第15讲 机械能与内能计算专题（原卷版）

第15讲机械能与内能计算专题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。知识点一：比热容特性及计算【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】（2022·江苏扬州·一模）用某煤气灶将质量为5kg的水从20°C加热到100°C，水吸收的热量为______J，若消耗的煤气质量为0.16kg，煤气灶烧水时的效率为______。[c水＝4.2×103J/(kg•°C)，q煤气＝4.2×107J/kg]【巩固训练】为了测定熔炉内的温度，先将质量为的铜球投入熔炉里相当长的时间后取出，并立即投入到质量为、温度为的水中，结果水温升高到．则此熔炉的温度约为[不计热损失，]A． B． C． D．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。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】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】（2022·江苏镇江·三模）人类发展史也是利用燃料的历史，干木柴、煤的放热本领不同，是因为它们的_______（选填“热值”“热量”或“温度”）不同，完全燃烧0.28m2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）]。【巩固训练】(2020·湖北省荆州市)某沙石的比热容约为0.9×103J/(kg·℃)。若将50kg的沙石从20℃加热到80℃，需要吸收______J的热量；若这些热量由热值为3.0×107J/kg的酒精燃烧来提供(不计热损失)，需要完全燃烧______g酒精。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·江苏盐城·模拟预测）可燃冰是一种新能源，它是水和天然气在高压低温下形成的类似冰状结晶物质，主要成分是甲烷，我国可燃冰的开采技术处于世界领先水平，用燃气锅炉烧水时，将500kg初温20℃的水加热到100℃，共燃烧了0.1m3的可燃冰，这个过程中水吸收的热量为______J。完全燃烧0.1m3可燃冰放出的热量为______J，燃气锅炉烧水时的效率为______。[c水=4.2×103J/（kg·℃），可燃冰热值q=6.0×109J/m3]【巩固训练】(2020安徽)某同学家使用燃气热水器，平均每天需将100kg的水从18℃加热到58℃。若天然气完全燃饶放出热量的70%被水吸收，则热水器平均每天消耗天然气________m³。[c水=4.2×103J/(kg⋅℃)，q天然气=4.0×107J/m³]。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】（2022·江苏·扬州中学教育集团树人学校一模）小华家在偏远的农村，还没用上天然气，使用的是瓶装液化气．如果每瓶中装入20kg液化气，液化气的热值取4.2×107J/kg，则每瓶液化气全部燃烧放出的热量是_______J，若放出的热量有50%被利用，在1标准大气压下可把_______kg的水从20℃加热至沸腾[c水＝4.2×103J/(kg·℃)]．一次烧水过程中，水烧开后，她看到锅盖向上跳动，其原因是水蒸气的________能转化为锅盖_________能．【巩固训练】(2021·山东枣庄市中考真题)如图是四冲程汽油机的某个冲程，由图可看出它正处于______冲程，该冲程将机械能转化为______能，若该汽油机飞轮的转速是60r/s，则汽油机每秒钟对外做功______次。知识点五：能量守恒及热机效率计算各种形式的能量有：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】（2022·江苏连云港·模拟预测）某燃气热水器将的水从加热到，完全燃烧了的煤气。水吸收的热量是__J。热水器烧水的效率是__。（已知水的比热容为，煤气的热值为）【巩固训练】(2020·江苏省无锡市)某辆行驶的小轿车，其正常工作时的能量转化情况如图所示，若输入的化学能为2000J，输出的动能为300J．则输出的内能和声能共计J；输出的有用能量是动能，则小轿车正常工作时的效率为。如图是用相同的加热装置对a、b、c(已知质量关系为Mb=Mc)三种物质加热至沸腾时它们的温度随时间变化的图象。下列对图象的分析正确的是()。A．b的比热容大于c的比热容；B．t1-t2时间内物质a的温度不变，内能不变；C．温度从T1升高到T2时，a物质吸收的热量比b多；D．如果a、b是同种物质，b的质量大于a的质量(2020凉山)下列关于内能、热量、温度和做功的说法中不正确的是()A．温度高的物体把温度传给温度低的物体B．某铁块温度降低，内能一定减小C．物体吸热，温度不一定升高D．一个物体温度升高，可能是外界对物体做功(2020·陕西科技大学咸阳强华学校九年级月考)铁的比热容大于铜的比热容，质量相等的铁块和铜块放出了相等的热量，则A．铜块的末温高B．铁块的末温高C．铜块的温度降低得多D．铁块的温度降低得多(2020泰州)将热水倒进玻璃杯中，玻璃杯会变热，下列说法正确的是()A．水将温度传给了玻璃杯B．水含有的热量减少C．玻璃杯增加的内能大于水减少的内能D．