基于高考真題的熱量收支平衡原理分析

李巖

[摘 ? 要]近年的高考卷地理部分對熱量收支平衡原理的考查較為頻繁。文章通過對有關(guān)高考真題的分析和解讀，對高考中經(jīng)常涉及的熱量收支平衡原理進(jìn)行梳理和整合，以期為高三備考的師生提供參考。

[關(guān)鍵詞]熱量收支平衡;高考;地理

[中圖分類號] ? ?G633.55 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）28-0095-02

熱量收支平衡原理對于正確理解大氣受熱過程，分析海—?dú)庵g的相互作用，解釋厄爾尼諾、拉尼娜現(xiàn)象對全球氣候和人類活動的影響等都具有重要意義，也是高考經(jīng)常考查的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識。此內(nèi)容與物理學(xué)科聯(lián)系密切，而各個版本的地理教材對此著墨甚少，不少考生甚至教師對此部分內(nèi)容理解不到位。本文以近幾年相關(guān)高考真題為例進(jìn)行分析，對“熱量收支平衡”的相關(guān)理論進(jìn)行梳理，以期為高三備考的師生提供參考。

一、潛熱傳遞

潛熱傳遞是指水在蒸發(fā)（或冰在升華）時要吸收熱量，相反，水汽在凝結(jié)（或凝華）時，又會放出熱量。如果蒸發(fā)（或升華）的水汽，被帶到別處凝結(jié)（或凝華），通過水相變化，就會伴隨著熱量的傳遞。2015年高考文綜全國Ⅰ卷以我國青藏鐵路沿線熱棒的工作原理為案例對此原理進(jìn)行了考查。

[例1]（節(jié)選自2015年全國Ⅰ卷）青藏鐵路格（爾木）拉（薩）段成功穿越了約550千米的連續(xù)多年凍土區(qū)。多年凍土的活動層反復(fù)凍融及冬季不完全凍結(jié)，會危及鐵路路基。青藏鐵路建設(shè)者創(chuàng)造性地提出了“主動降溫、冷卻路基、保護(hù)凍土”的新思路，采用了熱棒新技術(shù)等措施。熱棒地上部分為冷凝段，地下部分為蒸發(fā)段，當(dāng)冷凝段溫度低于蒸發(fā)段溫度時，蒸發(fā)段液態(tài)物質(zhì)汽化上升，在冷凝段冷卻成液態(tài)，回到蒸發(fā)段，循環(huán)反復(fù)。根據(jù)熱棒的工作原理，判斷熱棒散熱的工作季節(jié)（冬季或夏季），簡述判斷依據(jù)。

【參考答案】冬季。依據(jù)：冬季氣溫低于地溫，熱棒蒸發(fā)段吸收凍土的熱量，（將液態(tài)物質(zhì)汽化上升，與較冷的地上部分管壁接觸，凝結(jié)，釋放出潛熱，）將凍土中的熱量傳送至地上（大氣）。

本題中熱棒利用的就是物理學(xué)中的潛熱交換原理，考生需要將之轉(zhuǎn)化成地理學(xué)的內(nèi)容。根據(jù)潛熱交換原理，結(jié)合題目材料可知，熱棒工作的目的是降低凍土溫度，其工作時應(yīng)為凍土溫度比大氣溫度高的時期，由此判定其工作的季節(jié)為冬季。冬季時，凍土溫度高于大氣溫度，處于地下凍土中的熱棒蒸發(fā)段中的液態(tài)物質(zhì)吸收凍土中的熱量蒸發(fā)成為氣態(tài)，汽化后的物質(zhì)密度變小，沿著熱棒上升至地上部分，因?yàn)榈厣蠝囟容^低，物質(zhì)遇冷凝結(jié)成液態(tài)并同時釋放潛熱。物質(zhì)汽化吸熱、液化放熱的過程，就是潛熱傳遞過程。冷凝的液態(tài)物質(zhì)密度變大，在重力作用下回流至地下蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復(fù)，將凍土中的熱量源源不斷地傳遞至大氣，從而使凍土溫度不斷降低，凍結(jié)程度不斷加深。夏季時，地上的氣溫高于凍土溫度，位于凍土中的熱棒蒸發(fā)段的液態(tài)物質(zhì)不能汽化，凍土的熱量不能通過潛熱的形式傳遞至地上大氣中，熱棒停止工作。本題因?yàn)樯婕拔锢韺W(xué)原理，對文科生來說難度較大，得分率較低。但是潛熱傳遞是大氣與地面（海面）、大氣與大氣之間進(jìn)行熱量交換的重要方式，2018年高考文綜全國Ⅱ卷以龍卷風(fēng)中濕熱氣團(tuán)的抬升原因?yàn)榘咐俅慰疾椤?/p>

