}} = \rho_{\text{液}} g V_{\text{排}}$，此时浮力 大于 水的重力 $G=mg$，因此水会上升。

第（2）题

热传递路径分析

若将黑色吸热材料涂在外部，热量需通过玻璃传递到内部水。但玻璃是 热的不良导体，且双层玻璃间为 真空，热传导和对流效率极低，无法有效传递热量。

第（3）题

热量公式应用

水吸收的热量为：
$Q = cm\Delta T = 4.2 \times 10^3 \, \text{J/(kg·℃)} \times 100 \, \text{kg} \times (60 - 20) \, \text{℃}$

第（4）题

总能量需求

水需吸收 $Q = 1.68 \times 10^7 \, \text{J}$。

集热器每小时收集的能量

每平方米每秒辐射能为 $1.4 \times 10^3 \, \text{J}$，则每小时集热器收集的能量为：
$E_{\text{总}} = S \times P \times 3600 \, \text{s} \times \eta = 2 \, \text{m}^2 \times 1.4 \times 10^3 \, \text{J/m}^2/\text{s} \times 3600 \, \text{s} \times 0.4$

时间计算

总时间 $t = \frac{Q}{E_{\text{总}}}$，注意单位换算。