第6课机械能与内能计算专题（原卷版）

第6课机械能与内能计算专题学习目标学习目标进一步掌握比热容的应用及吸放热计算进一步掌握热值的计算进一步掌握热机及热机效率计算002预习导学比热容比热容在热传递过程中，传递能量的多少叫做。温度不同的两个物体相互接触，高温物体内能，低温物体内能；对物体做功时，物体内能会，物体对外做功时，物体内能会。比热容是物质的一种，与物质的种类和，与物质的质量、温度和吸热、放热的多少无关。水的比热容是4.2×103J/(kg·℃)，表示的物理意义是：。热量的简单计算热量的计算：(1)吸热：；(2)放热：其中：Q吸—吸收的热量，单位：焦(J)，Q放—放出的热量。c—比热容，单位：焦每千克摄氏度(J/(kg·℃))m—质量，单位：千克(kg)△t—变化的温度(升高或降低的温度)，单位：摄氏度(℃)；t0—初始温度、t—末温。内燃机的工作原理汽油机：四冲程汽油机的结构—汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞。冲程—活塞在气缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。汽油机的工作过程：、、、。吸气冲程—靠惯性运动，吸进汽油与空气的混合物；压缩冲程—外界对做功，机械能转化为，气体温度；做功冲程—化学能转化为，气体温度，气体做功，内能转化为；排气冲程—靠惯性运动，排出废气。柴油机：四冲程柴油机的结构—汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、喷油嘴。柴油机的工作过程与汽油机几乎一样，但有三个区别：1)吸气冲程：汽油机吸进的是汽油和空气的混合物，柴油机吸进的仅仅是空气；2)压缩冲程：汽油机压缩的是汽油和空气的混合物，汽油机压缩的仅仅是空气；3)做功冲程：汽油机用火花塞点火，柴油机用喷油嘴喷油。内燃机一次工作循环包括4个冲程、飞轮转动2圈、活塞往复2次以及1次对外做功热值热值(q)：1kg某种燃料完全燃烧放出的，叫热值；热值单位是：。对于热值的概念，要注重理解三个关键词：“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg是指燃料的质量，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不等于热值的数值；某种燃料是指热值与燃料的种类有关；完全燃烧意思是燃料要完全烧尽，否则1kg燃料燃烧过程中，化学能转变成内能就不是该热值所确定的值。热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种，只与燃料的有关，与燃料的形态、质量、体积等均。热机效率热机的效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量，叫热机的效率。热机的效率是热机性能的一个重要指标。公式：在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。注意：热机能量的损失：①燃料未完全燃烧(完全燃烧条件：充足空气，研磨成细颗粒)；②废气排出带走能量(废气的利用)；③克服磨擦，消耗能量(使用润滑剂，减小摩擦)能量转化与守恒能量守恒定律：能量既不会，也不会，它只会从一种形式转化为另一种，或者从一个物体转移到另一个，而在转化和转移过程中，能量的总量。能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体，小到原子核，也无论是物理学问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都遵从能量守恒定律。定律中能的转化，是指通过做功，能的形式发生了变化，一种形式的能转化为另一种形式的能。如钻木取火，就是通过克服摩擦做功，使机械能转化为内能。能的转移，是指同一种能从一个物体转移到另一个物体上，能的形式没有变化，如热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体。003探究提升知识点一：比热容特性及计算热量公式Q＝cmΔt适用于物体温度变化过程中，物体所吸收或放出热量的计算，物态变化过程中，物体所吸收或放出的热量不能用Q＝cmΔt计算。运用热量计算公式解题时要注意明确“初温”、“末温”、“温度升高到”、“温度升高了”、“温度降低到”、“温度降低了”的含义。