能的总量保持不变(2020泰州)2020年6月23日上午，长征三号火箭将北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星送入太空预定轨道。火箭在大气层中高速飞行时，外壳与空气剧烈摩擦，将__________能转化为内能会使外壳温度升高，为防止内部温度过高，火箭采用__________(选填“导热性”或“隔热性”)好的新型陶瓷作为防护层。(2020雅安)小红在实验室用酒精灯把质量是0.1kg，初温是60℃的水加热到100℃，则水吸收的热量是_____J；该过程中是利用了_______方式使水的内能增加。[c水=4.2×103J/(kg·℃)]。(2020江苏连云港)沿海地区昼夜温差比内陆地区昼夜温差小是因为水______。质量为10kg的水温度升高20℃所吸收热量为______J(c水=4.2×103J/(kg·℃))。(2021年内蒙古赤峰市中考物理试题)把1kg的水从60℃开始加热至沸腾，温度随时间变化的图像如图所示，由图像可知，水的沸点是______℃，沸腾过程的特点是______；这些水由60℃加热至90℃需要吸收的热量是______J。()(2021·湖北中考真题)使用清洁能源天然气有助于国家提出的2060年前实现碳中和的目标。小明同学用他家的天然气灶将质量为2kg，初温为15℃的水加热到95℃，水吸收的热量是_______J：若此过程的热效率为40%，则此过程消耗天然气_______m3。(水的比热容为4．2103J/(kg·℃)，天然气热值为4.2107/m3)(2021·广西中考真题)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。(2020龙东)目前长沙城区的老居民小区正在进行水路改造，改造中用到了一种打孔工具——冲击钻。冲击钻工作时，钻头在电动机的带动下不断地冲击墙壁，打出圆孔，如图所示。冲击钻在工作过程中，其能量转化关系是()A．内能转化为机械能B．内能转化为电能C．只有机械能和内能的转化D．有电能、机械能和内能的转化(2021年贵州省遵义市中考物理试题)有人设想的“永动机”如图所示。下列对该装置开始转动后的分析正确的是()A．装置所具有的机械能始终不变B．如果没有能量补充，装置最终会停下来C．根据能量守恒定律，装置可以一直转动下去D．装置中小球的动能和重力势能不会相互转化两个相同的容器中分别装满了质量相同的甲、乙两种液体，用同一热源分别加热。液体温度与加热时间关系如图所示，根据图象分析()。A．如果升高相同的温度，两液体吸收的热量相同；B．甲液体的比热容小于乙液体的比热容；C．甲液体的内能比乙的大；D．加热时间越长，液体分子运动越慢(2020鄂州)夜幕下的广场，孩子们都喜欢骑上能发光的滑板车遛弯，这种滑板车在人的助力下可以滑行起来，同时轮子会发光，停下来时就不发光。关于这种滑板车发光的原理，从能量转化的角度分析正确的是()A．机械能转化为电能，再转化为光能B．电能转化为机械能，再转化为光能C．机械能转化为光能，再转化为电能D．光能转化为机械能，再转化为电能(2020枣庄)关于热机的效率，下列说法正确的是()A．在做功同样多的情况下，热机的效率越高消耗的燃料越多B．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高C．热机的效率越高说明做功越快D．热机损失的能量中，废气带走的能量较少，主要是由于机械摩擦损失的(2020·江苏省苏州吴江市松陵第一中学)如图1所示，用相同规格的加热器给初温均为60℃的甲、乙两种液体加热(m甲＞m乙)至沸腾。若不考虑热量的损失，液体的温度﹣加热时间的图线如图2所示。则下列说法正确的是()A．液体的沸点与质量有关B．甲液体的内能先增加后不变C．甲液体的比热容比乙液体的小D．加热到3min，甲液体吸收热量更多(2020南充)若一辆小汽车一年行驶一万公里，消耗1t汽油，这次汽油完全燃烧放出________J的热量；某次行驶过程中，该汽车汽油机曲轴的转速为3600r/min，在1s内汽油机对外做功________次(q汽=4.6×107J/kg)。(2020绵阳)川人爱吃辣，色香味俱佳的红油辣子是川人家常必备。红油辣子制作关键是对油温的控制，用菜油制作红油辣子的最佳温度为150℃。用沼气将0.1kg菜油从室温17℃加热到制作红油辣子的最佳温度，则菜油吸收了_______J的热量，燃烧了________m3的沼气。已知沼气燃烧释放的热量有50%被菜油吸收，沼气热值取1.9×107Ｊ/m3，取ｃ菜油=2.0×103J·(kg·℃)-1。(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。(2021年黑龙江省龙东地区中考物理试题)小琦家新安装了一台容积为0.5m3的太阳能热水器，加满水后，经过4h阳光的照射水温由原来的25℃升高到45℃(已知:水的比热容c=4.2×103J/(kg·℃)、焦炭的热值q=3.0×107J/kg、水的密度ρ=1.0×103kg/m3)。问:(1)在这4h内水吸收的热量为多少焦耳?(2)若这些热量由效率为20%的火炉燃烧焦炭来提供，则需要燃烧多少千克的焦炭?(2021年江苏省徐州市中考物理试题)阅读文，回答文后问题。航速优化化石燃料的广泛应用加快了人类文明的进程，但同时也污染了环境.因为大量燃烧化石燃料使大气中CO2浓度增加，引起温室效应而导致全球变暖。人们意识到环境保护的重要性，开始从各个方面着手