Question

在一些農(nóng)村地區(qū)建造的沼氣池，通過將農(nóng)村大量的秸桿、人畜糞便發(fā)酵來獲取沼氣，利用沼氣來燒火做飯，點(diǎn)燈照明．沼氣池的應(yīng)用，不僅使上述資源得以更好的利用，同時(shí)也給生活帶來了諸多便利，使環(huán)境得以改善．這是一個(gè)一舉多得的惠民工程．圖9 所示為一農(nóng)戶的水壓式沼氣池的剖面簡圖．

說明：1．沼氣池 2．水壓池 3．進(jìn)料口 4．密封蓋 5．輸氣管 6．貯氣室 7．沼氣壓力顯示器 8．總閥門 9．U形管壓強(qiáng)計(jì)（里面裝有染成紅色的水）10．出料口蓋板（不密封水壓池．水壓池仍與外面大氣相通）11．閥門
己知該農(nóng)戶家燃?xì)庠畹南嚓P(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

使用燃料	液化石油氣	天然氣	人工煤氣	人工沼氣
灶前壓強(qiáng)（kP a ）	2.8	2.0	1.0	1.5
額定熱流量 （kW ）	普通爐	左：3.6	組合爐	左：3.6
		右：4.0		右：3.6
	單爐	4.0

取g=10N/kg，水的比熱容4.2×10³J/（kg?℃）
a．根據(jù)圖9 所示，通過計(jì)算說明，該農(nóng)戶此時(shí)能否使用這個(gè)沼氣池中的沼氣來正常燒火做飯？
b．有一天，該農(nóng)戶發(fā)現(xiàn)，沼氣壓強(qiáng)小于燃?xì)庠畹囊�求．為了能盡快利用沼氣生火做飯，從物理學(xué)的角度看，可采取哪些措施？
c．若該農(nóng)戶所用的燃?xì)庠钍瞧胀�爐，通常情況下，普通爐中的右爐單獨(dú)正常工作時(shí)，將一壺質(zhì)量為2.5kg、溫度為20℃的水燒開，耗時(shí)約10min．試估算右爐燒水的效率．
d．請(qǐng)你就如何提高燃?xì)庠畹男�率問題談?wù)勀愕脑O(shè)想．

Answer 1

分析：（1）由圖9可知U形管壓強(qiáng)計(jì)兩邊的液柱之差為6cm，根據(jù)p=ρgh求出這個(gè)沼氣池中沼氣的壓強(qiáng)，再與人工沼氣灶前壓強(qiáng)相比較，即可判斷能否正常工作．
（2）根據(jù)增大壓強(qiáng)的方法：減小沼氣池內(nèi)沼氣的體積和熱脹冷縮的方法提出可采取的措施．
（3）由表格中數(shù)據(jù)可知普通爐的額定熱流量，根據(jù)Q=Pt求出燃?xì)庠钏�放出的熱量，根�?jù)Q=cm△t求出水吸收的熱量，根據(jù)效率公式求出右爐燒水的效率．
（4）從減小散熱和影響熱傳遞的因素提出提高燃?xì)庠畹男�率問題的設(shè)想．

解答：解：a、灶前沼氣壓強(qiáng)p=ρ_水gh=1.0×10³kg/m³×10N/kg×0.06m=600Pa=0.6kPa，
因?yàn)閜＜1.5kPa，
所以此時(shí)不可以使用這個(gè)沼氣池中的沼氣來正常燒火做飯．
b、可采取的措施有：通過進(jìn)料口向沼氣池中加水、加料或向水壓池中加水等．如果通過進(jìn)料口向沼氣池中加適量的熱水，則效果更佳．
c、一般說來，燃?xì)庠钫�常工作時(shí)，燃?xì)獾娜紵�是很充分的，我們可以視為燃�(xì)馔耆�燃燒；再把�?dāng)時(shí)的大氣壓看作是1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓．
燃?xì)庠钏�放出的熱量：Q_放=Pt=4.0×10³W×10×60s=2.4×10⁶J，
水吸收的熱量：Q_吸=c_水m_水△t_水=4.2×10³J/（kg?℃）×2.5kg×（100℃-20℃）J=8.4×10⁵J，
右爐燒水的效率：η=

Q吸

Q放

×100%=

8.4×105J

2.4×106J

×100%=35%．
c、提高燃?xì)庠顭嵝�率的設(shè)想如下：適當(dāng)選用額定熱流量較大的爐具以縮短加熱時(shí)間，從而縮短向環(huán)境散熱的時(shí)間，以減少熱損失；及時(shí)清除水壺底部的水垢，以加快熱傳遞；燒水時(shí)，水壺最好加蓋．
答：a、該農(nóng)戶此時(shí)不能使用這個(gè)沼氣池中的沼氣來正常燒火做飯；
b、通過進(jìn)料口向沼氣池中加水、加料或向水壓池中加水等，如果通過進(jìn)料口向沼氣池中加適量的熱水，則效果更佳；
c、右爐燒水的效率為35%；
d、適當(dāng)選用額定熱流量較大的爐具以縮短加熱時(shí)間，從而縮短向環(huán)境散熱的時(shí)間，以減少熱損失；及時(shí)清除水壺底部的水垢，以加快熱傳遞；燒水時(shí)，水壺最好加蓋．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了液體壓強(qiáng)、熱量等的計(jì)算和效率的計(jì)算等，關(guān)鍵是從所給信息中找到有用的數(shù)據(jù)，本題難度比較大，屬于難題．