Question

某中學(xué)在學(xué)生宿舍樓頂安裝了十臺(tái)相同的太陽能、電能兩用熱水器，供學(xué)生洗澡．每臺(tái)熱水器容積為100L．在一般光照條件下，一滿箱15℃的水經(jīng)白天太陽加熱，溫度可達(dá)到45℃，求
（1）10臺(tái)熱水器獲得的太陽能相當(dāng)于多少千克天然氣完全燃燒放出的熱量？（已知水的比熱容為4.2×10³J/（kg?℃），天然氣的熱值為8.4×10⁷J/kg）
（2）學(xué)生宿舍樓層高3m，熱水器安裝在八樓樓頂，那么該地區(qū)地面的水壓至少要多大，才能順利為熱水器上水？（大氣壓p₀=1.0×10⁵Pa，g取10N/kg）
（3）如果遇到雨天，則要用電加熱，那么將一臺(tái)裝滿水的熱水器中的水由15℃加熱到45℃需要多長時(shí)間？（已知每臺(tái)熱水器的電功率為1.5KW，設(shè)所消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能）．

Answer 1

解：（1）10臺(tái)熱水器內(nèi)水的總體積：
v=100L×10=1000L=1m³，
水的總質(zhì)量：
m=ρv=1×10³kg/m³×1m³=1000kg，
水吸收的熱量：
Q_吸=cm△t=4.2×10³J/（kg?℃）×1000kg×（45℃-15℃）=1.26×10⁸J，
由題知，Q_吸=Q_放=m′q，
∴需要天然氣的質(zhì)量：
m′===1.5kg；

（2）熱水器距地面高度：
h=3m×8=24m，
最低供水水壓：
p=p₀+ρgh=1.0×10⁵Pa+1×10³kg/m³×10N/kg×24m=3.4×10⁵Pa；

（3）一臺(tái)太陽能熱水器內(nèi)的水吸收的熱量：
Q_吸′=×Q_吸=×1.26×10⁸J=1.26×10⁷J，
由題知，消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，
即：W_電=Pt=Q_吸′=1.26×10⁷J，
需要加熱時(shí)間：
t===8400s=140min．
答：（1）10臺(tái)熱水器獲得的太陽能相當(dāng)于1.5kg天然氣完全燃燒放出的熱量；
（2）該地區(qū)地面的水壓至少要3.4×10⁵Pa；
（3）要用電加熱，將一臺(tái)裝滿水的熱水器中的水由15℃加熱到45℃需要140min．
分析：（1）知道水的體積，利用密度公式求水的質(zhì)量，再利用吸熱公式求水吸收的熱量，知道天然氣的熱值，利用Q_吸=Q_放=mq求需要天然氣的質(zhì)量；
（2）求出熱水器距地面高度，需要的最低供水水壓等于大氣壓加上水產(chǎn)生的壓強(qiáng)，據(jù)此求解；
（3）求出一臺(tái)太陽能熱水器內(nèi)的水吸收的熱量Q_吸′，知道電熱水器的功率，根據(jù)Q_吸′=W_電=Pt求用電熱水器把水從15℃加熱到45℃需要的時(shí)間．
點(diǎn)評(píng)：本題考查了學(xué)生對(duì)密度公式、吸熱公式、電功率的公式、液體壓強(qiáng)公式的了解與掌握，是一道電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)的綜合計(jì)算題，知識(shí)點(diǎn)多、綜合性強(qiáng)，屬于難題．