1、-PAGE . z高二物理競(jìng)賽5 物態(tài)變化、熱傳遞和熱膨脹班級(jí)：_ ：_ 座號(hào)：_一、物理小組的同學(xué)在寒冷的冬天做了一個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)：他們把一個(gè)實(shí)心的大鋁球加熱到*溫度t，然后把它放在結(jié)冰的湖面上冰層足夠厚，鋁球便逐漸陷入冰。當(dāng)鋁球不再下陷時(shí)，測(cè)出球的最低點(diǎn)陷入冰中的深度h。將鋁球加熱到不同的溫度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)8次，最終得到如下數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)順序數(shù)12345678熱鋁球的溫度t/55708592104110120140陷入深度h/cm9.012.914.816.017.018.017.016.8鋁的密度約為水的密度的3倍，設(shè)實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度及湖面冰的溫度均為0。此情況下，冰的熔解熱=3.34105J

2、/kg。1試采用以上*些數(shù)據(jù)估算鋁的比熱c；2對(duì)未被你采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試說明不采用的原因，并作出解釋。二、在野外施工中，需要使質(zhì)量m=4.20kg的鋁合金構(gòu)件升溫。除了保溫瓶存有溫度t=90.0的1.200kg的熱水外，無其他熱源。試提出一個(gè)操作方案，能利用這些熱水使構(gòu)件從溫度t0=10升溫到66.0以上含66.0，并通過計(jì)算驗(yàn)證你的方案。鋁合金的比熱容c=0.880l03J(kg)-1，水的比熱容c0=4.20103J(kg)-1，不計(jì)向周圍環(huán)境散失的熱量。三、地球上的能量從源頭上說來自太陽輻射到達(dá)地面的太陽輻射假定不計(jì)大氣對(duì)太陽輻射的吸收一局部被地球外表反射到太空，其余局部被地球吸收。被吸

3、收的局部最終轉(zhuǎn)換成為地球熱輻射紅外波段的電磁波。熱輻射在向外傳播過程中，其中一局部會(huì)被溫室氣體反射回地面，地球以此方式保持了總能量平衡。作為一個(gè)簡(jiǎn)單的理想模型，假定地球外表的溫度處處一樣，且太陽和地球的輻射都遵從斯忒蕃一玻爾茲曼定律：?jiǎn)挝幻娣e的輻射功率J與外表的熱力學(xué)溫度T的四次方成正比，即J=T4，其中是一個(gè)常量。太陽外表溫度Ts=5.78103K，太陽半徑Rs=6.69105km，地球到太陽的平均距離d=1.50108km。假設(shè)溫室氣體在大氣層中集中形成一個(gè)均勻的薄層，并設(shè)它對(duì)熱輻射能量的反射率為=0.38。1如果地球外表對(duì)太陽輻射的平均反射率=0.30，試問考慮了溫室氣體對(duì)熱輻射的反射作

4、用后，地球外表的溫度是多少？2如果地球外表一局部被冰雪覆蓋，覆蓋局部對(duì)太陽輻射的反射率為1=0.85，其余局部的反射率為2=0.25，問冰雪覆蓋面積占總面積多少時(shí)地球外表溫度為273K。四、溫度開關(guān)用厚度均為0.20mm的鋼片和青銅片作感溫元件；在溫度為20時(shí)，將它們緊貼，兩端焊接在一起，成為等長(zhǎng)的平直雙金屬片。假設(shè)鋼和青銅的線膨脹系數(shù)分別為1.010-5/度和2.010-5/度，當(dāng)溫度升高到120時(shí)，雙金屬片將自動(dòng)彎成圓弧形，如下圖。試求雙金屬片彎曲的曲率半徑。忽略加熱時(shí)金屬片厚度的變化五、致冷機(jī)是通過外界對(duì)機(jī)器做功，把從低溫處吸取的熱量連同外界對(duì)機(jī)器做功所得到的能量一起送到高溫處的機(jī)器；它

5、能使低溫處的溫度降低，高溫處的溫度升高。當(dāng)致冷機(jī)工作在絕對(duì)溫度為T1的高溫處和絕對(duì)溫度為T2的低溫處之間時(shí)，假設(shè)致冷機(jī)從低溫處吸取的熱量為Q，外界對(duì)致冷機(jī)做的功為W，則有 EQ f(Q ,W) EQ f(T2,T1T2)，式中=對(duì)應(yīng)于理論上的理想情況。*致冷機(jī)在冬天作為熱泵使用即取暖空調(diào)機(jī)，在室外溫度為-5.00的情況下，使*房間的溫度保持在20.00。由于室溫度高于室外，故將有熱量從室傳遞到室外。此題只考慮傳導(dǎo)方式的傳熱，它服從以下的規(guī)律：設(shè)一塊導(dǎo)熱層，其厚度為l，面積為S，兩側(cè)溫度差的大小為T，則單位時(shí)間通過導(dǎo)熱層由高溫處傳導(dǎo)到低溫處的熱量為H=k EQ f(T ,l)S，其中k稱為熱導(dǎo)率

