凸显节能意识 体现增效导向——2013年初中物理知识竞赛中关于效率的考查分析

梁会琴 丁超亮

(洛阳师范学院物理与电子信息学院，河南洛阳 471022)

2013年全国初中应用物理知识竞赛加大了实际问题效率的考查，凸显提高中学生的节能意识，体现了减排增效的可持续发展导向.

1 水电站发电效率

例1.(2013年全国初中应用物理知识竞赛)三峡水利枢纽工程是中国规模最大的水利枢纽工程，如图1所示.枢纽控制流域面积约1.0 ×106km2，占长江流域面积的56%，坝址所在位置年平均流量为Q=4.51×1011m3.水利枢纽的主要任务包括防洪、发电、航运3方面，在发电方面，三峡水电站共安装32台7×105kW水轮发电机组，另外还有2台5×104kW电源机组，总装机容量(34台发电机组同时工作时的总发电功率)P=2.25×107kW，设计年发电量约W=1011kW·h.

阅读上述材料，解答下列问题(水的密度ρ=1.0×103kg/m3，取 g=10N/kg):

(1)若三峡电站上、下游水位差按h=110m计算，试求三峡电站将水的势能转化为电能的效率η.

(2)若34台发电机组全部发电，要达到年发电量的要求，每台发电机组平均年发电时间t为多少天?

解析:(1)水力发电是利用河川、湖泊等位于高处的水流至低处时，水的重力做功，将水流减小的重力势能通过水轮机、发电机转化为电能.

年平均流水总质量为 M=ρQ=1.0×103kg/m3×4.51×1011m3=4.51×1014kg.

流水年平均做功为W总=Gh=Mgh=4.51×1014kg×10 N/kg×110m=4.96×1017J.

年平均发电量为W=1011kW·h=3.6×1017J.

图1

(2)P=2.25×107kW，年发电量约W=1011kW·h，

工作天数t=W/P=4444.4h=185d.

点评:我国有丰富的水力资源，利用水流能发电替代火力发电，可减小碳排放，降低空气中的PM2.5的含量，改善空气质量.此题以三峡电站切入，意在考查能量转化和守恒定律、功、功率、效率及其相关知识.

2 电动水泵的效率

例2.(2013年全国初中应用物理知识竞赛复赛)有一种由电动机与水泵共轴安装组成的电动水泵，如图2所示.它广泛用于工厂、矿山、农田等场所，担负排灌作业.表1为某种型号的电动水泵的技术数据.

图2

表1

在该电动水泵正常工作时，请计算:

(1)水泵出水口处水的流速大小.

(2)水泵的效率η.(出水口处水流的动能可忽略不计，取g=10N/kg)

取该水泵正常工作时间为t=1h=3600s，流过水管横截面水的体积为V=10m3.

通过出水管横截面的水柱长度为

L=V/S=7.94×103m.

水泵出水口处水的流速为v=L/t=2.2m/s.

(2)该电动水泵正常工作时间为t=1h=3600s，所提水的质量为 m=ρV==1.0×103×10kg=104kg.

所提水的重力为G=mg=105N.

水泵对水做的功为W有=Gh=105×36J=3.6×106J.

电动水泵消耗电能为

W总=Pt=2.2×103×3.6×103J=7.92×106J.

点评:流量是指单位时间流出的液体体积.电动水泵数据表中的流量是指1h流出水的体积.此题以电动水泵技术数据切入，重点考查速度、做功、电能、效率及其相关知识.

3 太阳能热水器的效率

例3.(2013年上海市初中物理竞赛复赛)已知太阳正射到地球表面每m2上的功率为1.0kW.现有一太阳能热水器，其收集阳光的面积为3.0×8.0m2，转换太阳辐射能为水的热能的效率为80%，假设此热水器的进水温度与室温皆为25℃，该热水器的热量损失率正比于热水器内水温与室温之温差.当热水器出水口关闭时，经过长时间照射后，热水器内的水温可以达到85℃，问当热水器以6L/min的流量出水，经过一段时间后，其稳定的出水温度为多少摄氏度?

解析:P阳=1.0kW，S=3.0×8.0m2，η=80%.太阳能热水器的输入功率为P=P阳Sη=3.0×8.0×(1.0×103)×80%W=1.92×104W.

