专题23　内能及利用（解析版）

第3章能量的转化与守恒

专题23内能及利用

类型一内能......................................................................................................................................................2

类型二探究不同物质的吸热能力..................................................................................................................9

【方法归纳】

1.物体的内能与温度的关系

（1）当物体在状态不变时，温度越高，内能就越多；温度越低，内能越少。物体温度降低时，分子热

运动减慢，内能减少；温度升高时，分子热运动加快，内能增加。

（2）当物体的状态改变时，尽管温度不变，但物体的内能也会发生改变，如晶体熔化。

内能具有不可测量性，即不能准确地知道一个物体的内能的具体数值。但我们可以比较同一物体在不

同状态或不同温度下的内能大小。内能和机械能是完全不同的两种形式的能量，机械能与整个物体的机械

运动情况有关，内能与物体内分子的热运动和分子之间的相互作用情况有关。

2.做功和热传递

（1）热传递发生的条件：物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差。热传递实质上是内能从高

温物体(或同一物体的高温部分)传递到低温物体(或同一物体的低温部分)。

（2）外界对物体做功，可以使物体的内能增加。物体对外界做功，物体的内能会减少。做功改变物体

内能的实质是其他形式的能量与物体内能相互转化的过程。功可以用来量度内能改变的多少。

3.应用比热容的思想与方法

（1）识别一个现象或应用与水的比热容大是否有关，要看一个关键点，即看水在升温或降温时是否发

生了物态变化，若发生了物态变化，则现象的发生或应用就与水的比热容大无关。

（2）自然风的形成，是由于温度高的位置空气上升，其他地方冷空气流向这里而形成风，判断风向时，

应先找出哪个位置含有的水分多，再比较温度的变化大小，从而分析不同位置温度的高低，最终判断出风

向。

4.热量计算

（1）熟记两个热学计算公式：Q吸＝cm(t－t0)[或Q放＝cm(t0－t)]和Q放＝qm(或Q放＝qV)。

（2）计算过程中应用的等量关系

热平衡的前提是一个(或几个)物体放出的热量与另一个(或几个)物体吸收的热量相等。不计热损失，

Q吸＝Q放。若考虑热量散失，Q吸＝ηQ放。计算过程中，利用以上关系，可分步解答，也可列方程求解。

5.热机的综合计算

（1）由飞轮转动的圈数确定燃气做功的次数，这要求理解四冲程内燃机工作时，一个工作循环飞轮转

n

两圈，而一个工作循环做功一次。因此，若飞轮转动的圈数为n，则燃气做功的次数为。

2

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（2）在热机的计算中，常综合考查固体压强计算公式、功率计算公式(或功率推导式)、功的计算公式

和速度计算公式等。

6.探究不同物质的吸热能力

（1）实验设计有两种方案：一是让相同质量的不同物质吸收相同的热量，比较温度变化的大小来比较

物质吸热的能力；另一种方法是让相同质量的不同物质升高相同的温度，比较吸收热量的多少来比较物质

吸热的能力。

（2）实验方法：通过比较温度的变化来比较物质的吸热本领，体现了转换法；而控制质量、加热器等

其他条件相同，只改变物质的种类进行研究，用到的是控制变量法。

【常考题型】

类型一内能

1.端午情浓，粽叶飘香。端午节那天，小明家里弥漫着粽子的清香。这一现象表明(D)

A．分子间存在引力B．分子间存在斥力

C．温度越高分子运动越慢D．分子在不停地做无规则的运动

【解析】小明闻到了粽子的香味，说明粽子的香味分子不停地做无规则的运动，扩散到空气中，被小

明闻到了。

2.如图是古人锻造铁器的过程，关于改变物体内能的方式，下列说法中正确的是(C)

A．加热和锻打属于热传递，淬火属于做功

B．加热属于热传递，锻打和淬火属于做功

C．加热和淬火属于热传递，锻打属于做功

D．加热和淬火属于做功，锻打属于热传递

【解析】改变物体内能有两种方式：做功和热传递。做功主要有摩擦生热和压缩气体做功，做功实质

是能量的转化，热传递实质是内能从一个物体转移到另一个物体，或者是从一个物体的高温部分传到低温

部分，其实质是能量的转移。

用铁锤锻打工件，工件会发热，属于做功改变物体内能；用火对铁器加热，铁器从火中吸收热量，把

铁器放在水中淬火，铁器向水中放热，所以加热和淬火属于热传递改变物体内能，故C正确。

3.实验装置如图所示，加热试管使水沸腾。对观察到的现象分析正确的是(D)

