- 能量守恒定律、第一类永动机
- 共848题
地球上的能量从源头上说来自太阳辐射到达地面的太阳辐射(假定不计大气对太阳辐射的吸收)一部分被地球表面反射到太空,其余部分被地球吸收.被吸收的部分最终转换成为地球热辐射(红外波段的电磁波).热辐射在向外传播过程中,其中一部分会被温室气体反射回地面,地球以此方式保持了总能量平衡.作为一个简单的理想模型,假定地球表面的温度处处相同,且太阳和地球的辐射都遵从斯忒蕃一玻尔兹曼定律:单位面积的辐射功率 J与表面的热力学温度T的四次方成正比,即 J=σT4,其中σ是一个常量.已知太阳表面温度Ts=5.78×103K,太阳半径 Rs=6.69×105km,地球到太阳的平均距离d=1.50×108km.假设温室气体在大气层中集中形成一个均匀的薄层,并设它对热辐射能量的反射率为ρ=0.38.
(1)如果地球表面对太阳辐射的平均反射率α=0.30,试问考虑了温室气体对热辐射的反射作用后,地球表面的温度是多少?
(2)如果地球表面一部分被冰雪覆盖,覆盖部分对太阳辐射的反射率为α1=0.85,其余部分的反射率处α2=0.25.间冰雪被盖面占总面积多少时地球表面温度为273K.
正确答案
解:(1)根据题意,太阳的总辐射功率为:
PS=4πR2σTS4
设地球半径为rE,地球接收到太阳辐射的总功率为:
P1=σTS4()2πrE2 ①
地球表面反射的总功率为αP1,设地表温度为TE,则地球热辐射的总功率为:
PE=4πrE2σTE4 ②
考虑到温室气体向地球表面释放的热功率,则输入地球表面的总功率为P1+βPE,当达到热平衡时,输入的能量与输出的能量相等,有:
P1+βPE=αP1+PE ③
由以上各式得:
④
代入数据,有:
TE=287K
(2)当地球表面的一部分倍冰雪覆盖后,以α′表示地球表面对太阳辐射的平均反射率,根据题意这时地球表面的平均温度为TE=273°C,利用④式,可以求得:
α′=0.43 ⑤
设冰雪覆盖的地表面积与总面积之比为x,则:
α′=α1x+α2(1-x) ⑥
由⑥⑦两式并代入数据有:
x=30%
答:(1)如果地球表面对太阳辐射的平均反射率α=0.30,考虑了温室气体对热辐射的反射作用后,地球表面的温度是287°C;
(2)如果地球表面一部分被冰雪覆盖,覆盖部分对太阳辐射的反射率为α1=0.85,其余部分的反射率处α2=0.25,冰雪被盖面占总面积30%时地球表面温度为273K.
解析
解:(1)根据题意,太阳的总辐射功率为:
PS=4πR2σTS4
设地球半径为rE,地球接收到太阳辐射的总功率为:
P1=σTS4()2πrE2 ①
地球表面反射的总功率为αP1,设地表温度为TE,则地球热辐射的总功率为:
PE=4πrE2σTE4 ②
考虑到温室气体向地球表面释放的热功率,则输入地球表面的总功率为P1+βPE,当达到热平衡时,输入的能量与输出的能量相等,有:
P1+βPE=αP1+PE ③
由以上各式得:
④
代入数据,有:
TE=287K
(2)当地球表面的一部分倍冰雪覆盖后,以α′表示地球表面对太阳辐射的平均反射率,根据题意这时地球表面的平均温度为TE=273°C,利用④式,可以求得:
α′=0.43 ⑤
设冰雪覆盖的地表面积与总面积之比为x,则:
α′=α1x+α2(1-x) ⑥
由⑥⑦两式并代入数据有:
x=30%
答:(1)如果地球表面对太阳辐射的平均反射率α=0.30,考虑了温室气体对热辐射的反射作用后,地球表面的温度是287°C;
(2)如果地球表面一部分被冰雪覆盖,覆盖部分对太阳辐射的反射率为α1=0.85,其余部分的反射率处α2=0.25,冰雪被盖面占总面积30%时地球表面温度为273K.