6、，取決于導(dǎo)熱層材料的性質(zhì)。1假設(shè)該房間向外散熱是由面向室外的面積S=5.00m2、厚度l=2.00mm的玻璃板引起的。該玻璃的熱導(dǎo)率k=0.75W/(mK)，電費(fèi)為每度0.50元。試求在理想情況下該熱泵工作12h需要多少電費(fèi)？2假設(shè)將上述玻璃板換為雙層玻璃板，兩層玻璃的厚度均為2.00mm，玻璃板之間夾有厚度l0=0.50mm的空氣層，假設(shè)空氣的熱導(dǎo)率k0=0.025W/(mK)，電費(fèi)仍為每度0.50元。假設(shè)該熱泵仍然工作12h，問這時(shí)的電費(fèi)比上一問單層玻璃情形節(jié)省多少？六、熱機(jī)和熱泵利用物質(zhì)熱力學(xué)循環(huán)實(shí)現(xiàn)相反功能：前者從高溫處吸熱，將局部熱量轉(zhuǎn)化為功對(duì)外輸出，其余向低溫處放出；后者依靠外界輸

7、入功，從低溫處吸熱，連同外界做功轉(zhuǎn)化成的熱量一起排向高溫處，按熱力學(xué)第二定律，無論熱機(jī)還是熱泵，假設(shè)工作物質(zhì)循環(huán)過程中只與溫度為T1，T2的兩個(gè)熱源接觸，則吸收的熱量Q1，Q2滿足不等式，其中熱量可正可負(fù)，分別表示從熱源吸熱與向熱源放熱。原供暖設(shè)備原本以溫度T0的鍋爐釋放的熱量向房間直接供暖，使室溫度保持恒溫T1，高于戶外溫度T2。為提高能源利用率，擬在利用原有能源的根底上采用上述機(jī)器改良供暖方案，與直接供暖相比，能耗下降的理論極限可到達(dá)多少？七、南極冰架崩裂形成一座巨型冰山，隨洋流漂近一個(gè)城市。有人設(shè)計(jì)了一個(gè)利用這座冰山來發(fā)電的方案，具體過程為：a先將環(huán)境中一定量的空氣裝入體積可變的容器，在

8、保持壓強(qiáng)不變的條件下通過與冰山接觸容器空氣溫度降至冰山溫度；b使容器脫離冰山，保持其體積不變，讓容器中的冰空氣從環(huán)境中吸收熱量，使其溫度升至環(huán)境溫度；c在保持容器體積不變的情況下讓空氣沉著器中噴出，帶動(dòng)發(fā)電裝置發(fā)電。如此重復(fù)，直至整座冰山融化。環(huán)境溫度Ta=293K，冰山的溫度為冰的熔點(diǎn)T1=273K，可利用的冰山的質(zhì)量m=1.01011kg，為了估算可能獲得的電能，設(shè)計(jì)者做出的假設(shè)和利用的數(shù)據(jù)如下：1空氣可視為理想氣體。2冰的熔解熱L=3.34105J/kg；冰融化成溫度為T1的水之后即不再利用。3壓強(qiáng)為p、體積為V的空氣能U=2.5pV。4容器與環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)良好，可以保證噴氣過程中容器

9、中空氣溫度不變。5噴氣過程可分解為一連串小過程，每次噴出的氣體的體積都是u，且u遠(yuǎn)小于容器的體積。在每個(gè)小過程中，噴管中的氣體在外壓強(qiáng)差的作用下加速，從而獲得一定動(dòng)能E，從噴嘴噴出。不考慮噴出氣體在加速過程中體積的改變，并認(rèn)為在噴氣過程中容器的氣體壓強(qiáng)仍是均勻的，外壓強(qiáng)的大氣壓。6假設(shè)可能獲得的電能是E總和的45。7當(dāng)|*|1時(shí)，ln(1+*)*。試根據(jù)設(shè)計(jì)者的假設(shè)，計(jì)算利用這座冰山可以獲得的電能。八、一厚度為t的薄金屬盤懸吊在溫度為300.0K的空氣中，其上外表受太陽直射，溫度為360.0K，下外表的溫度為340.0K?？諝獾臏囟缺３植蛔?，單位時(shí)間金屬盤每個(gè)外表散失到空氣中的能量與此外表和空

