142热机的效率（重难点突破）

20222023学年九年级物理重难点分类突破14.2热机的效率（重难点突破）一．重点：燃料的热值和计算（共7小题）1．如图是“长征六号”运载发射场景，它首次采用我国最新研制的大推力液氧煤油发动机。下列说法正确的是（）A．煤油燃烧的越充分，其热值就越大 B．燃气对火箭做功，燃气的内能会减少 C．高温高压的燃气推动火箭升空把机械能转化为内能 D．火箭在加速升空过程中动能转化为重力势能【解析】A、热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，所以煤油燃烧过程中，其热值大小不变，故A错误；B、燃气对火箭做功，内能转化为机械能，燃气的内能会减小，故B正确；C、燃气对火箭做功，内能转化为机械能，故C错误；D、火箭加速升空过程中质量不变，速度和高度都增加，动能和重力势能都增大，但动能没有转化为重力势能，故D错误。【答案】B。2．关于热现象，下列说法正确的是（）A．热值大的燃料完全燃烧，放出的热量一定多 B．对物体做功，物体内能一定增大 C．物体的内能增加，可能是从外界吸收了热量 D．热量总是从内能大的物体向内能小的物体传递【解析】A、燃料燃烧放出热量的多少，与燃料的热值、质量和燃烧程度有关，故A错误；B、对物体做功，如果是改变其位置、高度等，则内能不一定增加，故B错误；C、物体的内能增加，可能是从外界吸收了热量，也可能外界对物体做了功，故C正确；D、热量是从高温物体向低温物体传递的或者从物体的高温部分传向低温部分，内能大的物体温度不一定高，故D错误。【答案】C。3．下列说法正确的是（）A．改变物体内能的方法有做功和热传递，这两种方法在改变内能的效果上是不一样的 B．燃料热值的大小与燃料的质量、有无完全燃烧没有关系；比热容越大的物体吸收的热量越多 C．汽油机一个工作循环的四个冲程中，除了做功冲程的其余三个冲程都需要靠飞轮的惯性来完成 D．铁棒很难被压缩，说明分子之间只存在斥力【解析】A、改变物体内能的方法有做功和热传递，这两种方法是等效的；故A错误；B、热值是燃料的一种特性，热值大小与燃烧情况无关；物体放出热量的多少与物质的比热容、升高的温度、物质的质量有关，比热容大，放出的热量不一定多，故B错误；C、汽油机的四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程；做功冲程把内能转化为机械能，对外提供动力；其他三个冲程要靠飞轮的惯性来完成，故C正确；D、铁棒分子间同时存在相互作用的引力与斥力，铁棒分子在引力作用下紧密结合在一起，铁棒很难被压缩，说明分子之间表现为斥力，故D错误；【答案】C。4．在端午节帮妈妈煮粽子过程中，小明同学总结的一些说法，其中正确的是（）A．刚出锅的粽子烫手，是由于粽子含有的热量多 B．煮粽子的过程是利用热传递的方法提高了粽子的内能 C．天然气燃烧越充分，放出的热量越多，热值越大 D．剥粽子时总有一些糯米粘到粽叶上，是因为分子间存在斥力【解析】A、热量是过程量，可以说吸收、放出，但不能说含有，故A错误；B、煮粽子的过程是利用热传递的方法提高了粽子的内能，故B正确；C、热值是燃料的特性，与其燃烧是否充分没有关系，故C错误；D、剥粽子时总有一些糯米粘到粽叶上，是因为分子间存在引力，故D错误。【答案】B。5．“西气东输”工程中，输送的燃料为天然气。这是利用了天然气热值较大的特性，当0.05m3天然气完全燃烧可以放出的热量为4.2×106J，则天然气的热值为8.4×107J/m3，质量为5kg、温度为15℃的水完全吸收了这些热量后，它的末温为100℃（在一个标准大气压下）。【解析】（1）天然气与其它燃料相比较，天然气的热值大，燃烧时产生废气污染小，所以选择使用天然气；（2）天然气的热值：q天然气＝＝＝8.4×107J/m3；（3）水完全吸收了这些热量：Q吸＝Q放＝4.2×106J；由Q吸＝cmΔt可知，Δt＝＝＝200℃；由Δt＝t﹣t0可知，水的末温：t＝Δt+t0＝200℃+15℃＝215℃；在一个标准大气压下，水的沸点是100℃，水沸腾时，吸收热量，温度保持不变，所以水的末温为100℃。【答案】热值；8.4×107；100。6．有200g酒精，其中的一半完全燃烧，放出的热量是3×106J，则酒精的热值为3×107J/kg，余下一半酒精的热值是3×107J/kg；若完全燃烧1.4kg酒精放出的热量全部被水吸收，可使质量为250kg、初温为70℃的水温度升高30℃。