【探究重点】比热容定义式：比热容是物质的一种特性，与物质的种类和状态有关，与物质的质量、温度和吸热、放热的多少无关。【例题精讲】(2023年泰安)13.质量均为的水和另一种液体在相同时间内放出的热量相等，它们温度随时间变化的关系如图所示。已知水的比热容c水=4.2×103J/（kg﹒℃），c水>c液。下列说法中（）①甲物质是水②0~12min乙温度降低了20℃③0~12min甲放出了×104J的热量④乙物质的比热容为2.1×103J/（kg﹒℃）A.只有①②正确 B.只有②④正确C.只有①③正确 D.只有①④正确【巩固训练】(2021年贵州省遵义市中考物理试题)如图所示是某种固态物质加热变成液态时温度随时间变化的曲线，由图可知，该物是___________(选填“晶体”或“非晶体”)，该物质在CD段的比热容___________AB段的比热容。知识点二：物质吸放热计算热量的计算公式：用c表示物质的比热容，用m表示物体的质量，用t表示物体的末温，用t0表示物体的初温，则物体温度升高时，所吸收的热量Q吸=cm(t–t0)：物体温度降低时，所放出的热量Q放=cm(t0–t)，若用Δt表示物体温度的变化，则上述两个公式可统一表示为Q＝cmΔt。应用热量的计算公式解题时，公式中各物理量的单位要统一，即比热容c的单位是J/(kg·℃)，质量m的单位是kg，温度的单位是℃，热量的单位是J。【探究重点】热量的计算公式：用c表示物质的比热容，用m表示物体的质量，用t表示物体的末温，用t0表示物体的初温，则物体温度升高时，所吸收的热量Q吸=cm(t–t0)：物体温度降低时，所放出的热量Q放=cm(t0–t)，若用Δt表示物体温度的变化，则上述两个公式可统一表示为Q＝cmΔt。【例题精讲】小叶同学用酒精灯对冰块加热，研究冰的熔化现象。图中，甲乙两条图线中的一条，是他依据实验数据绘制而成。已知m冰=0.1kg，c水=4.2×103J/(kgoC)，c冰=2.1×103J/(kgoC)。下列分析正确的是()A．小叶绘制的是乙图线B．0~1min内冰块吸收的热量为2.1×103JC．1~3min内温度不变，说明冰块没有吸收热量D．如果酒精完全燃烧，酒精灯的加热效率可以达到100%【巩固训练】在烧瓶中盛有初温为10℃，质量是0.5kg的某种液体，用酒精灯加热，液体吸收了4.2×104J的热量，此时液体的温度升高到________℃[液体比热容为2.8×103J/(kg•℃)]。若将烧瓶中的液体倒去一半，其液体的比热容________(选填“变小”、“不变”或“变大”)。这种液体的吸热能力比水________(选填“强”或“弱”)。知识点三：热值计算内能的获得——燃料的燃烧——化学能转化为内能。热值定义：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值。单位：J/kg公式：Q＝mq(q为热值)。煤气的热值是3.9×107J/m3，它表示：1m3煤气完全燃烧放出的热量是3.9×107J。火箭常用液态氢做燃料，是因为：液态氢的热值大，体积小便于储存和运输。【探究重点】燃料完全燃烧释放出的热量公式为：Q放=mq。气体燃料完全燃烧释放出的热量公式也可为：Q放=qV。推导过程如下：说明：①Q放=mq对固体、液体、气体、均适用；Q放=qV只对气体适用。②两个公式的得出都是根据热值的定义式得到的。其中，Q放表示燃料完全燃烧放出的热量，单位是J；q表示燃料的热值，单位是J/kg；m表示质量，单位是kg。V表示体积，单位是ｍ3。【例题精讲】（2022·四川德阳）100g水温度从20℃升高到70℃需要吸收___________J的热量；汽油机燃气缸内完全燃烧10kg汽油可以放出___________J的热量（水的比热，汽油的热值）。【巩固训练】（2022·四川德阳）100g水温度从20℃升高到70℃需要吸收___________J的热量；汽油机燃气缸内完全燃烧10kg汽油可以放出___________J的热量（水的比热，汽油的热值）。知识点四：内燃机计算燃料的利用率：被我们利用了的热量与燃料完全燃烧释放出的总能量的比值。公式：η=影响燃料利用率的因素有：一是燃料不可能完全充分燃烧，二是燃料燃烧放出的热量大部分被散失掉了，只有一小部分被有效利用。热机的效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的热量之比，η=<1。提高热机效率的主要途径：①使燃料充分燃烧；②尽量减少各种损失；③在热机的时间和制造上，采用先进的技术；④保证良好的润滑，较小摩擦阻力。