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高中物理能源利用經(jīng)典例題

2020.01.15

一、對水利資源的利用

例1 抽水蓄能電站的工作原理是，在用電低谷時(如深夜)，電站利用電網(wǎng)多余電能把水抽到高處蓄水池中；到用電高峰時，再利用蓄水池中的水

發(fā)電．如圖1所示，蓄水池(上游水庫)可視為長方體，有效總庫容量(可用于發(fā)電的容量)為V，蓄水后水位高出下游水面H高度，發(fā)電過程中上游水庫水位最大落差為d．統(tǒng)計資料表明，該電站年抽水用電為2.4×10⁸kW·h，年發(fā)電量為1.8×10⁸KW·h．則下列計算結果正確的是(設下游水面不變，水的密度為ρ，重力加速度為g，以下游水面為零勢能面) ( )

圖1

A. 能用于發(fā)電的水的最大重力勢能E_p=ρVgH

B. 能用于發(fā)電的水的最大重力勢能E_p=ρVg

C. 該電站的總效率達75％

D. 該電站平均每天所發(fā)電能可供給一個大城市居民用電(電功率以10⁵kW計)約10h

解析：以下游水面為零勢能面，則用于發(fā)電的水的重心位置到零勢能面的高度為h= ，因此它的最大重力勢能為E_p=ρVg，所以A選項錯誤，B選項正確．

該電站曲總效率η=75％，所以C選項正確.

該電站平均每天所發(fā)電能可供給一個大城市居民用電的時間為t=h=5h，所以D選項錯誤．

二、對太陽能的利用

例2某型號的電熱水器的水箱容積為100L，功率為1.5kW，效率為80％．某型號的太陽能熱水器(如圖2所示)的容積為100L，熱水器集熱管的采光面積為1.5m²，熱效率為40％．當太陽光照射到地球表面時，地球表面1m²面積上在1s內得到的太陽輻射能平均為1.0×10³J．如果要將100kg的水從20℃加熱到40℃，請根據(jù)以上材料解決下列問題

(1)用上述型號的電熱水器來加熱，需消耗多少電能?需要多長時間?用上述型號的太陽能熱水器來加熱，大約需要多長時間?根據(jù)計算，分析說明兩種熱水器各有什么優(yōu)點．

圖2 圖3

(2)圖3所示為太陽能熱水器的工作示意圖，圖中A為集熱管，B為儲水箱，在陽光照射下水將沿什么方向運動?C是輔助加熱器，其作用是什么?請在圖中適當位置安上進水和出水閥門．

解析：(1)由題知將100kg的水從20℃加熱到40℃需吸熱

Q=cmΔt=4.2×10³×100×(40-20)J=8.4×10⁶J

用電熱水器加熱需電能

=1.05×10⁷J=3kW·h

需要時間t=

用太陽能熱水器加熱，需吸收太陽能

E’==2.1×10⁷J

需時間 t’=s=1.4×10⁴s=3.9h

由以上計算知，電熱水器的優(yōu)點是加熱速度快，而太陽能熱水器的優(yōu)點是節(jié)能

(2)集熱管中的水被太陽光曬熱后，密度減小，由于浮力作用沿管向右上方運動形成順時針方向流動的水流C的作用是在陰雨天用電加熱方式使水溫升高．在封閉的環(huán)形管道左下方安上進水閥門，在儲水箱下方豎直管道上安裝出水閥門，即可使熱水流出，冷水得以流入。

三、對新能源的利用

例3 圖4為熱泵作用效果圖，熱泵對室內供暖所需熱量大部分來自室外冷空氣，而普通電取暖器供熱則完全來自電能．熱泵的工作原理與分體式空調一樣，主要由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和工作物質(如氟利昂)等組成.

圖4

(a)熱泵供暖；(b)電暖器供暖

Q₁=Q₂ W Q₁=W

Q₁：室內取暖需要的熱量

Q₂：冷空氣抽來的熱量

W：消耗電能

(1)請簡述熱泵的工作原理；

(2)關于對空氣能的利用，下列說法正確的有( )

A. 在自然條件下，熱傳遞的過程是可逆的，只要不違背能量轉化和守恒定律即可

B. 熱量是不可能從低溫物體傳給高溫物體的

C. 在自然條件下，熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體

D. 在自然條件下，熱傳遞的過程是不可逆的

解析：(1)熱泵的蒸發(fā)器是放在室外，冷凝器是放在室內的．壓縮機先將工作物質壓縮成液體，這一過程產(chǎn)生的熱量通過冷凝器向室內散發(fā)．之后，經(jīng)過冷凝而降了溫的液態(tài)工作物質流入室外的蒸發(fā)器，液體工作物質迅速汽化而從室外冷空氣吸收熱量，該熱量隨即又通過冷凝器向室內散發(fā)，如此反復，實現(xiàn)循環(huán)．

(2)一切宏觀熱現(xiàn)象是不可逆的，因此熱量不會自動從低溫物體向高溫物體傳遞．但在引起其他變化的前提下，熱量也可以通過特定機器設備由低溫物體向高溫物體傳遞，選項D正確．

▍ 來源：綜合網(wǎng)絡

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