[c水＝4.2×103J/（kg•℃），气压为一标准大气压]【解析】有200g酒精，其中的100g＝0.1kg完全燃烧，放出的热量是3×106J，则酒精的热值为：q＝＝＝3×107J/kg；热值的大小只与燃料的种类有关，与质量无关，所以余下一半酒精的热值仍为3×107J/kg；1.4kg酒精完全燃烧放出的热量：Q放＝mq＝1.4kg×3.0×107J/kg＝4.2×107J；水吸收的热量：Q吸＝Q放＝4.2×107J，根据Q吸＝cmΔt可得，水升高的温度：Δt＝＝＝40℃；因为标准大气压下70℃的水升高30℃时已经达到沸点，开始沸腾，且沸腾后温度不再升高，所以水的温度只能升高30℃。【答案】3×107；3×107；30。7．如图所示，甲、乙、丙三图中装置完全相同，燃料的质量都是10g，烧杯内的液体质量和初温都相同。（1）实验装置的组装顺序应该是由下到上（填“由上到下”或“由下到上”）。（2）比较不同燃料的热值，应选择甲、乙两图进行实验，实验中是通过比较温度计示数的变化，来比较燃料热值的大小。（3）在比较不同物质的比热容时，得到液体a、b的温度随时间变化的图象如图丁所示，则液体b的比热容较大。（4）若在研究不同燃料热值的实验时，记录的数据如表：燃料加热前液体温度/℃燃料燃尽时液体温度/℃燃料的热值/（J/kg）115352.4×10621525根据表中数据计算，燃料2的热值为1.2×106J/kg。（5）通过实验得到的燃料热值与实际值相比偏小（填“大”或“小”），你认为出现这种情况的主要原因是有热散失，燃料燃烧放出的热量没有全部被水吸收。【解析】（1）酒精灯需用外焰加热，所以要放好酒精灯，再固定铁圈的高度；而温度计的玻璃泡要全部浸没到液体中，但不能碰到容器壁和容器底，所以放好烧杯后，再调节温度计的高度，因此必须按照自下而上的顺序进行；（2）为了比较热值大小要用不同的燃料，加热同一种液体，让液体的质量相同，通过温度计的示数高低得出吸热多少，进而判断热值大小；（3）由图丁所示图象可知，加热相同时间，即吸收相等热量时，b升高的温度低，因此b的比热容大；（4）因为Q放＝Q吸，所以燃料1：camΔt1＝m1q1，即cam（35℃﹣15℃）＝m1×2.4×106J/kg，燃料2：camΔt2＝m1q2，即cam（25℃﹣15℃）＝m1×q2，联立以上两式可得：q2＝1.2×106J/kg；（5）因为存在热散失，燃料燃烧放出的热量没有全部被水吸收，所以测得的热值会偏小。【答案】（1）由下到上；（2）甲、乙；温度计示数；（3）b；（4）1.2×106；（5）小；有热散失，燃料燃烧放出的热量没有全部被水吸收。二．难点：热机的效率（共9小题）8．下列说法中正确的（）A．热机的功率大，热机效率一定高 B．柴油机的吸气冲程将燃料和空气的混合气体进入气缸，柴油机的效率一定比汽油机效率高 C．热机单位时间内消耗的燃料少，热机效率一定高 D．四冲程内燃机一个工作循环中有三个冲程都要靠飞轮的惯性来完成【解析】A.功率是表示物体做功快慢的物理量，热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，两者之间没有直接关系。故A错误。B.柴油机的吸气冲程是将空气吸入气缸，而燃料是从喷油嘴喷入气缸，且效率是有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，汽油机的效率是26%﹣40%，柴油机的效率是34%﹣45%，柴油机的效率通常比汽油机高。故B错误。C.热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，与热机单位时间内消耗的燃料多少无关。故C错误。D.四冲程内燃机的一个工作循环中吸气冲程、压缩冲程、排气冲程都是靠飞轮的惯性来完成的。故D正确。【答案】D。9．下列说法正确的是（）A．使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率 B．“钻木取火”是通过热传递的方式改变物体的内能 C．日常生活中使燃料燃烧更充分，可以增大热值 D．海边昼夜温差变化比沙漠中小，是因为水的比热容比沙石的小得多【解析】A、使燃料燃烧更充分，可以提高燃料的利用率，可以提高热机效率，故A正确；B、“钻木取火”是将机械能转化为内能，因此是通过做功的方式改变物体的内能，故B错误；C、热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料燃烧是否充分等因素无关，故C错误；D、由Q＝cmΔt可知，质量相同的水和沙石吸收或放出相同的热量，水的温度变化得小，是因为水的比热容比沙石的大得多，故D错误。【答案】A。10．下列有关燃料的热值和热机效率的说法正确的是（）A．