如图(a),磁铁A、B的同名磁极相对放置,置于水平气垫导轨上.A固定于导轨左端,B的质量m=0.5kg,可在导轨上无摩擦滑动.将B在A附近某一位置由静止释放,由于能量守恒,可通过测量B在不同位置处的速度,得到B的势能随位置x的变化规律,见图(c)中曲线I.若将导轨右端抬高,使其与水平面成一定角度(如图(b)所示),则B的总势能曲线如图(c)中II所示,将B在x=20.0cm处由静止释放.
求:(解答时必须写出必要的推断说明.取g=10m/s2)
(1)B在运动过程中动能最大的位置;
(2)运动过程中B的最大速度和最大位移.
(3)图(c)中直线III为曲线II的渐近线,斜率k=(J/m)求导轨的倾角.
正确答案
(1)势能最小处动能最大,由图线II得:x=6.1cm
(2)由图读得释放处势能EP=0.90J,此即B的总能量.出于运动中总能量守恒,因此在势能最小处动能最大,由图象得最小势能为0.47J,则最大动能为
EKm=0.90-0.47=0.43J
最大速度为
x=20.0 cm处的总能量为0.90J,最大位移由E=0.90J的水平直线与曲线II的左侧交点确定,由图中读出交点位置为x=2.0cm,因此,最大位移
△x=20.0-2.0=18.0cm
(3)渐近线III表示B的重力势能随位置变化关系,即
EPg=mgxsinθ=kx
∴
由直线斜率斜率k=J/m(J/m)
解得:θ=59.7°
答;(1)B在运动过程中动能最大的位置为6.1cm处;
(2)运动过程中B的最大速度为1.31m/s,最大位移为18.0cm.
(3)导轨的倾角为59.7°.
解析
(1)势能最小处动能最大,由图线II得:x=6.1cm
(2)由图读得释放处势能EP=0.90J,此即B的总能量.出于运动中总能量守恒,因此在势能最小处动能最大,由图象得最小势能为0.47J,则最大动能为
EKm=0.90-0.47=0.43J
最大速度为
x=20.0 cm处的总能量为0.90J,最大位移由E=0.90J的水平直线与曲线II的左侧交点确定,由图中读出交点位置为x=2.0cm,因此,最大位移
△x=20.0-2.0=18.0cm
(3)渐近线III表示B的重力势能随位置变化关系,即
EPg=mgxsinθ=kx
∴
由直线斜率斜率k=J/m(J/m)
解得:θ=59.7°
答;(1)B在运动过程中动能最大的位置为6.1cm处;
(2)运动过程中B的最大速度为1.31m/s,最大位移为18.0cm.
(3)导轨的倾角为59.7°.
某市计划每日供水180万吨,在市郊修建了一水库.为了将水送入水库,需要将水渠的水提高30m.设每根输水管水泵功率为100kW,且水泵昼夜不停地工作.如不计机械能的损耗,至少需要安装多少根输水管?每根输水管中每秒流过的水量为多少吨?取g=10m/s2.
正确答案
解:将180万吨水提高30m所做的功:W=mgh=180×10000×1000×10×30J=5.4×1012J…①
每台水泵每昼夜做的功:W0=Pt…②
需要的水管:n=…③
联立①②③解得:n=62.5
所以至少需要63根水管.
每秒流过一根水管的水量为:M=Kg=330Kg=0.33吨
答:至少需要安装63根水管;每根输水管中每秒流过的水量为0.33吨
解析
解:将180万吨水提高30m所做的功:W=mgh=180×10000×1000×10×30J=5.4×1012J…①
每台水泵每昼夜做的功:W0=Pt…②
需要的水管:n=…③
联立①②③解得:n=62.5
所以至少需要63根水管.
每秒流过一根水管的水量为:M=Kg=330Kg=0.33吨
答:至少需要安装63根水管;每根输水管中每秒流过的水量为0.33吨
(1)如图1所示,一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片,轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展面“划水”,推动转轮转动.离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长时间转动.下列说法正确的是
A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
(2)如图2所示,内壁光滑的气缸水平放置.一定质量的理想气体被密封在气缸内,外界大气压强为P0.现对气缸缓慢加热,气体吸收热量Q后,体积由V1增大为V2.则在此过程中,气体分子平均动能______(选增“增大”、“不变”或“减小”),气体内能变化了______.
