Question

阅读下面的短文，回答问题．
                                         太阳能热水器
太阳能热水器能利用太阳能把水从低温加热到高温，以满足人们日常生活的需要．它具有安全、节能、环保等优点．
如图甲所示，太阳能热水器主要由两部分构成：一部分是由许多根玻璃吸热管组成的集热器，每根玻璃吸热管由双层玻璃管组成，双层玻璃管之间是真空．如图乙所示是玻璃吸热管的工作原理图，它的结构与保温瓶的玻璃内胆相似，只是在玻璃吸热管的内表面涂了一层黑色的吸热材料；另一部分是保温储水箱，保温储水箱下部与玻璃吸热管相通．
玻璃吸热管工作原理如图乙所示：当太阳光入射到黑色的吸热层上时，黑色吸热层能把太阳能更有效地转化为内能，将管内的水加热．向光一侧的水被加热后体积增大、密度变小而向上运动；背光一侧的水由于温度较低、密度较大而向下运动，形成冷热水循环，最终整箱水都升高至一定的温度．玻璃吸热管具有吸热保温作用．
请回答以下问题：

（1）玻璃吸热管内向光一侧的水吸热后体积增大、密度变小，所受到的浮力______重力．
（2）能否将黑色的吸热材料涂在玻璃吸热管的外表面上？简单说明理由______．
（3）将质量为100kg的初温为20℃的水加热到70℃，求这些水需要吸收多少热量？
（4）某品牌太阳能热水器集热器面积为S=2m²，热效率为η=30%（即热水器能将照射到玻璃吸热管上的太阳能的30%转化为水的内能），该地点太阳能辐射到地面的平均功率为P=1.4×10³W/m²（即平均每平方米每秒钟太阳辐射能为1.4×10³J）．在第（3）小题中水吸收的热量由该热水器提供，求需要加热多少时间？

Answer

（1）玻璃吸热管内向光一侧的水吸热后体积增大、密度变小，根据物体的漂浮条件回答；
（2）玻璃吸热管的内表面涂了一层黑色的吸热材料，吸收太阳辐射热，传递给水，水吸热温度升高；若将黑色的吸热材料涂在玻璃吸热管的外表面，因为玻璃是热的不良导体，集热管中又有真空层，不利于将热量传递给管内的水；
（3）知道水的质量、水的比热容、水的初温和末温，利用吸热公式Q吸=cm△t求水吸收的热量；
（4）根据题意可求每秒水吸收的热量，又知道水吸收的热量，求需要的加热时间．
【解析】
：
（1）玻璃吸热管内向光一侧的水吸热后体积增大、密度变小，受到水的浮力大于重力而向上运动，另一侧的水向下运动，形成对流；
（2）不能将黑色的吸热材料涂在玻璃吸热管的外表面，因为玻璃是热的不良导体，集热管中又有真空层，不利于将热量传递给管内的水；
（3）水吸收的热量：
Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×100kg×（70℃-20℃）=2.1×107J；
（4）热水器每秒水吸收的热量：
Q吸′=Pst×30%=1.4×103W/m2×2m2×1s×30%=8.4×102J，
∴加热时间：
t==25000s≈6.94h．
答：
（1）水吸热后体积增大、密度变小，所受到的浮力大于重力；
（2）不能，因为玻璃是热的不良导体，集热管中又有真空层，不利于将热量传递给管内的水；
（3）水需要吸收的热量为2.1×107J；
（4）水吸收的热量由该热水器提供，需要加热约6.94h．