减少汽油机在工作过程中的各种热损失，可以提高其热机效率 B．燃料燃烧的越充分，放出的热量越多，其热值越大 C．煤的热值比干木材的大，煤燃烧放出的热量一定比干木材燃烧放出的热量多 D．用热值大的燃料，可以提高热机效率【解析】A、热机效率是指有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量的比值，因此减少汽油机工作过程中的各种热损失，可以提高热机效率，故A正确；B、热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料燃烧的是否充分等因素无关，故B错误；C、由Q放＝qm可知，燃料燃烧放出的热量与燃料的热值和消耗的燃料质量有关，因此煤的热值比干木材的大，但煤燃烧放出的热量不一定比干木材燃烧放出的热量多，故C错误；D、热机效率与热值无关，故D错误。【答案】A。11．“运﹣20”飞机是我国研造的新一代大型运输机。若“运﹣20”飞机在空中飞行1h，发动机输出的机械功为1.4×1011J，需燃烧航空煤油5000kg，已知q航空煤油＝4×107J/kg。则1h内，航空煤油完全燃烧放出的热量为2×1011J；发动机的热机效率为70%。【解析】（1）航空煤油完全燃烧放出的热量：Q放＝mq航空煤油＝4×107J/kg×5000kg＝2×1011J；（2）发动机的热机效率：η＝＝＝70%。【答案】2×1011J；70%。12．内燃机的使用在促进社会进步的同时，也给人类带来了污染，主要是指大气污染和噪声污染。某内燃机工作时，能量损失所占百分比是：废气内能35%，散热损失30%，机械能损失10%，则该内燃机的热机效率是25%。【解析】（1）内燃机在工作时，要产生声音并排出废气。所以会产生大气污染和噪声污染；（2）热机的效率是用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比。所以η＝1﹣35%﹣30%﹣10%＝25%。【答案】大气；噪声；25%。13．有两台单缸四冲程柴油机，其中甲柴油机飞轮转速为3600r/min，其效率为40%，则消耗2.5kg的柴油转化成的机械能是4.3×107J；乙柴油机的效率是30%，柴油机甲的功率是乙的1.5倍，那么柴油机甲与乙每小时消耗的油量之比为9：8。（q柴油＝4.3×107J/kg）【解析】柴油机的效率是40%，则消耗2.5kg的汽油转化成的机械能：W＝40%×Q＝40%×q柴油m＝40%×4.3×107J/kg×2.5kg＝4.3×107J；[2]由题意可知＝1.5，＝，甲在时间t内消耗的总能量：Q甲＝＝，甲在时间t内的耗油量：m甲＝＝，故乙在时间t内的耗油量：m乙＝，那么柴油机甲与乙每小时消耗的油量之比：＝＝＝＝.【答案】4.3×107；9：8。14．某汽油机的各项能量损失所占的百分率分别是：废气内能35%，散热损失30%，机械损失10%，则该汽油机的热机效率是25%。若它的飞轮转数是1800/min，则该汽油机每秒钟对外做功15次，若一次做功为120J，则该汽油机的功率为1800W。【解析】热机效率是指有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量的比值，由题可知该汽油机的热机效率为：η＝100%﹣35%﹣30%﹣10%＝25%；若飞轮转速是1800/min，则每秒转速是，飞轮每转2圈完成一个工作循环，对外做一次功，因此该汽油机每秒完成15个工作循环，对外做15次功；对外做一次功所需的时间为：t＝＝，则该汽油机的功率为：P＝＝＝1800W。【答案】25%；15；1800。15．某柴油机的能量流向如图所示，其中内能输入为1kg柴油完全燃烧放出的能量，那么，从能量流向图可以得出，该柴油机的效率为50%，柴油的热值为6.02×107J/kg。【解析】该柴油机的效率为：η＝＝＝＝50%；1kg柴油完全燃烧放出的热量为：Q放＝W机+W内＝3.01×107J+3.01×107J＝6.02×107J，则柴油的热值为：q＝。【答案】50%；6.02×107。16．如图是汽油机的能量流向图，根据图中给出的信息，该内燃机的效率为30%。若工作效率按此计算，当汽油完全燃烧放出的热量2.3×107J时，汽车获得的机械能是的6.9×106J。【解答】（1）由图可知，输出的有用功在总能量中所占的比例：100%﹣33%﹣30%﹣7%＝30%，所以热机的效率为η＝30%；（2）汽车获得的机械能：W有＝ηQ放＝30%×2.3×107J＝6.9×106J。【答案】30%；6.9×106。三．