Question

在北方冬天熱力廠將水加熱后，通過管道把熱水送到各家各戶的暖氣片中進(jìn)行集中供暖．在南方家庭取暖的設(shè)施各不相同，油汀電暖器是一種常用的取暖設(shè)備，如圖所示，上下各一根中空的金屬管，其中一根管中安裝一根電發(fā)熱絲，這兩管道間用若干條形金屬管上下連通，在管道中充滿絕緣、導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)熱油．現(xiàn)己知該電暖器最大電功率為 2000W，其中導(dǎo)熱油6kg，金屬管及散熱片等總重 5kg．水的比熱容為 c₀=4.2x10³ J/（ kg?℃），導(dǎo)熱油的比熱容 c_l=1.8×10³J/（kg?℃），金屬管及散熱片的比熱容 c₂=0.46×10³J/（ kg?℃）?導(dǎo)熱油的凝固溫度約-48℃，沸點(diǎn)約150℃．試解答下列問題：
（1）為什么北方集中供暖用水作為傳遞熱量的介質(zhì)，而油汀電暖器卻要用導(dǎo)熱油作為傳遞熱量的介質(zhì)？依據(jù)你所學(xué)的知識(shí)說明其道理．
（2）油汀電暖器的電發(fā)熱絲應(yīng)當(dāng)安裝在上金屬管還是下金屬管中？為什么？
（3）為什么油汀電暖器要采用“上下各一根中空的金屬管，這兩管道間用若干根金屬管上下連通”的結(jié)構(gòu)，而不采用“左右各一根中空的金屬管，這兩管道間用若干根金屬管左右連通”的結(jié)構(gòu)？請(qǐng)說明其中的道理．
（4）若室內(nèi)溫度為0℃，要將該電暖器的溫度升至80℃，至少需多長(zhǎng)時(shí)間？設(shè)加熱過程中散失的熱量占總熱量的20%．

Answer 1

分析：（1）①比熱容是指單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量；同樣質(zhì)量的不同物體，降低相同的溫度，比熱容大的物體放出的熱量多；
②電熱油汀里盛的是油，因?yàn)閷?dǎo)熱油沸點(diǎn)高，可以達(dá)到更高的溫度，取暖效果好；油是絕緣體用起來更安全．
（2）熱總是由高溫物體向低溫物體傳遞，熱傳遞的三種方式是：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射；對(duì)流是流體（液體和氣體）中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)所引起的熱量傳遞的過程；
（3）熱對(duì)流的方向：高溫的油上升、低溫的油下降，據(jù)此分析選擇；
（4）電流通過下金屬管中的電熱絲做功，消耗電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使電暖器內(nèi)的油、金屬管及散熱片溫度升高，由題知W_電×（1-20%）=Q_吸，而W_電=Pt，據(jù)此求加熱時(shí)間．

解答：解：
（1）①因?yàn)樗�的比熱容大，同樣質(zhì)量的水和其它物質(zhì)比較，降低相同的溫度，水放出的熱量多，故北方集中供暖用水作為傳遞熱量的介質(zhì)；
②因?yàn)閷?dǎo)熱油沸點(diǎn)高，可以達(dá)到更高的溫度，取暖效果好；另外油是絕緣體用起來更安全．
（2）油汀電暖器的電發(fā)熱絲應(yīng)當(dāng)安裝在下金屬管中，加熱電暖器下方的油，發(fā)生對(duì)流，使油快速升高溫度；
（3）電流通過下金屬管中的電熱絲做功，使下方的油內(nèi)能增加、溫度升高，高溫的油上升，上方低溫的油下降，發(fā)生對(duì)流，所以采用“上下各一根中空的金屬管，這兩管道間用若干根金屬管上下連通”的結(jié)構(gòu)；
（4）溫度從0℃升高至80℃，油吸收的熱量：
Q_油吸=c₁m₁△t=1.8×10³J/（kg?℃）×6kg×80℃=8.64×10⁵J，
金屬管及散熱片吸收的熱量：
Q_金吸=c₂m₂△t=0.46×10³J/（kg?℃）×5kg×80℃=1.84×10⁵J，
Q_吸=Q_油吸+Q_金吸=8.64×10⁵J+1.84×10⁵J=1.048×10⁶J，
由題知，W_電×（1-20%）=Q_吸，
∴W_電=

Q吸

1-20%

=

1.048×106J

0.8

=1.31×10⁶J，
∵W_電=Pt，
∴t=

W電

P

=

1.31×106J

2000W

=655s．
答：至少需要655s．

點(diǎn)評(píng)：本題是一道電學(xué)與熱學(xué)的綜合應(yīng)用題．與生活聯(lián)系密切，使學(xué)生覺得學(xué)了物理有用．
本題也考核學(xué)生面臨新問題時(shí)，如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)及物理的一般能力去解決實(shí)際問題，可以有效地改變學(xué)生一切依賴教師的習(xí)慣，是學(xué)生今后立足社會(huì)所必須具備的素質(zhì)，在平時(shí)教學(xué)中，教師要有的放矢的設(shè)定這樣的情境，培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)際問題的能力．