A．玻璃管口冒出“白气”是汽化成的水蒸气

B．加热使水升温是通过做功的方式改变水的内能

C．小叶轮的转动说明永动机是可以实现的

D．小叶轮转动，水的内能转化为叶轮的机械能

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【解析】A、玻璃管口冒出的“白气”，是水蒸气上升遇冷液化形成的小水滴，故A错误；B、加热使

水升温是通过热传递的方式改变水的内能，故B错误；C、永动机违反了能量守恒定律，是不可能实现的，

故C错误；D、燃料燃烧的过程是化学能转化为内能，这种内能传递给水，水沸腾汽化为水蒸气，高温的水

蒸气可以驱动叶轮转动，水蒸气自身的温度会降低，内能会减少，转化成了叶轮的机械能，故D正确。

4．晴天，几位大学生在森林中迷路了，如图所示(图中虚线为空气流动形成风的路径示意图)。下面四

种利用风向引导他们走出森林的说法中，正确的是(A)

A．森林吸热，温度升高较慢，空气温度低、密度大，地面空气从森林流向外界，应顺风走

B．土地吸热，温度升高较快，空气温度高、密度小，地面空气从外界流向森林，应顺风走

C．森林吸热，温度升高较慢，空气温度低、密度大，地面空气从森林流向外界，应迎风走

D．土地吸热，温度升高较快，空气温度高、密度小，地面空气从外界流向森林，应迎风走

【解析】森林的树木和土壤中含有大量水，吸热温度升高较慢。白天森林内部空气温度低密度大，森

林外部空气温度高密度小。因此，白天风向是由森林内部流向外部。

5.如图所示的是海风形成的示意图，海风形成的根本原因是：与海洋相比，陆地的(A)

A．比热容较小，在相同日照条件下升温较快，气温较高

B．比热容较小，在相同日照条件下升温较慢，气温较低

C．比热容较大，在相同日照条件下升温较快，气温较高

D．比热容较大，在相同日照条件下升温较慢，气温较低

【解析】c水>c泥土、沙石，白天，陆地和海水吸收相同的热量，Δt海水<Δt陆地，热空气上升，风从海洋吹向

陆地，形成海风；而夜晚，陆地和海水放出相同的热量，但c水大，Δt海水小，海面气温较高，空气上升，

风从陆地吹向海上，形成陆风。

6.如图是大夫山森林公园某白天的气温及园内人工湖的水温随时间变化的图线。据图可以判断(A)

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A．实线是气温图线，虚线是水温图线，因为水的比热容较大

B．实线是水温图线，虚线是气温图线，因为水的比热容较小

C．实线是水温图线，虚线是气温图线，因为水的比热容较大

D．实线是气温图线，虚线是水温图线，因为水的比热容较小

【解析】水和陆地在同样吸放热条件下，由于水的比热容大，温度变化小，因此温度变化较小的虚线

是水温的图线。

7.水与酒精是我们日常生活中最常见的两种物质。下表列出了它们在标准大气压下的部分物理特征数据，

请你参照这些特征分析：让质量及初温都相等的水和酒精冷却，待它们放出相等的热量后再倒在一起混合。

下列哪个判断是错误的(A)

物质密度[kg/m3]比热容[J/(kg·℃)]凝固点[℃]沸点[℃]

