Question

在北方冬天热力厂将水加热后，通过管道把热水送到各家各户的暖气片中进行集中供暖．在南方家庭取暖的设施各不相同，油汀电暖器是一种常用的取暖设备，如图所示，上下各一根中空的金属管，其中一根管中安装一根电发热丝，这两管道间用若干条形金属管上下连通，在管道中充满绝缘、导热性能良好的导热油．现己知该电暖器最大电功率为 2000W，其中导热油6kg，金属管及散热片等总重 5kg．水的比热容为 c₀=4.2x10³ J/（ kg?℃），导热油的比热容 c_l=1.8×10³J/（kg?℃），金属管及散热片的比热容 c₂=0.46×10³J/（ kg?℃）?导热油的凝固温度约-48℃，沸点约150℃．试解答下列问题：
（1）为什么北方集中供暖用水作为传递热量的介质，而油汀电暖器却要用导热油作为传递热量的介质？依据你所学的知识说明其道理．
（2）油汀电暖器的电发热丝应当安装在上金属管还是下金属管中？为什么？
（3）为什么油汀电暖器要采用“上下各一根中空的金属管，这两管道间用若干根金属管上下连通”的结构，而不采用“左右各一根中空的金属管，这两管道间用若干根金属管左右连通”的结构？请说明其中的道理．
（4）若室内温度为0℃，要将该电暖器的温度升至80℃，至少需多长时间？设加热过程中散失的热量占总热量的20%．

Answer 1

分析：（1）①比热容是指单位质量的某种物质温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量；同样质量的不同物体，降低相同的温度，比热容大的物体放出的热量多；
②电热油汀里盛的是油，因为导热油沸点高，可以达到更高的温度，取暖效果好；油是绝缘体用起来更安全．
（2）热总是由高温物体向低温物体传递，热传递的三种方式是：传导、对流和辐射；对流是流体（液体和气体）中温度不同的各部分之间发生相对移动时所引起的热量传递的过程；
（3）热对流的方向：高温的油上升、低温的油下降，据此分析选择；
（4）电流通过下金属管中的电热丝做功，消耗电能转化为内能，使电暖器内的油、金属管及散热片温度升高，由题知W_电×（1-20%）=Q_吸，而W_电=Pt，据此求加热时间．

解答：解：
（1）①因为水的比热容大，同样质量的水和其它物质比较，降低相同的温度，水放出的热量多，故北方集中供暖用水作为传递热量的介质；
②因为导热油沸点高，可以达到更高的温度，取暖效果好；另外油是绝缘体用起来更安全．
（2）油汀电暖器的电发热丝应当安装在下金属管中，加热电暖器下方的油，发生对流，使油快速升高温度；
（3）电流通过下金属管中的电热丝做功，使下方的油内能增加、温度升高，高温的油上升，上方低温的油下降，发生对流，所以采用“上下各一根中空的金属管，这两管道间用若干根金属管上下连通”的结构；
（4）温度从0℃升高至80℃，油吸收的热量：
Q_油吸=c₁m₁△t=1.8×10³J/（kg?℃）×6kg×80℃=8.64×10⁵J，
金属管及散热片吸收的热量：
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，
由题知，W_电×（1-20%）=Q_吸，
∴W_电=

Q吸

1-20%

=

1.048×106J

0.8

=1.31×10⁶J，
∵W_电=Pt，
∴t=

W电

P

=

1.31×106J

2000W

=655s．
答：至少需要655s．

点评：本题是一道电学与热学的综合应用题．与生活联系密切，使学生觉得学了物理有用．
本题也考核学生面临新问题时，如何运用所学知识及物理的一般能力去解决实际问题，可以有效地改变学生一切依赖教师的习惯，是学生今后立足社会所必须具备的素质，在平时教学中，教师要有的放矢的设定这样的情境，培养学生分析实际问题的能力．