[例2]（節(jié)選自2018年全國Ⅱ卷）龍卷風(fēng)是大氣中強(qiáng)烈的渦旋現(xiàn)象。濕熱氣團(tuán)強(qiáng)烈抬升，產(chǎn)生了攜帶正電荷的云團(tuán)。一旦正電荷在云團(tuán)局部大量積聚，吸引攜帶負(fù)電荷的地面大氣急速上升，在地面就形成小范圍的超強(qiáng)低氣壓，帶動匯聚的氣流高速旋轉(zhuǎn)，形成龍卷風(fēng)。指出龍卷風(fēng)多發(fā)區(qū)濕熱氣團(tuán)抬升的原因。

【參考答案】與北方來的冷干氣流（氣團(tuán)）交匯，濕熱空氣抬升;（地處中低緯度，太陽輻射較強(qiáng)）下墊面溫度較高，（濕熱）空氣受熱抬升;濕熱空氣抬升過程中，水汽凝結(jié)，釋放熱量，加熱并進(jìn)一步抬升空氣。

本題考查濕熱空氣抬升的原因，同樣涉及了潛熱傳遞的問題。不過，在人教版教材關(guān)于“臺風(fēng)及其危害”的案例中，介紹臺風(fēng)中心附近空氣劇烈抬升的原因時提到了“上升空氣膨脹變冷，其中的水汽冷卻凝結(jié)形成水滴時，要放出熱量，又促使低層空氣不斷上升”。如果考生備考時能認(rèn)真閱讀教材中的案例，并對往年真題進(jìn)行認(rèn)真分析，此類問題就容易解決了。

二、熱量傳導(dǎo)

熱量傳導(dǎo)是指物體之間相互接觸，熱量由高溫物體傳向低溫物體或同一物體內(nèi)部熱量由高溫部分傳向低溫部分的過程，是固體物質(zhì)熱量傳遞的主要方式。當(dāng)?shù)孛媾c空氣之間，或者空氣團(tuán)與空氣團(tuán)之間有溫度差異時，也會以傳導(dǎo)方式交換熱量。2017年高考文綜全國Ⅰ卷以我國某地的雙層覆膜技術(shù)為案例對此原理進(jìn)行了考查。

[例3]（節(jié)選改編自2017年全國Ⅰ卷）我國某地為保證葡萄植株安全越冬，采用雙層覆膜技術(shù)（兩層覆膜間留有一定空間），效果顯著。分析豐雪年和枯雪年膜內(nèi)溫度的差異。

【參考答案】豐雪年膜內(nèi)溫度變化較小，枯雪年膜內(nèi)溫度變化較大。

本題考查了積雪對膜內(nèi)溫度和膜上氣溫的不同影響。我們首先可以判讀膜內(nèi)溫度比氣溫高，即雙層覆膜具有保溫作用。其次，膜上的積雪白天對太陽輻射具有反射作用，進(jìn)入膜內(nèi)的太陽輻射減少，因此豐雪年的膜內(nèi)溫度最高值（當(dāng)?shù)貢r間午后2點(diǎn)左右）比枯雪年低;而晚上時，膜上的積雪對膜內(nèi)空氣起保溫作用，其保溫作用的實(shí)質(zhì)是積雪是熱量的不良導(dǎo)體，其阻隔了膜內(nèi)的熱量向外散失。因此豐雪年膜內(nèi)的溫度變化較小。

各種物質(zhì)熱傳導(dǎo)的性能不同，金屬較好，而土壤、積雪、棉花、羽毛、毛皮等為常見的熱的不良導(dǎo)體。因此積雪、土壤等不良導(dǎo)體覆蓋下方，氣溫的變化幅度會比較小，即常常會形成熱量條件比較穩(wěn)定的環(huán)境。2018年高考文綜全國Ⅲ卷以澳大利亞的地下住宅為案例對此原理進(jìn)行了考查。