水1.0×1034.2×1030100

酒精0.8×1032.4×103－11778

A.在混合过程中，热将从酒精传递给水

B．均匀混合后，混合液的凝固点将比水的凝固点低些

C．均匀混合后，混合液的密度将比水的密度小些

D．均匀混合后，混合液的比热容将比水的比热容小些

【解析】水的比热容大于酒精的比热容，因为Q放＝cmΔt，质量m相同，放出的热量相同，水比酒精

降低的温度值小，因为二者的初温相同，即水的末温高，即：t水＞t酒精，所以热从水传到酒精，故A错误；

m

水的凝固点是0℃，掺入酒精后混合液的凝固点要低于0℃，凝固点降低，故B正确；根据公式ρ＝可知，

V

水和酒精混合后，混合液的密度将比水的密度小些，比酒精的密度大一些，故C正确；因为水的比热容大

于酒精的比热容，水和酒精混合液的比热容将比水的比热容小些，比酒精的比热容大一些，故D正确。

8.生活中许多现象都可以用我们所学的物理知识解释，例如腌制鸭蛋使盐进入鸭蛋中是一种________现

象，烧水煮鸭蛋是利用__________的方式改变鸭蛋的内能。

【答案】扩散热传递

【解析】盐进入鸭蛋是由于分子在永不停息地做无规则的运动造成的，属于扩散现象.烧水煮鸭蛋，鸭

蛋从水中吸收热量、温度升高，利用了热传递的方式改变鸭蛋的内能。

9.目前我国研发一款以压缩空气为动力的环保车。汽车使用前需要压缩存储气体，这一过程通过

________的方式使气体内能增加；开动时，释放的气体推动发动机，将气体的内能转化为________能；此

车紧急刹车时，刹车片和轮胎都变热，汽车的机械能转化为________能。

【答案】做功机械内

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【解析】汽车使用前需要压缩储存气体，压缩气体做功，物体内能会增加。开动时，释放的气体推动

发动机，将气体的内能又转化为机械能；

此车紧急刹车时，刹车片和轮胎都变热，汽车的机械能转化为内能。

10.如图，“冰壶”是一项体育运动，冰壶出手后能继续运动是因为冰壶____________；为了减小冰壶受

到的阻力，运动员需要不停地刷冰，使冰层表面发生________(填物态变化名称)而产生水，这是通过________

方式来改变表层冰的内能。

【答案】具有惯性熔化做功

【解析】物体具有的保持运动状态不变的性质的惯性；物质从固态变为液态叫熔化，从液态变为固态

叫凝固。

冰壶由于具有惯性，所以能在冰面继续滑行。克服摩擦做功，消耗机械能转化为冰的内能，冰的内能

增加，熔化成薄薄的一层水；是通过做功的方式改变冰的内能。

11.我国许多城市中建有大型绿地，绿地中的人工湖具有“吸热”功能，盛夏季节能大大减弱周围地区的“热

岛效应”。某人工湖湖水的质量为1.0×107kg。若水温平均升高0.8℃，则湖水吸收的热量为________J，若

这些热量被等质量的砂石吸收(c水＞c砂石)，则砂石升高的温度________(填“大于”“等于”或“小于”)0.8℃。[c

3

水＝4.2×10J/(kg·℃)]

【答案】3.36×1010；大于

【解析】第1空直接运用热量计算公式求湖水吸收的热量；第2空可利用热量计算公式的变形式，比

较砂石和水升高的温度。

（1）湖水吸收的热量：Q=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×1.0×107kg×0.8℃=3.36×1010J；

（2）由题知，水和沙石的质量m相同，吸收的热量相同，因为Q吸=cm△t，c砂石＜c水，所以△t砂石＞△t

水=0.8℃，即吸收相同的热量，砂石升高的温度将大于0.8℃。

12.汽油机作为汽车的“心脏”，在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈地燃烧，将________

能转化成________能。一辆汽车一年行驶三万公里，消耗汽油2t，这些汽油完全燃烧放出____________J的

7

热量。(q汽油＝4.6×10J/kg)

【答案】化学；内；9.2×1010

【点拨】内燃机的一个工作循环包括吸气、压缩、做功、排气四个冲程，压缩冲程结束时，火花塞产

生电火花，使燃料猛烈地燃烧将化学能转化为内能，其中压缩冲程将机械能转化成内能；2t汽油完全燃烧

3710

放出的热量：Q放＝m汽油q汽油＝2×10kg×4.6×10J/kg＝9.2×10J。

13.如图表示汽油机的________冲程。完全燃烧0.1kg的汽油，放出热量为__________J，如果这些热量

73

全部被质量为100kg、初温为20℃的水吸收，能使水的温度升高________。[q汽油＝4.62×10J/kg，c水＝4.2×10

J/(kg·℃)]

