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．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

Question

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．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，向上运动；背光一侧的水由于温度较低，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______（选填“变大”、“不变”或“变小”）．
（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60℃，求这些水需要吸收多少热量？[水的比热容是4.2×10³J/（kg•℃）]
（4）某品牌太阳能热水器集热器面积为S=2m²，热效率为η=40%（即热水器能将照射到玻璃吸热管上的太阳能的40%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，求需要加热多长时间？

Answer 1

（1）玻璃吸热管内向光一侧的水吸热后体积增大，质量不变，由ρ=(m)/(V)可知密度变小；
（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-t₀）
=4.2×10³J/（kg•℃）×100kg×（60℃-20℃）
=1.68×10⁷J；
（4）热水器每秒水吸收的热量：
Q_吸′=Pst×40%=1.4×10³W/m²×2m²×1s×40%=1120J，
∴加热时间：
t=(Q吸)/(Q吸′)=(1.68×107J)/(1120J/s)=15000s≈4.2h．
答：（1）变小；
（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）这些水需要吸收的热量为1.68×10⁷J；        
（4）需要加热4.2h．