重点：与热量有关的计算题目（共6小题）17．某家庭用的燃气热水器，将20kg的水从10℃加热到60℃，完全燃烧了0.21m3的煤气。已知水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），煤气的热值为4×107J/m3．求：（1）煤气完全燃烧放出的热量；（2）20kg的水从10℃加热到60℃吸收的热量；（3）该热水器烧水的效率。【解析】（1）煤气完全燃烧放出的热量：Q放＝Vq＝0.21m3×4×107J/m3＝8.4×106J；（2）水吸收的热量：Q吸＝cm（t﹣t0）＝4.2×103J/（kg•℃）×20kg×（60℃﹣10℃）＝4.2×106J；（3）该热水器烧水的效率：η＝＝×100%＝50%。答：（1）煤气完全燃烧放出的热量是8.4×106J；（2）水吸收的热量是4.2×106J；（3）该热水器烧水的效率是50%。18．用某金属壶在天然气灶上烧水，金属壶的质量为300g，内盛1kg水。当把壶中水从20℃烧开时，它们一共吸收3.47×105J的热量（一标准大气压下），共消耗了17.35L的天然气，天然气灶的热效率为50%。已知水的比热容为4.2×103J/（kg•℃）。求：（1）水吸收多少热量；（2）金属的比热容；（3）天然气的热值。【解析】（1）1标准大气压下水的沸点为100℃，即水和金属壶的末温为100℃，水吸收的热量：Q水吸＝c水m水△t＝4.2×103J/（kg•℃）×1kg×（100℃﹣20℃）＝3.36×105J；（2）水和金属壶总共吸收了3.47×105J的热量，则金属壶吸收的热量：Q壶吸＝Q总﹣Q水吸＝3.47×105J﹣3.36×105J＝1.1×104J；则该金属的比热容为：c壶＝＝＝0.458×103J/（kg•℃）；（3）Q总＝ηQ放＝ηVq天然气可得天然气的热值：q天然气＝＝＝4×107J/m3。答：（1）水吸收的热量为3.36×105J；（2）金属的比热容为0.458×103J/（kg•℃）；（3）天然气的热值是4×107J/m3。19．某一品牌无人驾驶汽车在一段平直公路上匀速行驶6.9km，用时5min45s，消耗燃油1.5kg，已知汽车的牵引力是2000N，燃油的热值为4.6×107J/kg，假设燃油完全燃烧。求：（1）汽车牵引力做的功是多少J？（2）消耗的燃油完全燃烧放出的热量是多少J？（3）汽车发动机的效率是多少？【解析】（1）汽车行驶的路程为：s＝6.9km＝6900m；牵引力所做的功为：W有用＝Fs＝2000N×6900m＝1.38×107J；（2）燃油完全燃烧放出的热量为：Q放＝qm＝4.6×107J/kg×1.5kg＝6.9×107J；（3）汽车发动机的效率为：η＝×100%＝×100%＝20%；答：（1）汽车牵引力做的功是1.68×107J；（2）消耗的燃油完全燃烧放出的热量是6.9×107J；（3）汽车发动机的效率是20%。20．某单缸四冲程汽油机的汽缸活塞面积为30cm2，气缸容积为150mL；满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为9.0×105Pa，飞轮1min转动1800r，当汽油机满负荷工作时（不计摩擦），若1min消耗汽油10g，汽油的热值为4.6×107J/kg，求：（1）一个做功冲程中燃气对活塞做的功；（2）该汽油机的效率。【解析】（1）气缸容积V＝150mL＝150cm3＝1.5×10﹣4m3，一个做功冲程中燃气对活塞做的功：W0＝FL＝pSL＝pV＝9.0×105Pa×1.5×10﹣4m3＝135J；（2）因飞轮每转两圈对外做功一次，所以，由1800r/min可知，飞轮1min转动1800周，做功900次，则1min燃气对活塞做的功：W＝W0×900＝135J×900＝1.215×105J，1min消耗汽油完全燃烧释放的热量：Q放＝mq＝10×10﹣3kg×4.6×107J/kg＝4.6×105J，该汽油机的效率：η＝×100%＝×100%≈26.4%。答：（1）一个做功冲程中燃气对活塞做的功为135J；（2）该汽油机的效率为26.4%。21．如图所示，某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为30cm2，一个冲程活塞在气缸中移动的距离是50cm，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强是9.0×105Pa，飞轮1min转动1800周，当汽油机满负荷工作（不计摩擦），汽油的热值为4.6×107J/kg，求：（1）汽油机