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【答案】做功；4.62×106；11℃

【点拨】由图可知，此时两气门关闭，活塞由上向下运动，是汽油机的做功冲程；完全燃烧0.1kg汽

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油放出的热量为Q＝m汽油q汽油＝0.1kg×4.62×10J/kg＝4.62×10J；水的温度升高

Q4.62×106J

Δt＝＝＝11℃。

c水m水4.2×103J/（kg·℃）×100kg

14.小强家住市中心，奶奶嫌城市夏天太热而住在乡下，这激发了他探究城乡温差的原因。某星期天，

他请全班同学分别到选定的地点，于中午同一时刻测出各测试点的气温，以此绘制出图示的“温度—区域”坐

标图。

(1)图中气温最低的区域是________，简析该区域气温低的主要原因：__________________。

(2)请提出一种降低市中心环境气温的方法：____________。

【答案】(1)农田水多且水的比热容大(2)增大绿化面积

【解析】（1）由图可以看出图中气温最低的区域是农田；原因是水多，水的比热容又大，相同质量的

水和沙石比较，吸收相同的热量，水的温度升高的少，使该区域气温较低；

（2）降低市中心环境气温的办法：增大绿化面积。

15.某浴池用地下温泉水，浴池中水的体积是40m3，初温是85℃，当水温降到45℃时可供洗浴使用。

温泉水的密度约为1.0×103kg/m3，温泉水的比热容约为4.2×103J/(kg·℃)。试求：

(1)浴池中温泉水的质量是多少？

(2)当浴池中的温泉水从85℃降到45℃时，放出的热量是多少？

【解析】利用密度公式变形计算m；由温泉水的质量，再根据Q＝cmΔt求放出的热量

解：(1)水的质量m＝ρV＝1.0×103kg/m3×40m3＝4×104kg。

(2)放出的热量Q＝cmΔt＝4.2×103J/(kg·℃)×4×104kg×(85℃－45℃)＝6.72×109J。

16.在一个标准大气压下，用炉子将10kg的水从20℃加热至沸腾，燃烧了0.5kg的焦炭，已知水的比

热容为4.2×103J/(kg·℃)，焦炭的热值为3.0×107J/kg。求：

(1)水吸收的热量；

(2)0.5kg焦炭完全燃烧释放的热量；

(3)炉子烧水的效率。

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【解析】（1）知道水的质量、水的比热容和水的温度变化，根据Q吸=cm（t-t0）求出水吸收的热量；

（2）知道焦炭的热值和质量，根据Q放=mq求出焦炭完全燃烧释放的热量；

（3）水吸收的热量和焦炭完全燃烧放出热量的比值即为炉子烧水的效率。

36

解：(1)由热量计算公式，得：Q吸＝cm(t－t0)＝4.2×10J/(kg·℃)×10kg×(100℃－20℃)＝3.36×10J。

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(2)0.5kg焦炭完全燃烧释放的热量：Q放＝m1q＝0.5kg×3.0×10J/kg＝1.5×10J。

