能量转化中的效率计算

1、能量转化中的效率计算能量可以从一种形式转化为另一种形式，要实现这种能 量的转化需要一定的设备，由于设备本身的限制，不可能将 一种能量全部转化为另一种能量，这就出现了设备的效率问 题。笔者发现， 2019 年各地中考以设备的效率为载体，围绕 有用的能量和总能量涉及的相关知识设置考点，试题的综合 性较强， 覆盖初中物理的力、 热、电、能量等知识。1 锅炉的效率例 1( 2019 鞍山)某中学为学生供应开水， 用锅炉将 200kg 的水从25C加热到100C，燃烧了 6kg的无烟煤。水的比热 容是4.2 X 103J/( kgC)，无烟煤的热值是 3.4 X I07J / kg。求：( 1 )锅炉内

2、的水吸收的热量是多少 ?( 2)无烟煤完全燃烧放出的热量是多少 ?( 3)此锅炉的效率是多少 ? 解析：试题以锅炉为载体，考查了吸热升温公式和燃料燃 烧放热公式。要求锅炉的效率，需要清楚锅炉将燃料燃烧放 出的热量转化为水的内能，因此水温度升高吸收的热量是有 用的能量，无烟煤完全燃烧放出的热量是总能量。答案：( 1 )(3)锅炉的效率2 柴油抽水机的效率例 2(2019 荆门)今年我省出现大面积干旱，造成农田缺 水，严重影响农作物生长，为缓解旱情，很多地方采用柴油 抽水机从江湖中引水灌溉。某柴油抽水机把湖水抬升 4.5m 流入沟渠，再去灌溉农田。已知在2h内抬升了 1600m3的水， 此柴油抽水

3、机的效率为 40%柴油的热值为4.5 X 107J/kg , g 取 10N/kg ,求：(1) 此柴油抽水机2h做了多少有用功？ C(2) 此柴油抽水机工作 2h 消耗了多少柴油？(3) 此柴油抽水机的总功率为多少千瓦？解析：柴油抽水机将柴油完全燃烧产生的能量通过克服重 力做功转化为水的重力势能。 试题以此为载体，考查了质量、 密度、重力、热值、功和功率等知识。(1) 虽然抽水机是将水连续地分批抽上去，我们可以想象成抽水机将全部1600m3的水一次性地在2h内缓慢抬升4.5m，这就是等效法的应用。这样利用计算出水的质量，再 用计算重力，然后用就可以计算出有用功。(2) 要计算柴油的质量，需要

4、先计算柴油燃烧放出的热量。 这就要利用柴油抽水机的效率为 40%这个数据。教学中发现 很多同学常犯一个错误，就是利用柴油抽水机做的有用功去乘以效率。避免错误的方法是想清楚柴油燃烧放出的热量是 总的能量，总的能量要比有用的能量数值大。应该根据，得 到。（3）柴油抽水机的总功率应该用总能量除以时间计算，总能量就是柴油燃烧放出的热量，时间是2h,要注意把单位化成秒。答案：（1）（ 2）根据，得（3）3 太阳能的效率例 3（ 2019 广东）阅读下面的短文，回答问题。太阳能热水器 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。它具有安全、节能、环保等优点。如图 1 所示，太

5、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2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所示：当太阳光入射到黑色的吸第 3 页热层上时，黑色吸热层能把太阳能更有效地转化为热能，将管内的水加热。向光一侧的水被加热后体积增大、密度变小而向上运动；背光一侧的水由于温度较低、密度较大而向下运动，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。

6、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、密度变 小，所受到的浮力 重力。（ 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20C的水加热到60C,求这些水需要吸收多少热量 ?水的比热容是4.2 X 103J/（kg?C）（4） 某品牌太阳能热水器集热器面积为S=2m2热效率为n =40% （即热水器能将照射到玻璃吸热管上的太阳能的40%转化为水的热能） ，该地点太阳能辐射到地面的平均功率为 P=1.4X 103W/m2（即平均每平方米每秒钟太阳辐射能为 1.4 X 103J）。在第（3）小题中水吸收的热量由该热水器

7、提 供，求需要加热多少小时 ?解析：太阳能热水器把太阳能转化成热能，把水从低温加热到高温。以此为背景，试题考查了浮力、热传递、热量、 效率等知识。（1）通过阅读材料可知，玻璃吸热管内向光一侧的水吸热 后体积增大、密度变小而向上运动，这就是上浮，所以水受 到的浮力大于重力。（ 2）黑色的吸热材料能把太阳能更有效地转化为热能，若 涂在玻璃吸热管的外表面，只能使吸热管的外表面温度更 高，中间的真空层不利于将热量传递给内层管内的水。（ 3）利用吸热升温公式， 就可以计算水吸收的热量。（ 4）这一问考查学生收集信息、处理信息的能力。通过阅 读要理解好热效率、太阳能辐射到地面的平均功率这两个概 念。设需要

