Question

20．家用燃气热水器（如图1所示）是一种方便、快捷且不受天气影响的洗浴设备．下表为某品牌家用燃气热水器的主要技术数据．已知天然气的热值为8×10⁷J/m³．
（1）为了安全使用此热水器，机体上印有一些警告，其中一条是这样说的：“气温低于0℃时，用后请打开放水塞，放尽机内存水，再拧紧…”．请解释为什么要这样做？
（2）试求该型号家用燃气热水器正常工作时的烧水效率．（相关参数见铭牌）
（3）若在额定产热水能力下进行淋浴，一次淋浴总计加热时间为20min，则此次淋浴至少需消耗多少m³天然气？
（4）为防止燃气热水器在无水或水压过低时“干烧”，技术人员设计了很多种“水气联动”装置，实现通常所说的“水到气到”．图2就是其中一种“水气联动”装置的原理图，你能看出它的工作原理吗？请简述它是如何利用“水到”来控制“气到”的：当进水口处有水压时，膜片的右（左/右）面就会受到水的压力，克服弹簧的弹力推动阀杆，打开进气阀门使燃气接入主火管道；反之，如果此时的水压很小或者无水，则膜片受到的水的压力就会减小甚至消失，燃气阀门就会在弹簧的作用下向右（左/右）移动而关闭，停止进气．
（5）为了防止热水器工作过程中加热火焰意外熄灭导致燃气泄漏，技术人员设计了“火灭断气”的装置．如图3所示为一种“火灭断气”装置的原理图，请根据这个原理图，简述它是怎样实现“火灭断气”功能的？

生产许可证	XK00-1020044
执行标准	GB6932-2001
型号	JSD15-D8JA
燃气种类	天然气
额定燃气压强	2000pa
额定热负荷	16KW
适用水压	0.025Mpa0.75Mp
额定产热水能	8L/min（△t=25°C
额定电压	3V（DC）

Answer 1

分析 （1）水的凝固点是0℃，水在结冰过程中体积会膨胀；
（2）已知热水器的额定热负荷和1min，可以得到在此时间产生的热量Q；
已知1min加热水的体积，可以得到1min加热水的质量；已知水的质量、比热和升高的温度，可以得到吸收的热量；
已知水吸收的热量和热水器产生的热量，两者之比就是热水器的烧水效率；
（3）已知热水器的额定热负荷和淋浴时间，可以得到在此时间产生的热量Q_淋；已知需要的热量和天然气的热值，利用V=$\frac{Q}{q}$得到燃烧的天然气；
（4）水箱中进水时，对膜片有向左的压力，压力足够大时，弹簧被压缩，燃气阀门打开，热水器供热；反之燃气阀门关闭；
（5）物体具有热胀冷缩的性质，但不同物体的热膨胀程度不同，双金属片就是两片热膨胀程度相差很大的金属片铆合而成．

解答 解：
（1）气温低于0℃时，使用后的热水器中残存的水会结冰．水结冰后，密度变小，体积膨胀，很容易把热水器胀破．所以，气温低于0℃时，用后需要打开放水塞，放尽机体内存水，再拧紧；
（2）由表格可知，额定热负荷16kW，热水器正常工作1min，产生的热量为：
Q=Pt=16×10³W×60s=9.6×10⁵J
由表格可知额定产热水能，1min内加热水的质量为：
m=ρV=1.0×10³kg/m³×8×10^-3m³=8kg
这些水吸收的热量为Q_吸=cm△t=4.2×10³J/（kg•℃）×8kg×25℃=8.4×10⁵J
热水器的烧水效率为η=$\frac{{Q}_{吸}}{Q}$×100%=$\frac{8.4×1{0}^{5}J}{9.6×1{0}^{5}J}$×100%=87.5%；
（3）一次淋浴需要的热量为：
Q_淋=Pt_淋=16×10³W×1200s=1.92×10⁷J
需要完全燃烧的天然气的体积为V_气=$\frac{{Q}_{淋}}{q}$=$\frac{1.92×1{0}^{7}J}{8×1{0}^{7}J/{m}^{3}}$=0.24m³；
（4）当进水口处有水压时，膜片的右面就会受到向左的压力，克服弹簧的弹力向左推动阀杆，打开进气阀门使燃气接入主火管道；反之，如果此时的水压很小或者无水，则膜片受到的向左的压力就会减小甚至消失，燃气阀门就会在弹簧的压力下向右移动而关闭，停止进气；
（5）火焰燃烧时，双金属片外侧的金属温度升高时膨胀的更多，双金属片向下弯曲，推动燃气阀门打开；如果因为意外的原因使火焰熄灭，双金属片的温度降低，外侧金属收缩的更多，双金属片向上伸直，拉动燃气阀门关闭，防止燃气外泄．
故答案为：
（1）气温低于0℃时，使用后的热水器中残存的水会结冰．水结冰后，密度变小，体积膨胀，很容易把热水器胀破．所以，气温低于0℃时，用后需要打开放水塞，放尽机体内存水，再拧紧；
（2）该型号家用燃气热水器正常工作时的烧水效率为87.5%
（3）此次淋浴至少需消耗0.24m³天然气；
（4）右；右；
（5）火焰燃烧时，双金属片外侧的金属温度升高时膨胀的更多，双金属片向下弯曲，推动燃气阀门打开；如果因为意外的原因使火焰熄灭，双金属片的温度降低，外侧金属收缩的更多，双金属片向上伸直，拉动燃气阀门关闭，防止燃气外泄．

点评 此题提供的信息量大，从这么多的信息中迅速提取出有用的信息，是解决这类问题的关键．平时多留心，多观察，了解物理知识在实际生活中的应用．