10、氣的溫度差以及此外表的面積成正比，忽略金屬盤側(cè)面的能量損失。假設(shè)金屬盤的厚度變?yōu)樵瓉淼?倍，求金屬盤上、下外表的溫度。九、在水平放置的干凈的玻璃板上一些水銀，由于重力與外表力的影響，水銀近似呈圓餅形狀側(cè)面向外突出，過圓餅軸線的豎直截面如下圖。為了計(jì)算方便，水銀和玻璃的接觸角可按180計(jì)算。水銀的密度=13.6103kg/m3，水銀的外表力系數(shù)=0.49N/m。當(dāng)圓餅的半徑很大時(shí)，試估算其厚度h的數(shù)值大約是多少？取1位有效數(shù)字即可十、在一個(gè)橫截面積為S的密閉容器中，有一個(gè)質(zhì)量為M的活塞把容器隔成、兩室，室中為飽和水蒸氣，室中有質(zhì)量為m的氮?dú)??；钊稍谌萜髦袩o摩擦地滑動(dòng)。原來，容器被水平地放置在桌

11、面上?；钊幱谄胶鈺r(shí)，活塞兩邊氣體的溫度均為T0=373K，壓強(qiáng)同為p0，如圖1所示。今將整個(gè)容器緩慢地轉(zhuǎn)到圖2所示的直立位置，兩室的溫度仍是T0，并有少量水蒸氣液化成水。水的汽化熱為L(zhǎng)，水蒸氣和氮?dú)獾哪栙|(zhì)量分別為1和2。求在整個(gè)過程中，室的系統(tǒng)與外界交換的熱量。圖2圖1十一、有人曾用如下圖的裝置測(cè)量液體的體膨脹系數(shù)。A、B為粗細(xì)均勻的U形細(xì)玻璃管，豎直放置，兩臂分別插在恒溫容器C較熱的和D較冷的。U形管盛有適量的待測(cè)液體。通過測(cè)量C、D的溫度和U形管兩臂液面的高度，就可計(jì)算出待測(cè)液體的體膨脹系數(shù)。試導(dǎo)出計(jì)算公式。不計(jì)玻璃管的熱膨脹。十二、正確使用高壓鍋見圖1的方法是：將已加上密封鍋蓋的高壓

12、鍋加熱，當(dāng)鍋水沸騰時(shí)，加上一定重量的高壓閥，此時(shí)可以認(rèn)為鍋空氣已全部排除，只有水的飽和蒸汽。繼續(xù)加熱，水溫將繼續(xù)升高，到高壓閥被蒸汽頂起時(shí)，鍋溫度即到達(dá)預(yù)期溫度。*一高壓鍋的預(yù)期溫度為120，如果*人在使用此鍋時(shí)，未按上述程序，而在水溫被加熱至90時(shí)就加上高壓閥可以認(rèn)為此時(shí)鍋水汽為飽和汽，問當(dāng)繼續(xù)加熱到高壓閥開場(chǎng)被頂起而冒汽時(shí)，鍋溫度為多少？：大氣壓強(qiáng)P0=1.013105帕；90時(shí)水的飽和汽壓PW(90)=7.010105帕；120時(shí)水的飽和汽壓PW(120)=1.985105帕；在90到120之間水的飽和汽壓PW和溫度t的函數(shù)關(guān)系PW(t)如圖2所示。圖2圖1十三、如下圖，將端點(diǎn)相互連接的

13、三根細(xì)線擲在水面上，其中第1、2條線各長(zhǎng)1.5cm，第3條線長(zhǎng)1cm。1假設(shè)在圖中A點(diǎn)滴下*種雜質(zhì)，使外表力系數(shù)減小到原來的，求每根線的力；2然后又把該雜質(zhì)滴在B點(diǎn)，求每根線的力變?yōu)槎嗌?。水的外表力系?shù)=0.07N/m十四、如下圖，使用一直徑為d=0.1m，焦距f=0.5m的凸透鏡B在一粗糙的黑色薄圓盤A上形成一個(gè)太陽C的聚焦像，像的大小與薄圓盤正好一樣大。假設(shè)太陽的黑體溫度是T=6000K，太陽中心與地球中心距離為a=1.51011m，太陽半徑為RS=1.4109m，試問圓盤可能到達(dá)的最高溫度是多少？十五、當(dāng)壓強(qiáng)不變、溫度變化量t不太大時(shí)，液體或固體在*一溫度下的體膨脹系數(shù)可以表示為，其中V為該溫度時(shí)的體積，V為體積的變化量。一般來說，在常溫下液體和固體的體膨脹系數(shù)分別為10-6/K和10-5/K量級(jí)。圖中所示的裝置可以用來測(cè)量控溫箱中圓筒形玻璃容器液體的體膨脹系數(shù)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：拿掉浮標(biāo)，將液體的溫度調(diào)控為接近室溫的*一溫度t0，測(cè)量液柱的高度h；放入浮標(biāo)，保持壓強(qiáng)不變，將液體的溫度升高一個(gè)不太大的量t，用精細(xì)的位置傳感器確定指針高度的變化量h；利用步