高二物理競賽5物態(tài)變化、熱傳遞和熱膨脹

1、-PAGE . z高二物理競賽5 物態(tài)變化、熱傳遞和熱膨脹班級：_ ：_ 座號：_一、物理小組的同學在寒冷的冬天做了一個這樣的實驗：他們把一個實心的大鋁球加熱到*溫度t，然后把它放在結冰的湖面上冰層足夠厚，鋁球便逐漸陷入冰。當鋁球不再下陷時，測出球的最低點陷入冰中的深度h。將鋁球加熱到不同的溫度，重復上述實驗8次，最終得到如下數(shù)據(jù)：實驗順序數(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，設實驗時的環(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對未被你采用的實驗數(shù)據(jù)，試說明不采用的原因，并作出解釋。二、在野外施工中，需要使質量m=4.20kg的鋁合金構件升溫。除了保溫瓶存有溫度t=90.0的1.200kg的熱水外，無其他熱源。試提出一個操作方案，能利用這些熱水使構件從溫度t0=10升溫到66.0以上含66.0，并通過計算驗證你的方案。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地面的太陽輻射假定不計大氣對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。作為一個簡單的理想模型，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：單位面積的輻射功率J與外表的熱力學溫度T的四次方成正比，即J=T4，其中是一個常量。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。假設溫室氣體在大氣層中集中形成一個均勻的薄層，并設它對熱輻射能量的反射率為=0.38。1如果地球外表對太陽輻射的平均反射率=0.30，試問考慮了溫室氣體對熱輻射的反射作

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地球外表溫度為273K。四、溫度開關用厚度均為0.20mm的鋼片和青銅片作感溫元件；在溫度為20時，將它們緊貼，兩端焊接在一起，成為等長的平直雙金屬片。假設鋼和青銅的線膨脹系數(shù)分別為1.010-5/度和2.010-5/度，當溫度升高到120時，雙金屬片將自動彎成圓弧形，如下圖。試求雙金屬片彎曲的曲率半徑。忽略加熱時金屬片厚度的變化五、致冷機是通過外界對機器做功，把從低溫處吸取的熱量連同外界對機器做功所得到的能量一起送到高溫處的機器；它

5、能使低溫處的溫度降低，高溫處的溫度升高。當致冷機工作在絕對溫度為T1的高溫處和絕對溫度為T2的低溫處之間時，假設致冷機從低溫處吸取的熱量為Q，外界對致冷機做的功為W，則有 EQ f(Q ,W) EQ f(T2,T1T2)，式中=對應于理論上的理想情況。*致冷機在冬天作為熱泵使用即取暖空調機，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。此題只考慮傳導方式的傳熱，它服從以下的規(guī)律：設一塊導熱層，其厚度為l，面積為S，兩側溫度差的大小為T，則單位時間通過導熱層由高溫處傳導到低溫處的熱量為H=k EQ f(T ,l)S，其中k稱為熱導率

6、，取決于導熱層材料的性質。1假設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。該玻璃的熱導率k=0.75W/(mK)，電費為每度0.50元。試求在理想情況下該熱泵工作12h需要多少電費？2假設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，假設空氣的熱導率k0=0.025W/(mK)，電費仍為每度0.50元。假設該熱泵仍然工作12h，問這時的電費比上一問單層玻璃情形節(jié)省多少？六、熱機和熱泵利用物質熱力學循環(huán)實現(xiàn)相反功能：前者從高溫處吸熱，將局部熱量轉化為功對外輸出，其余向低溫處放出；后者依靠外界輸

7、入功，從低溫處吸熱，連同外界做功轉化成的熱量一起排向高溫處，按熱力學第二定律，無論熱機還是熱泵，假設工作物質循環(huán)過程中只與溫度為T1，T2的兩個熱源接觸，則吸收的熱量Q1，Q2滿足不等式，其中熱量可正可負，分別表示從熱源吸熱與向熱源放熱。原供暖設備原本以溫度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多少？七、南極冰架崩裂形成一座巨型冰山，隨洋流漂近一個城市。有人設計了一個利用這座冰山來發(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，帶動發(fā)電裝置發(fā)電。如此重復，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T1=273K，可利用的冰山的質量m=1.01011kg，為了估算可能獲得的電能，設計者做出的假設和利用的數(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遠小于容器的體積。在每個小過程中，噴管中的氣體在外壓強差的作用下加速，從而獲得一定動能E，從噴嘴噴出。不考慮噴出氣體在加速過程中體積的改變，并認為在噴氣過程中容器的氣體壓強仍是均勻的，外壓強的大氣壓。6假設可能獲得的電能是E總和的45。7當|*|1時，ln(1+*)*。試根據(jù)設計者的假設，計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。空氣的溫度保持不變，單位時間金屬盤每個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，忽略金屬盤側面的能量損失。假設金屬盤的厚度變?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面向外突出，過圓餅軸線的豎直截面如下圖。為了計算方便，水銀和玻璃的接觸角可按180計算。水銀的密度=13.6103kg/m3，水銀的外表力系數(shù)=0.49N/m。當圓餅的半徑很大時，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、在一個橫截面積為S的密閉容器中，有一個質量為M的活塞把容器隔成、兩室，室中為飽和水蒸氣，室中有質量為m的氮氣?；钊稍谌萜髦袩o摩擦地滑動。原來，容器被水平地放置在桌

11、面上。活塞處于平衡時，活塞兩邊氣體的溫度均為T0=373K，壓強同為p0，如圖1所示。今將整個容器緩慢地轉到圖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，水蒸氣和氮氣的摩爾質量分別為1和2。求在整個過程中，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量液體的體膨脹系數(shù)。A、B為粗細均勻的U形細玻璃管，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液體。通過測量C、D的溫度和U形管兩臂液面的高度，就可計算出待測液體的體膨脹系數(shù)。試導出計算公式。不計玻璃管的熱膨脹。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，當鍋水沸騰時，加上一定重量的高壓閥，此時可以認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，鍋溫度即到達預期溫度。*一高壓鍋的預期溫度為120，如果*人在使用此鍋時，未按上述程序，而在水溫被加熱至90時就加上高壓閥可以認為此時鍋水汽為飽和汽，問當繼續(xù)加熱到高壓閥開場被頂起而冒汽時，鍋溫度為多少？：大氣壓強P0=1.013105帕；90時水的飽和汽壓PW(90)=7.010105帕；120時水的飽和汽壓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)關系PW(t)如圖2所示。圖2圖1十三、如下圖，將端點相互連接的

13、三根細線擲在水面上，其中第1、2條線各長1.5cm，第3條線長1cm。1假設在圖中A點滴下*種雜質，使外表力系數(shù)減小到原來的，求每根線的力；2然后又把該雜質滴在B點，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上形成一個太陽C的聚焦像，像的大小與薄圓盤正好一樣大。假設太陽的黑體溫度是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，試問圓盤可能到達的最高溫度是多少？十五、當壓強不變、溫度變化量t不太大時，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。圖中所示的裝置可以用來測量控溫箱中圓筒形玻璃容器液體的體膨脹系數(shù)，實驗步驟如下：拿掉浮標，將液體的溫度調控為接近室溫的*一溫度t0，測量液柱的高度h；放入浮標，保持壓強不變，將液體的溫度升高一個不太大的量t，用精細的位置傳感器確定指針高度的變化量h；利用步