设热水器的损失功率为P损=k(T-T0)，当没有出水时，热水器水温维持在85℃，这时能量的输入功率和热损失功率相等，有 P=P损，即1.92×104=k(85-25)，解得k=320W/℃.

点评:太阳能热水器以节能环保已经部分取代了燃气热水器和电热水器.提倡使用太阳能热水器，树立节能环保意识.此题以太阳能热水器切入，意在考查热平衡方程、功率、效率及其相关知识.

4 空调热水器的能效

图3

例 4.(2013 年全国初中应用物理知识竞赛复赛)目前市场上有一种热水器叫做“空调热水器”，又名“冷气热水器”，顾名思义，就是可同时提供空调制冷和热水供应的热水器.其最大的好处是相比传统的电热水器和燃气热水器，这种热水器非常节能.其原理与普通的空调相似，如图3所示.

(1)简述这种热水器的工作原理.

(2)以下为某种品牌的3种型号“空调热水器”的测定参数(在环境温度20℃，进水温度20℃时测定).

表1

请根据表1数据计算或分析:

①根据型号A的热水产出率，计算说明为什么这种“空调热水器”比传统的电热水器更节能［水的比热容c水=4.2×103J/(kg·℃)］;

②这种热水器有一种性能参数叫做“能效比”，其定义为:当水吸收Q的热量，电流所做的功为W时，能效比η=Q/W.A型热水器的能效比为多少?

(3)若B型与其他两种型号的能效比相同，而出水温度只要求达到45℃时，它的实际热水产出率会是多少?

解析:(1)压缩机将气态工作物质压缩，使其在冷凝器内液化，并放出热量，传递给需要加热的水;液化后的工作物质经膨胀阀后体积迅速膨胀，压强减小后汽化，降低自身温度后，从流过蒸发器内的空气中吸收热量，使空气温度降低，形成冷气后吹出.

(2)①查表得A型热水器工作1h可将V=120L=120×10-3m3的水温度升高约t=35℃，则水吸收的热量为Q=c水m水t=c水ρ水VΔt=4.2×103J/(kg·℃)×103kg/m3×120×10-3m3×35℃ =1.76×107J.

热水器1h消耗的电能为W=Pt=1.2×103W×3.6×103s=4.32×106J.

如果使用传统电热水器，按照电能全部转化为内能计算.消耗的电能就为W'=Q=1.76×107J.

因为W'＞W，所以这种热水器更节能.

(3)设热水器工作1h提供的热水体积为V2'，水吸收热量为 Q'=c水ρ水V2'(t2-t1).

由能效比的定义可得Q'=ηW'.

点评:“空调热水器”是近年出现的节能热水器，正在得到推广和应用.此题以“空调热水器”切入，重点考查对铭牌的理解、热量的计算、能效比的计算及其相关知识的具体应用.

5 空调的温度

例5.(2013年上海市初中物理竞赛复赛)某密闭房间内有一台空调，当房间内温度为t2，房间外温度为t1，正常工作时空调每秒消耗的电功W=2kJ，此时空调每秒从房间吸取的热量为Q2，向室外释放的热量为Q1，W与Q2、Q1之间满足如下关系式:① W+Q2=Q1;② 设:T=t+273，则有Q2/Q1=T2/T1.即室外向房间每秒钟漏进(或漏出)的热量与房间内外的温差成正比.

当室外温度为30℃，温度控制器开关使其间断运转30%的时间(如开了3min就停7min，如此交替开停)，发现这时室内保持20℃不变.试问;

(1)在夏天仍要求维持室内温度为20℃，则该空调器可允许正常连续运转的最高室外温度是多少℃?

(2)若在冬天，空调从外界吸热，往室内放热，仍要求维持室内为20℃，则它能正常运转的最低室外温度是多少℃?

(2)设冬天时房间温度为t1'=20℃，室外温度为t2'，由房间向室外泄漏热能为Q'，空调从室外吸热而向房间放热，则有Q'=D(t1'-t2').

且W+Q2'=Q1';Q1'/Q2'=式中 Q1'、Q2'分别为空调向房间释放的热能和从室外吸收的热能.当房间保持室温t1'=20℃不变时，有 Q'=Q1.即 D(t1'-t2')=

点评:空调是家庭必备的家用电器，题述给出了空调温度与热量必需满足的关系.此题以空调切入，意在考查学习潜能和应用相关知识解决实际问题的能力.