【探究重点】内燃机一次工作循环包括4个冲程、飞轮转动2圈、活塞往复2次以及1次对外做功口诀“4221”【例题精讲】（2023年枣庄）14.为全面推进“乡村振兴”工程，加快农业农村绿色发展，我市部分农村地区已经使用上了天然气烧水煮饭。小明同学用他家的天然气灶将质量为2kg，初温为20℃的水加热到100℃，水吸收的热量是__________J；消耗了3的天然气，则此天然气灶的热效率为__________。【水的比热容c×103J/（kg·℃），天然气的热值q×107J/m3】【巩固训练】（2022·湖南郴州）3，在此过程中水吸收的热量是______J，热水器的热效率是______。[c水=4.2×103J/（kg·℃）；q天然气=3.2×107J/m3]知识点五：能量守恒各种形式的能量有：电能、热能、化学能、生物能，机械能(包括动能和势能)、光能、太阳能、水能、风能，原子核能、地热能、潮汐能等。能量的相互转化实质上是能量的转移和转化过程，包括“消耗能量”“利用能量”和“获得能量”。能量的转化普遍存在，如动能转化为势能，化学能转化为电能，生物能转化为势能，电能转化为光能和热能等。在一定条件下，各种形式的能量可以相互转化和转移。在热传递过程中，高温物体的内能转移到低温物体。运动的甲钢球碰击静止的乙钢球，甲球的机械能转移到乙球。在自然界中能量的转化也是普遍存在的。小朋友滑滑梯，由于摩擦而使机械能转化为内能；在气体膨胀做功的现象中，内能转化为机械能；在水力发电中，水的机械能转化为电能；在火力发电厂，燃料燃烧释放的化学能，转化成电能；在核电站，核能转化为电能；电流通过电热器时，电能转化为内能；电流通过电动机，电能转化为机械能。能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。【探究重点】如果物体吸收的热量只吸收了燃料完全燃烧的80%，则可列方程Q吸=80%Q放，燃料的热效率问题也可迎刃而解。热机的效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比。热机的效率是热机性能的一个重要指标。汽车发动机的效率、飞机发动机的效率、轮船发动机的效率均属于热机的效率，其公式为：η=。炉具的热效率：天然气燃烧放出的热量是炉具提供的总热量，Q总=Q放，水吸收的热量是有用的热量Q有=Q吸，则η=。电热水器的效率：电热丝所产生热量为Q总，总=Q放，水需要吸收热量为Q有，有=Q吸，则η=。热机效率较低的原因：①燃料在气缸中不可能完全燃烧，燃料的化学能不能全部转化为内能，②在排气冲程时废气带走了大部分的热量，③机器发热要散失一部分热量，④热机在运转时各部件之间存在摩擦，克服摩擦做功消耗一部分能量。【例题精讲】（2023年成都）29.小美在老师指导下进行了以下实验：甲、乙两烧杯各装100g水，用酒精灯加热甲烧杯，煤油灯加热乙烧杯，直至杯内水沸腾1分钟即熄灭该灯，测得消耗酒精4g、煤油。她根据实验数据绘制了水温与加热时间关系的图像（如图）。若水沸腾前质量不改变，同一杯水沸腾前后单位时间内吸收的热量相等，q酒精=3×107J/kg，q煤油×107J/kg，c水=4.2×103J/（kg﹒℃），则下列说法正确的是（）A.整个过程，甲杯中的水吸收的热量更多B.前3分钟，乙杯中的水吸收的热量为×104JC.消耗的煤油完全燃烧放出的热量为1.15×108JD.酒精灯加热的效率为28%【巩固训练】如图所示，是汽油机的能量流向图，对照此图，下列说法不正确的是()A．废气的排放所占的比例最大，减少该部分能量损失是提高热机效率的有效手段B．冷却水能量的二次利用可以提高能量的利用率C．该汽油机工作时汽油没有完全燃烧，则汽油的热值会减小D．该汽油机的热机效率为28%00601强化训练合理分类和利用垃圾可以保护环境、变废为宝。在一定条件下，1t生活垃圾“榨”出140kg燃料油。若燃料油的热值为4.0×107J/kg，某城镇每天产生50t生活垃圾，则这些垃圾“榨”出的燃料油完全燃烧释放出的热量为______J。在标准大气压下，这些热量的30%被初温为25℃、质量250t的水吸收，则水吸收的热量是______J，水温能升高______℃。[c水＝4.2×103J/（kg•℃）]（2022·江苏·苏州市振华中学校模拟预测）生活垃圾的热值为3×106J/kg，位于武进区遥观镇的垃圾焚烧发电厂每天完全燃烧800t生活垃圾，放出热量___________J，放出热量的30%用来发电，每天可发电___________kW·h，放出热量的42%用来加热水供给附近小区，1标准大气压下，每天可将___________kg的水由20℃恰好加热至沸腾。