【分析】
拿到这道题先梳理已知条件:金属块在90℃的水中加热足够长时间,说明金属块初始温度就等于90℃,放入冷水后最终热平衡温度为40℃。第一问求金属块放出的热量,直接套用物体放热公式,代入金属的比热容、质量、降低的温度即可计算。第二问求水吸收的热量,套用吸热公式,代入水的比热容、质量、升高的温度就能算出结果。第三问对比前两问的热量数值,就能发现二者不相等,结合实际热传递的场景分析,理想状态下金属放出的热全部被水吸收,但实际过程中除了水之外,容器、周围空气都会吸收部分热量,因此会出现热量不相等的情况。
【解析】
(1) 金属块在90℃水中加热足够长时间,因此金属块初温$t_1=90\ ℃$,热平衡后末温$t=40\ ℃$,已知$m_{\mathrm{金属}}=2\ \mathrm{kg}$,$c_{\mathrm{金属}}=0.875×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$,根据放热公式:
$Q_{\mathrm{放}}=c_{\mathrm{金属}}m_{\mathrm{金属}}(t_1-t)$
代入数值计算:
$Q_{\mathrm{放}}=0.875×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×2\ \mathrm{kg}×(90\ ℃-40\ ℃)=8.75×10^4\ \mathrm{J}$
(2) 已知水的质量$m_{\mathrm{水}}=5\ \mathrm{kg}$,水的初温$t_2=38\ ℃$,末温$t=40\ ℃$,$c_{\mathrm{水}}=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$,根据吸热公式:
$Q_{\mathrm{吸}}=c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}(t-t_2)$
代入数值计算:
$Q_{\mathrm{吸}}=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×5\ \mathrm{kg}×(40\ ℃-38\ ℃)=4.2×10^4\ \mathrm{J}$
(3) 对比计算结果可知$Q_{\mathrm{放}}>Q_{\mathrm{吸}}$,二者不相等。实际热传递过程中,金属块放出的热量除了被水吸收之外,还有部分热量被装水的容器吸收,还有部分热量散发到周围空气中,存在热量损失,因此二者数值不相等。
【答案】
(1) $8.75×10^4\ \mathrm{J}$
(2) $4.2×10^4\ \mathrm{J}$
(3) 不相等;热传递过程中有部分热量散失到空气中(或被容器吸收),存在热量损失。
【知识点】
吸放热公式计算,热传递,热量损耗
【点评】
本题是热学基础计算题,前两问直接考察吸放热公式的应用,难度较低,第三问打破了理想热平衡下$Q_{\mathrm{吸}}=Q_{\mathrm{放}}$的固有认知,引导学生结合实际实验场景分析误差来源,加深对热传递过程的理解,避免死记硬背理想结论。
【难度系数】
0.8