中考物理二轮复习经典培优模型练专题09内能与光能的转化模型（教师版）

专题09 内能与光能的转化模型

1．经验表明，自制家用太阳能热水器的效率在夏天可达50%；从太阳能手册中查到，在地球表面，晴天时垂直于阳光的表面接收到的热辐射为 1.26×103J/(m2•s)。如果晒水箱内的水大约有40kg，晒水箱接收阳光垂直照射的面积始终是1.5m2，请计算，

(1）要使水温上升30℃需要多少热量？

(2）至少得吸收太阳辐射多长时间？

【答案】(1）5.04×106J；(2）5333s

【详解】

解：(1）晒水箱内的水大约有40千克，要使水温上升30℃水吸收的热量

Q吸=cm∆t=4.2×103J/(kg•℃)×40kg×30℃=5.04×106J

(2）设需要的时间为t，由题知，

Q吸=1.26×103J/(m2•s)×1.5m2×t×50%

则所需的时间

答：(1）要使水温上升30℃需要5.04×106J；

(2）至少得吸收太阳辐射5333s。

2．2021年北京世园会园区主要场馆之一的“中国馆”房顶采用了非晶硅薄膜发电技术，屋顶安装了1056块光伏玻璃，将园区打造为绿色新理念的典范。太阳能发电已成为实现节能减排、可持续发展的重要举措。如图所示的太阳能热水器，它的水箱容积为120L。热水器上的集热器对太阳能的利用效率为40%，在与阳光垂直的地球表面上，每平方米得到的太阳辐射功率约为P0=1400W，如果将整箱水的温度从20℃加热到70℃，需要阳光照射5h，求：

(1）一整箱水的质量是多少千克？

(2）一整箱水温度从20℃加热到70℃需要吸收的热量是多少？

(3）热水器上集热器的面积至少要多大？[水的比热容是：]

【答案】(1）120kg；(2）；(3）2.5m2

【详解】

解：(1）整箱水的体积

120L=120dm3=0.12m3

由可得，一整箱水的质量为

(2）由可得，一整箱水温度从20℃加热到70℃需要吸收的热量为

(3）这台太阳能热水器获得的辐射功率为

P=P0S=1400W/m2×S

太阳照射5h所得到的太阳能为

由，可得

解得：S=2.5m2，即热水器上集热器的面积至少要2.5m2。

答：(1）一整箱水的质量是120kg；

(2）一整箱水温度从20℃加热到70℃需要吸收的热量是；

(3）热水器上集热器的面积至少要2.5m2。

3．太阳能属于清洁且可再生能源，人们可以利用太阳能发电、加热。如图所示，小丽家利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，给家庭供电。已知垂直于太阳光1m2的面积上每秒接收的太阳能为500J，小丽家太阳能电池板面积为10.5m2，太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率为20%，当太阳光垂直射向的太阳能电池板时，【水的比热容c＝4.2×103J/(kg•℃）】

(1）求1分钟内小丽家太阳能电池板转化的电能；

(2）1分钟内该太阳能电池板转化的电能用热水壶烧水，热水壶的效率为80%，则可将25℃的1kg的水升高到几摄氏度？

【答案】(1）6.3×104J；(2）37

【详解】

解：(1）已知垂直于太阳光的1m2面积上每1秒接收的太阳能为500J，面积为10.5m2的太阳能电池板在1分钟内接收到的太阳能

太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率为20%，则通过该太阳能电池板转化的电能

(2）依题意得，水吸收的热量

由得

答：(1）1分钟内小丽家太阳能电池板转化的电能为6.3×104J；

(2）1分钟内该太阳能电池板转化的电能用热水壶烧水，热水壶的效率为80%，则可将25℃的1kg的水升高到37摄氏度。

4．太阳能热水器是把太阳能转化为内能的设备,某热水器每小时平均接收4.2×106J的太阳能，在5小时的有效照射时间内,将热水器中质量为100kg､初温为20℃的水温度升高到40℃。求：

(1）热水器中的水吸收的热量Q；[水的比热容c=4.2×103J/(kg•℃）]