8、加热的时间为 t ，则该太阳能热水器接收到的太 阳能为PS t，转化为水的内能为 PS t n,这个内能等于第 （3）小题中水吸收的热量，这样利用方程就可以求出t答案：（1）大于（2）不能；因为这样只能使吸热管的外表面温度更高，中 间的真空层不利于将热量传递给管内的水。（3）（4）设需要加热的时间为 t ，则热水器接收到的太阳能为PS t，转化为水的内能为 PS t n,根据，得4 钻木取火中的效率例 4（2019 杭州）人类的祖先钻木取火,为人类文明揭开第 5 页了新的一页。钻木取火的一种方法如图 3 所示，将削尖的木 棒伸到木板的洞里，用力压住木棒来回拉动钻弓。木棒在木 板的洞里转动时，板

9、与棒互相摩擦，机械能转化为内能，而 热集中在洞内，不易散发，提高了木棒尖端的温度，当达到 约260 C时木棒便开始燃烧。因木头是热的不良导体，故受 热厚度很薄，木棒受热部分的质量只有 0.25g 。已知：来回 拉一次钻弓需1.0s，弓长为s=0.25m，人拉弓的力为 16N, 木头比热容 C=2X 103J/(kgC)，室温为20C。问：( 1 )人来回拉一次钻弓克服摩擦力所做的功为多少？( 2)人克服摩擦力做功使机械能转化为内能，若其中有 25被木棒尖端吸收，则 1s 内可使木棒尖端温度提高多 少C?( 3)请你估算用多长时间才能使木棒燃烧起来？解析：( 1 )利用就可以求人所做的功，但要注

10、意因为是人 来回拉一次钻弓，所以距离要乘以 2。( 2)钻木取火时将人做的功转化为内能。所以人做的功对 应的是总能量，转化的内能是有用的能量。这样利用，可以 求出升高的温度。( 3)由第二问中人 1s 内做功可使木棒尖端提高的温度， 根据比例关系就可求要让木棒尖端温度升高(260C 20C) 需要的时间。答案：（1）（2）根据，得：（3）5 汽车发动机的效率例 5（2019湛江） 2019年 12月 30日通车的湛徐高速，使 得从湛江市区到徐闻县海安港口全程只需约1 个小时，从而使雷州半岛的居民从此真正进入湛江市“一小时生活圈”。 今年“五一”期间，爸爸开车带着李兵从湛江市区出发沿 湛徐高速到

11、徐闻参观“大汉三墩”景点，汽车（包括车上的 人和物品）质量为1.8 x 103kg,车轮与地面的总接触面积为 0.09m2，当汽车以90km/h的速度在平直路面上匀速行驶时， 汽车发动机牵引力为1000N,效率为30%，汽油的热值为 4.6 x 107J/ kg （假设汽油完全燃烧，g取10N/ kg ）。求：（ 1）汽车静止时对路面的压强；（ 2）汽车以 90km/h 的速度匀速行驶时，牵引力的功率；（ 3）若汽车按照这种方式行驶， 这次旅行全程往返 250km，牵引力做的功是多少？李兵应该提醒爸爸至少要加汽油多少 kg？解析：汽车发动机工作时将汽油燃烧放出的内能转化为机 械能。以此为载体，

12、试题考查了压强、功、功率、热量等知 识。( 1)利用，可以求压强。其中压力F=G=mg(2) 计算功率，可利用 P=Fv,不过要注意将速度单位化为国际单位， 90km/h=25m/s(3) 计算功，直接利用 W=Fs即可。要计算汽油的质量可 根据。答案：( 1)汽车静止时对地面的压力F=G=mg=1.涿 103kgX 10N/kg=1.8 x 104N。汽车静止时对 地面的压强：2x 105Pa。( 2)汽车以 90km/h 的速度匀速行驶时，牵引力的功率：P=Fv=1000Nx25m/s=2.5x104W(3)全程往返约250km牵引力所做的：W=Fs=1000xN2.5 x105m=2.5

13、x108J， 由得全程往返约 250km需要汽油的质量为：6 电热饮水机的效率例 6( 2019 泰州)下表是一台常用的电热饮水机的铭牌数据，图4是它的电路原理图，其中 S是温控开关，R1是定值 电阻，R2是加热电阻。当S闭合时，饮水机处于加热状态； 当 S 断开时，饮水机处于保温状态水桶容量20L热水箱容量1L第 7 页额定电压220V加热功率440W保温功率40W(1) 在加热状态下，饮水机正常工作时电路中的电流是多 大?(2) 饮水机正常工作时，将热水箱中的水从20C加热到90C.需用时14min水的比热容为 4.2 x 103J/ (kgC) 求此加热过程中：水吸收的热量；饮水机的加热

14、效率。( 3)求电阻 R1 的阻值(保温功率是指整个电路消耗的功 率)。解析：电热饮水机能将电能转化为内能，试题以此为背景 考查了电路、 电功率、 质量、 密度及热量、 效率的有关计算， 试题的综合性较强。( 1)由铭牌数据提供的信息，饮水机在加热状态下的功率为440W 饮水机正常工作时的电压为 220V,要求电路中的 电流，只要利用即可。(2)要求水吸收的热量，需要利用，式中m应该是热水箱中水的质量，不能是水桶中的水的质量。要求热水箱中水的 质量，利用即可，其中 V=1L=10-3m3。饮水机将电能转化为第 9 页内能，转化的内能是有用的能量，消耗的电能是总能量。消耗的电能可以用计算， 其中P=440Wt=14min=14 X 60s=84