[c水=4.2×103J/(kg·℃)]小明在“探究不同物质吸热升温现象”时，分别用质量均为的甲、乙两种液体进行对比实验，并根据实验数据作出了如图所示的图像。实验过程中，甲、乙两种液体在相同时间内放出的热量相等，分析图像可以得出：甲、乙两种液体的比热容大小关系是c甲______c乙（选填“＞”、“＜”或“＝”），若乙液体的比热容为（2.1×103J/（kg•℃），则甲液体的比热容大小是______J/（kg•℃）；甲液体在0～12min内放出的热量与完全燃烧______kg的干木柴放出的热量相同。（q干木柴＝1.2×107J/kg）

(2023年南充)14.某单缸四冲程汽油机，飞轮每分钟转3000转，则每秒对外做功_______次，每次对外做功115J，该汽油机的效率为25%，连续工作1小时需消耗汽油________kg（q汽油×107J/kg）。随着国家对环境保护的投入，氢燃料新能源公交车逐渐在各地投放使用。氢燃料具有清洁无污染、效率高等优点，被认为是21世纪最理想的能源，[c水＝×103J/(kg•℃)；q氢＝×108J/kg]求：(1)质量为的氢燃料完全燃烧放出的热量。(2)若这些热量全部被质量为400kg，25℃的水吸收，则水温度会升高到多少摄氏度。(3)某氢能源公交车以140kW的恒定功率做匀速行驶，如果的氢燃料完全燃烧获得热量的焦耳数和公交车所做的功相等，则这些热量能让该公交车匀速行驶多长时间。（2022·江苏2的天然气可放出_______J的热量，这些热量若全部被水吸收，可让_______kg的水温度升高20°C[已知天然气热值q=3.0×107J/m3，水的比热容c=4.2×103]/（kg．°C）]。（2023年广元）16.某研学活动小组在实践活动期间，粗略测量了一农家柴火灶的热效率。同学们在柴火灶的铁锅里倒入5kg水。盖上锅盖，完全燃烧了1kg干木柴使水温从升高到，水吸收的热量为___________J，该柴火灶的热效率为___________。[水的比热容是c水=4.2×103J/（kg·℃），这种千木柴的热值是×107J/kg]（2022·江苏无锡·二模）在“比较不同物质吸热能力”的实验中，将甲、乙两种不同的液体分别放入两个相同的烧杯内，用相同的电加热器同时加热．记录相关数据，并绘制出如图所示的图象．（不计热量损失）（1）实验时，选用初温和______均相等的甲、乙两种液体．（2）加热10min，甲吸收的热量______（选填“大于”、“小于”或“等于”）乙吸收的热量，甲液体的沸点是______℃．（3）乙液体的比热容是甲液体比热容的_____倍．如下图所示，小明将气球吹大后，让气球自行飞出，若及时捡拾起气球，将会感觉到气球球身的温度和原来相比______（选填“变高”“变低”或“没有变化”），此过程发生的能量转化与______（选填“甲”、“乙”、“丙”、“丁”）图中的能量转化是一致的。1min内汽油机完成2400个工作循环，飞轮的转速为______r/s。汽油机完成一个工作循环时，需要吸入2L的燃料，其质量为______kg，这些燃料完全燃烧放出的热量为______J。若这些热量有84%被质量为10kg的水吸收，水的温度能够上升______℃。（燃料3，q燃料4.6107J/kg，c水4.2103J/（kgC））

(2021·广西南宁市·中考真题)若汽车在平直公路上内匀速行驶了，消耗汽油。发动机的输出功率为。汽油热值为。求：(1)汽车行驶的速度；(2)汽车牵引力做的功；(3)汽车发动机的效率。某品牌汽车的质量为M（含驾乘人员），车的钢质外壳密度为ρ1、质量为m，发动机的效率为。若该车在平直道路上匀速行驶受到地面的摩擦力为车总重的k倍（k<1，为常数），受到的空气阻力为f，忽略其它摩擦阻力。经过技术革新，厂家将车外壳换成了等体积，密度为ρ2的新材料（ρ2<ρ1），并对车子的流线型进行了优化，使车子受到的空气阻力降低了2%，还将车子的发动机效率提高到了，改进后汽车以相同的速度匀速行驶。设改进前后汽车行驶的路况、路程、驾乘人员相同，改进前的耗油量m1，改进后汽车的耗油量m2，在满足上述条件下说法正确的是（）A．在消耗等量燃油的情况下，改进后汽车的行驶路程更长B．改进后汽车以相同的速度匀速行驶时，有用功的功率变小C．若燃油的热值为q，汽车匀速行驶的路程为s，则D．改进后汽车的耗油量m2与