(2）热水器5小时内接收到的太阳能E；

(3）热水器的效率η；

(4）若改用煤来加热这些水，需要完全燃烧多少千克煤?(煤的热值q=2.9×107J/kg，假设煤燃烧放出的热量全部被水吸收）

【答案】(1）8.4×106J；(2）2.1×107J；(3）40%； (4）0.29kg

【详解】

解：(1）热水器中的水吸收的热量

(2）热水器5小时内接收到的太阳能

(3）热水器的效率

(4）煤气燃烧放出的热量全部被水吸收，即

由可得，完全燃烧煤气的质量

答：(1）热水器中的水吸收的热量为8.4×106J；

(2）热水器5小时内接收到的太阳能为2.1×107J；

(3）热水器的效率为40%；

(4）完全燃烧煤气的质量为0.29kg｡

5．太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置，下表是小明家的太阳能热水器某天在阳光照射下的相关信息，其中太阳辐射功率是指1h内投射到1m2面积上的太阳能。

求：

(1）水在5h内吸收的热量；

(2）如果水吸收的热量用天然气来提供，需要完全燃烧多少m3的天然气；(天然气的热值为8.4×107J/m3，天然气完全燃烧放出的热量50%被水吸收）

(3）该太阳能热水器的能量转化效率。

【答案】(1）1.05×107J；(2）0.25m3；(3）50%

【详解】

解：(1）由表中数据可知，水在5h内升高的温度为50℃，则水吸收的热量为

(2）由题意可知，天然气完全燃烧放出的热量50%被水吸收，则天然气放出的热量为

由Q=qV可得，需要燃烧的天然气的体积为

(3）由题意可知，5h太阳能热水器吸收的太阳能为

则该太阳能热水器的能量转化效率为

答：(1）水在5h内吸收的热量为1.05×107J；

(2）如果水吸收的热量用天然气来提供，需要完全燃烧0.25m3的天然气；

(3）该太阳能热水器的能量转化效率为50%。

6．如图所示是某太阳能热水器，向其中注入0.05m3的水，阳光照射一段时间后，温度从10 ℃升高到50℃。水的比热容是4.2×103J/(kg·℃），水的密度为1×103kg/m3。试求：

(1）这段时间该热水器中的水吸收的热量是多少？

(2）如果这段时间该太阳能热水器接收到太阳辐射的热量是E＝2.8×107J，则这段时间该热水器的效率是多少？

(3）若用煤燃烧来提供2.8×107J的热量，需完全燃烧多少千克煤？(煤的热值为3.5×107J/kg）

【答案】(1）8.4×106J；(2）30%；(3）0.8kg

【详解】

(1）由知道，热水器中水的质量

m水＝ρV＝1×103kg/m3×0.05m3＝50kg

这段时间该热水器中的水吸收的热量

Q吸＝cm水(t﹣t0）＝4.2×103J/(kg•℃）×50kg×(50℃﹣10℃）＝8.4×106J

(2）热水器的效率

(3）由Q放＝mq知道，若用煤燃烧来提供2.8×107J的热量，需完全燃烧煤的质量

答：(1）这段时间该热水器中的水吸收的热量是8.4×106J；

(2）这段时间该热水器的效率是30%；

(3）若用煤燃烧来提供2.8×107J的热量，需完全燃烧0.8kg的煤。

7．太阳能热水器是把太阳能转化为内能的设备之一、今年春节，小明家购买了一台太阳能热水器，小明用该太阳能热水器给质量为120kg的水加热，在6小时的有效太阳光照射时间内，他绘制了如图所示的水温随光照时间变化的图线。已知该品牌太阳能热水器每小时平均接收4.2×106J的太阳能。

(1）热水器中的水在6小时内吸收的热量是多少？如果水吸收的热量全部用煤气来提供，假设煤气燃烧放出的热量全部被水吸收，则需要完全燃烧多少千克煤气？[水的比热容c=4.2×103J/(kg·℃），煤气的热值q=4.2×107J/kg]