[例4]（節(jié)選自2018年全國Ⅲ卷）澳大利亞某地區(qū)降水稀少，自然景觀極度荒涼，氣溫年較差大，夏季最高氣溫可達(dá)50℃，冬季氣溫較低。早年，該地區(qū)的礦工經(jīng)常在礦井里躲避炎熱天氣，長此以往便形成了具有當(dāng)?shù)靥厣牡叵伦≌?jù)此推測該類地下住宅（ ? ? ? ?）

①室溫不變 ?②冬暖夏涼 ?③類似黃土高原的窯洞 ?④類似草原的蒙古包

A. ①③B. ②③C. ①④D. ②④

【參考答案】B。

本題中地下住宅上方的土體和巖石，作用類似于上題中的積雪，其阻隔了地下住宅和外界之間的熱量傳遞。夏季，外界氣溫較高，但是土體和巖石阻隔了外界熱量向地下住宅的傳遞，使地下住宅較為涼爽;而冬季時，外界氣溫較低，土體和巖石阻隔了住宅內(nèi)的熱量向外界散失，使地下住宅保持較為溫暖的環(huán)境。本題難度較低，考生只要留心身邊熟悉的案例（如黃土高原的窯洞、農(nóng)村地區(qū)的地窖）都能得到正確的答案。

三、輻射傳遞

輻射傳遞是指物體通過電磁波的放射和吸收而進(jìn)行的熱量交換方式。大氣增溫主要依靠吸收地面的長波輻射，同時大氣也通過其放射出的長波輻射對地面起保溫作用，這種以輻射方式交換熱量的現(xiàn)象不僅在地面與空氣之間，而且在空氣團(tuán)與空氣團(tuán)之間也一直存在。2017年高考文綜全國Ⅰ卷以山地苔原帶植物多樣性差異為案例對此原理進(jìn)行了考查。

[例5]（節(jié)選自2017年全國Ⅰ卷）山地垂直帶內(nèi)部的分異規(guī)律，日益為地理學(xué)研究所重視。地理科考隊(duì)調(diào)查某山峰的苔原帶時發(fā)現(xiàn)，陰、陽坡降水量與坡度差別不大，但植物多樣性差異顯著。分析與陰坡相比，苔原帶陽坡地表溫度和濕度的特點(diǎn)及產(chǎn)生原因。

【參考答案】特點(diǎn)：陽坡地表溫度高、濕度低（水分條件差）。原因：陽坡太陽輻射強(qiáng)，地表溫度高，蒸發(fā)強(qiáng)度大;陽坡融雪早，蒸發(fā)歷時長。

本題考查了太陽輻射對地表溫度的影響。輻射傳遞是大氣與地面之間最重要的熱交換方式，同時也是高中地理教材中介紹得最為詳細(xì)的一種方式，考生對此比較熟悉，回答此類問題比較得心應(yīng)手。但是本題應(yīng)該注意的是地面對太陽輻射的反射率的變化對地表溫度的影響。積雪融化之后，地面對太陽輻射的反射率降低，地面吸收的太陽輻射增多，其溫度升高。而地表溫度升高，又進(jìn)一步促使積雪融化。對于這一過程，又可以聯(lián)系全球變暖和兩極冰川融化之間的相互影響，從而加深對輻射傳遞熱量原理的認(rèn)識。

以上是對近幾年高考對熱量傳遞方式考查的梳理。實(shí)際上，物體之間的熱量傳遞方式還有對流、湍流等多種方式，但高中地理涉及較少，高考中也很少考查，此文不再贅述。地—?dú)庵g、氣—?dú)庵g經(jīng)過不同方式的熱量交換和傳遞過程，其熱量收支狀況會發(fā)生顯著的變化，從而影響著各自的溫度。以某一區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅錈崃坑惺杖耄灿兄С觥Ｈ绻錈崃渴杖氪笥谥С觯瑒t熱量盈余，氣溫上升;如果熱量收入小于支出，則熱量虧損，氣溫下降;如果熱量收入等于支出，則熱量平衡，氣溫穩(wěn)定。

綜上所述，高考對熱量收支平衡原理的考查較為頻繁。雖然此類問題與物理學(xué)科密切相關(guān)，但高三師生在備考時，切不可本末倒置，一味加大難度，將地理課堂變成物理課堂，只需要結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)和地理主干知識，將此類問題梳理歸納，轉(zhuǎn)化成地理問題，用地理思維進(jìn)行解答，問題便可迎刃而解。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ]

[1] ?中華人民共和國教育部.普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] ?姜世中.氣象學(xué)與氣候?qū)W[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

（責(zé)任編輯 周侯辰）