最新中考物理常考计算题经典模型练习 专题09 内能与光能转化的热效率计算问题 -【常考必刷】

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第二轮复习时应打破章节的限制，完善并梳理初中物理知识结构，找出知识点之间的内在联系，要使前后知识联系起来，系统巩固知识，形成一个由知识点到知识面、最后到知识网络的综合体，使复习具有系统性。具体可以从以下几点进行专题复习：
1、按照知识点可以将初中物理分成力、热、声、光、电等版块，用知识树的形式把每个版块涉及的内容展现出来，建立相对独立的知识体系。
2、按照中考题目类型，可以分为选择、填空、实验探究(包括操作实验)、计算、信息综合等专题，进行专门练习，体会每种题型常见解题方法，使复习纵横交错。
3、通过对某些特殊知识点的深挖细究，达到对某一类知识或某一专题的融合、深化。
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%。
太阳照射时间/h
装水量/kg
吸热板面积/m2
水升高的温度/℃
太阳辐射功率
J/（m2•h）
5
50
2.5
50
1.68×106