Q吸3.36×106J

(3)0炉子烧水的效率：η＝×100%＝×100%＝22.4%。

Q放1.5×107J

17.某单缸四冲程汽油机的汽缸活塞面积为30cm2，一个冲程活塞在汽缸中移动的距离是50mm，满负

荷工作时做功冲程的平均压强为9.0×105Pa，飞轮1min转动1800周，当汽油机满负荷工作时(不计摩擦)，

求：

(1)做功冲程燃气对活塞的平均压力；

(2)一个做功冲程中燃气对活塞做的功；

(3)汽油机的功率。

【解析】（1）知道燃气的平均压强和活塞的面积，根据p=F/S求出做功冲程中燃气对活塞的平均压力；

（2）知道活塞在气缸中移动的距离，根据W=Fs求出一个做功冲程燃气对活塞做的功。

（3）飞轮（曲轴）每转两圈对外做功一次，计算出飞轮转动1800周对外做功的次数，已经计算出一

个做功冲程燃气对活塞做的功，从而可以计算出燃气对活塞做的总功，又知道做功的时间，可利用公式

P=W/t计算出汽油机的功率。

解：(1)平均压力：F＝pS＝9.0×105Pa×30×10－4m2＝2700N。

(2)一个做功冲程燃气对活塞做的功：W＝Fs＝2700N×50×10－3m＝135J。

1800

(3)汽油机1min做功的次数：n＝次＝900次，1min总共做的功：W总＝135J×900＝121500J，汽

2

W总121500J

油机的功率：P＝＝＝2025W。

t60s

18.我国自主研制的某型新一代战斗机，它具备超音速巡航、电磁隐身、超机动性、超视距攻击等优异

性能，该飞机最大起飞质量为37t，最大飞行高度达20000m，最大航行速度达2.5倍声速(合3060km/h)，

最大载油量为10t，飞机航行时所受阻力的大小与速度的关系见下表：

速度v/(m/s)100200300400500

阻力f/N0.3×1041.2×1042.7×1044.8×1047.5×104

已知飞机发动机燃油完全燃烧的能量转化为机械能的效率是40%，飞机使用的航空燃油的热值为5×107

J/kg。求：

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(1)飞机发动机完全燃烧10t燃油获得的能量是多少焦？

(2)当飞机以400m/s的速度巡航时，飞机发动机的输出功率是多少千瓦？

(3)若在飞机油箱中加满燃油，并且以500m/s的速度巡航时，飞机的最大航程约是多少千米？

【解析】（1）已知燃油的质量，根据Q=mq求出放出的热量；

（2）根据表中提供的数据，利用P=W/t=Fs/t=Fv可求得飞机发动机的输出功率是多少千瓦；

（3）已知飞机发动机燃油完全燃烧的能量转化为机械能的效率是40%，求得机械能，从表中查到500m/s

时的阻力，利用W=fs可求得飞机的最大航程。

解：(1)燃油完全燃烧放出的热量：Q＝mq＝104kg×5×107J/kg＝5×1011J。

(2)由表中数据可知，飞机以400m/s的速度巡航时，所受阻力为4.8×104N，由于匀速巡航，

则阻力等于动力，故动力为4.8×104N，

WFs

则飞机发动机的输出功率：P＝＝＝Fv＝4.8×104N×400m/s＝1.92×107W＝1.92×104kW。

tt

(3)已知飞机发动机燃油完全燃烧的能量转化为机械能的效率是40%，有用功：W有＝40%×Q＝

40%×5×1011J＝2×1011J。根据表格查出速度为500m/s时的阻力为7.5×104N，故此时动力为7.5×104N，则：

W有2×1011J

s＝＝≈2.7×106m＝2.7×103km。

F′7.5×104N

19.一台内燃机运动时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占20%，废气带走的能量占35%，摩擦等机

械损耗占15%，其余为输出的有用功。求：

(1)它的机械效率为多少？

(2)若它在一个工作循环中消耗了10g汽油(热值为4.6×107J/kg)，这些汽油完全燃烧放出的热量是多少？

(3)输出的有用机械能为多少？

【解析】（1）热机是将内能转化为机械能的机器。热机的效率是有效利用的能量与燃料完全燃烧产生

的能量之比。用来做有用功的那部分能量与气缸散热损失的能量、废气带走的能量、摩擦等机械损耗的能

量之和等于燃料燃烧释放的能量。

（2）根据燃料完全燃烧放热公式Q放=qm计算完全燃烧2kg柴油能放出的热量；

（3）已经计算出了内燃机的效率，可利用热效率的公式变形W有=η×Q放计算出有用功。

解：(1)各种能量损耗的总和是：20%＋35%＋15%＝70%，所以它的机械效率为：η＝100%－70%＝

30%。

77－35

(2)q＝4.6×10J/kg，完全燃烧10g汽油放出的热量为：Q放＝qm＝4.6×10J/kg×10×10kg＝4.6×10J。

W有

55

(3)由η＝得，该内燃机对外做的有用功为：W有＝η×Q放＝30%×4.6×10J＝1.38×10J。

Q放

20．国产165型单缸四冲程汽油机的汽缸活塞直径为65mm，活塞冲程长55mm，满负荷工作时做功

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冲程燃气的平均压强为9.58×105Pa，飞轮的转速是1500r/min。

(1)求这种汽油机满负荷工作时做功的功率(不计摩擦损失)；

(2)如果满负荷工作时每分钟消耗15g汽油，这种汽油机把内能转化为机械能的效率是多少？(汽油的热

值为4.6×107J/kg)