(2）求该太阳能热水器的能量转化效率η。

【答案】(1）1.008×107J；0.24kg；(2）40%。

【详解】

解：(1）由图可知，在6小时的有效太阳光照射时间内，热水器中的水温度从20℃上升到了40℃，即温度升高

Δt=t﹣t0=40℃﹣20℃=20℃

热水器中的水吸收的热量

Q吸=cm水Δt=4.2×103J/(kg·℃)×120kg×20℃=1.008×107J

假设煤气燃烧放出的热量全部被水吸收，则

Q放=Q吸=1.008×107J

需要完全燃烧煤气的质量

(2）6小时太阳能热水器接收的太阳能

E=4.2×106J/h×6h=2.52×107J

太阳能热水器的能量转化效率

答：(1）热水器中的水在6小时内吸收的热量是1.008×107J；需要完全燃烧0.24千克煤气；

(2）该太阳能热水器的能量转化效率为40%。

8．太阳能是21世纪重点开发利用的能源之一，如今太阳能热水器已走进了千家万户。如图，某家庭太阳能热水器接收太阳能总有效面积为2m2，1m2面积上1h接收到的太阳能平均为2.4×106J，若阳光照射该热水器5h，可以使热水器内80L的水温度升高30℃。[，q干木柴=1.2×107J/kg]求：

(1）水吸收的热量；

(2）若这些水吸收的热量全部由燃烧干木柴来提供，需要完全燃烧多少千克干木柴？(假设干木柴完全燃烧放出的热量全部被水吸收）

(3）该太阳能热水器的效率。

【答案】(1）1.008×107J；(2）0.84kg；(3）42%

【详解】

解：(1）由题意知，根据可得水的质量为

则水吸收的热量为

(2）由题意知，水吸收的热量全部由燃烧干木柴来提供，则有

由可得燃烧干木柴的质量为

(3）由题意知，每天获得的太阳能为

太阳能热水器的效率为

答：(1）水吸收的热量为1.008×107J；

(2）需要完全燃烧0.84kg干木柴；

(3）该太阳能热水器的效率为42%

9．一个能装水100L的太阳能晒水箱，其接收太阳能的面积为2m2，该晒水箱接受的太阳辐射能为E=3.2×106J/(h•m2）。求：

(1）如果每天接收太阳能的时间为8h，则该晒水箱每天可以接收多少焦的太阳能？

(2）由于热量的散失等原因，水的吸热效率只有60%。那么，该晒水箱一天吸收的太阳能可使这50L的水从20℃升高到多少℃

(3）请说出利用太阳能热水器的优点。

【答案】(1）5.12×107J；(2）100℃；(3）节约能源，无污染

【详解】

解：(1）由题意可知，晒水箱每天可以接收的太阳能为

Q总=ESt=3.2×106J/(h•m2)×2m2×8h=5.12×107J

(2）由题意可知，水的体积为

V=50L=50dm3=0.05m3

由可得，水的质量为

m=ρV=1.0×103kg/m3×0.05m3=50kg

由题意可知，水的吸热效率为60%，故水吸收的热量为

Q吸=ηQ总=60%×5.12×107J=3.072×107J

由Q=cmΔt可得，水的温度变化量为

因为在1标准大气压下，水的沸点为100℃，且沸腾时吸收热量，温度保持不变，故可知水的温度升高到100℃。

(3）利用太阳能热水器可以节约能源，且无污染、环保。

答：(1）该晒水箱每天可以接收5.12×107J的太阳能；

(2）该晒水箱一天吸收的太阳能可使这50L的水从20℃升高到100℃；

(3）可以节约能源、无污染。

10．太阳能具有环保、可再生等优点；太阳能热水器深受广大用户的青睐，某品牌太阳能热水器，水容量为100L，该热水器在冬季有效日照时段里，平均每平方米的面积上每小时接收的太阳能约为2.8×106J。若该热水器接收太阳能的有效面积为2m2，每天日照时间6h，这些太阳能使水温随日照时间变化的图像如图所示。【ρ水=1.0×103kg/m3；c水=4.2×103J/(kg∙℃)】求：

(1）装满水时，热水器中水的质量；

(2）一天内热水器中的水能吸收的热量；

(3）热水器的效率约为多少。

【答案】(1）100kg；(2）1.68×107J；(3）50%

【详解】

解：(1）热水器中水的质量

(2）一天内热水器中的水吸收热量，温度从20℃上升到60℃，则水吸收的热量

(3）根据平均每平方米的面积上每小时接收的太阳能约为2.8×106J可知，热水器接收的太阳能

则热水器的效率

答：(1）装满水时，热水器中水的质量为100kg；

(2）一天内热水器中的水能吸收的热量为1.68×107J；

(3）热水器的效率约为50%。