(3)某同学在进行“用油膜法估测分子的大小”的实验前,查阅数据手册得知:油酸的摩尔质量M=0.283kg•mol-1,密度ρ=0.895×103kg•m-3.若100滴油酸的体积为1ml,则1滴油酸所能形成的单分子油膜的面积约是多少?(取NA=6.02×1023mol-1.球的体积V与直径D的关系为V=πD3,结果保留一位有效数字)
正确答案
解:(1)A、转轮转动的过程中克服摩擦力做功,转轮的速度越来越小,所以要维持转轮转动需要外力做功.故A错误.
B、要维持转轮转动需要外力做功,转轮转动所需能量不能由转轮自己提供.故B错误.
C、转动的叶片不断搅动热水的过程是水对转轮做功的过程,同时水会向四周放出热量,根据热力学第一定律可知水的内能减小,故水温降低,故C错误.
D、根据热力学第二定律,物体不可能从单一热源吸收能量全部用来对外做功而不引起其变化,故叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量.故D正确.
故选D.
(2)在对气缸缓慢加热的过程中封闭气体的压强保持不变,故气体发生等压变化,根据=
,由于V2>V1,所以T2>T1.物体温度升高分子平均动能增大;
根据热力学第一定律△U=Q+W,其中W=-P0sL=-P0(SL2-SL1)=-P0(V2-V1),故△U=Q-P0(V2-V1)
故本题的答案为:增大;Q-P0(V2-V1).
(3)一个油酸分子的体积
由球的体积与直径的关系得分子直径
最大面积
代入数据解得S=10m2.
解析
解:(1)A、转轮转动的过程中克服摩擦力做功,转轮的速度越来越小,所以要维持转轮转动需要外力做功.故A错误.
B、要维持转轮转动需要外力做功,转轮转动所需能量不能由转轮自己提供.故B错误.
C、转动的叶片不断搅动热水的过程是水对转轮做功的过程,同时水会向四周放出热量,根据热力学第一定律可知水的内能减小,故水温降低,故C错误.
D、根据热力学第二定律,物体不可能从单一热源吸收能量全部用来对外做功而不引起其变化,故叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量.故D正确.
故选D.
(2)在对气缸缓慢加热的过程中封闭气体的压强保持不变,故气体发生等压变化,根据=
,由于V2>V1,所以T2>T1.物体温度升高分子平均动能增大;
根据热力学第一定律△U=Q+W,其中W=-P0sL=-P0(SL2-SL1)=-P0(V2-V1),故△U=Q-P0(V2-V1)
故本题的答案为:增大;Q-P0(V2-V1).
(3)一个油酸分子的体积
由球的体积与直径的关系得分子直径
最大面积
代入数据解得S=10m2.
如图所示,一太阳能热水器内装有质量为250kg,温度为20℃的水,阳光照射一段时间后,水温升高到80℃.[c水=4.2×103J/(kg・℃)]
(1)水吸收的太阳能是多少?
(2)这些能量相当于完全燃烧多少千克干木柴放出的热量?[q干木柴=1.2×107J/kg]
正确答案
解:(1)水吸收的热量:
Q吸=cm1△t=4.2×103J/(kg•℃)×250kg×(80-20)℃=6.3×107J,
(2)这些热量相当于完全燃烧m2千克干木柴:
因为:Q吸=Q放=m2q
所以:m2==
=5.25kg
答:(1)水吸收的热量是6.3×107J;
(2)这些能量相当于完全燃烧5.25kg干木柴放出的热量;
解析
解:(1)水吸收的热量:
Q吸=cm1△t=4.2×103J/(kg•℃)×250kg×(80-20)℃=6.3×107J,
(2)这些热量相当于完全燃烧m2千克干木柴:
因为:Q吸=Q放=m2q
所以:m2==
=5.25kg
答:(1)水吸收的热量是6.3×107J;
(2)这些能量相当于完全燃烧5.25kg干木柴放出的热量;
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