【解析】（1）因为热机工作时的压力和燃气的压强和活塞的面积有关，做功的多少和燃气的平均压力

和做功的距离有关，所以根据直径求出活塞面积，再根据压强求出活塞上的压力，根据活塞冲程长度求出

活塞运动一次所做的功；又因飞轮转动两转，活塞对外做功一次，所以根据飞轮的转速可求汽油机1s做功

的次数，即可求出汽油机的功率。

（2）根据功率求出汽油机1min做的功与对应的时间内燃料完全燃烧放出的热量之比即可求出效率。

解：(1)汽油机的转速为n＝1500r/min＝25r/s，汽油机1s内做的功W＝npSL/2＝25×9.58×105

Pa×3.14×(65×10－3/2)2m2×55×10－3m×0.5＝2.2×103J，则汽油机的功率P＝2.2×103W。

（2）汽油机的效率η=W/Q=Pt/mq=2200W×60s/(15×10−3kg×4.6×107J/Kg)=19%。

21．一辆小轿车，质量为1.8t，车轮与地面总接触面积为1000cm2，小轿车发动机的效率是20%，它

在平直公路上匀速行驶时的牵引力为644N(空气阻力不计，汽油热值q＝4.6×107J/kg，g＝10N/kg)。求：

(1)该小轿车静止时对水平地面的压强；

(2)该小轿车在平直公路上匀速行驶100km消耗汽油的质量。

【解析】（1）利用G=mg求出汽车的重力，汽车静止时对路面的压力和自身的重力相等，根据压强公

式求出对地面的压强；

（2）利用W=Fs求出牵引力做的功，即为有用功，根据η=W有/W总求出总功，再根据Q放=W总、Q放=mq

可求汽油的质量。

解：(1)小轿车静止时对水平地面的压力：F＝G＝mg＝1.8×103kg×10N/kg＝1.8×104N，

F1.8×104N

该小轿车静止时对水平地面的压强：p＝＝＝1.8×105Pa；

S1000×10－4m2

37

(2)牵引力做的有用功：W有＝F牵s＝644N×100×10m＝6.44×10J，

W有W有6.44×107J

8

由η＝可得总功：W总＝＝＝3.22×10J，

W总η20%

Q放3.22×108J

8

由题意知，Q放＝W总＝3.22×10J，由Q放＝mq可得，汽油的质量：m汽油＝＝＝7kg。

q4.6×107J/kg

类型二探究不同物质的吸热能力

1．为研究不同物质的吸热能力，某同学用两个完全相同的酒精灯，分别给质量和初温都相同的甲、乙

两种液体同时加热，分别记录加热时间和升高的温度，根据记录的数据作出了两种液体的温度随时间变化

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的图象，如图所示。

(1)根据图象，某同学认为：“加热相同的时间时，甲升高的温度多一些，这说明甲吸收的热量多一

些。”这位同学的判断是否正确？请说明理由。

(2)要使甲、乙升高相同的温度，应给________加热更长的时间，这说明________的吸热能力强些。

(3)如果已知甲的比热容是1.8×103J/(kg·℃)，则乙的比热容是________J/(kg·℃)。

【答案】(1)不正确；因为完全相同的酒精灯，加热相同的时间，放出的热量相等，则甲、乙液体吸收

的热量相等。（2）乙乙（3）2.4×103

【解析】酒精灯的规格完全相同，故加热相同的时间，提供的热量相同。

运用公式Q＝cmΔt的变形，求物质的比热容。给甲、乙加热相同时间时，c甲m甲Δt甲＝c乙m乙Δt乙，则

c甲Δt甲4

33

c乙＝，假设加热4min，则乙的比热容为c乙＝1.8×10J/(kg·℃)×＝2.4×10J/(kg·℃)。

Δt乙3

2．在比较水和煤油比热容大小的实验中，小明取了两只相同的烧杯，且在烧杯里分别装入质量和初温

都相同的水和煤油。他用两个完全相同的“热得快”给它们加热，并记录得到了下表中的实验数据，请你

回答下列问题：

(1)小明给水和煤油加热，选用两个同样的“热得快”的目的是__________________________________

_________；

(