【暑期特训】九年级第05讲 热机效率 能量的转化与守恒

第05讲热机效率能量的转化与守恒模块一思维导图串知识模块二基础知识全梳理（吃透教材）模块三教材习题学解题模块四核心考点精准练（6大考向）模块五小试牛刀过关测（18题）了解燃料的热值；掌握热值的计算方法；掌握热机效率的计算方法；理解提高热机效率的方法。■知识点一：燃料的热值1.燃料（1）燃料的种类燃料是指可燃烧的物质，根据不同标准，燃料可分为不同的种类，最常见的是按其物理状态分类。（2）燃料燃烧时能量转化燃料在燃烧时将化学能转化为内能，也就是我们常说的释放能量。2.燃料的热值（1）定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量（或体积）之比，叫做这种燃料的热值。（2）单位：焦耳每千克（或焦耳每立方米），符号：J/kg（或J/m3）常用燃料的热值对应表热值的理解（1）热值反应了燃料在燃烧过程中，化学能转化为内能的本领大小；（2）不是任何物质都有热值，如石块、铁块等非燃料物质没有热值；（3）热值是燃料本身的一种特性，它与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧等没有关系。（3）物理意义热值在数值上等于1kg燃料完全燃烧时放出的热量。如汽油的热值为4.6×107J/kg，它表示1kg汽油完全燃烧放出的热量是4.6×107J。（4）热量的计算：（1）只有燃料燃烧放热时，才能用Q放＝qm或Q放＝Vq进行计算，不要将其与温度降低时的放热公式Q放=cm△t混淆；（2）计算时，要明确燃料的种类、是否完全燃烧后有关；■知识点二：热机的效率1.燃料的有效利用（1）燃料的利用率有效利用的热量与燃料完全燃烧放出总能量的比值，叫做燃料的利用率；计算公式：（2）影响燃料利用率的因素①燃料未完全燃烧；②高温烟气带走的热量；③被容器、炉具、周围的空气等吸收的热量。（3）提高燃料利用率的途径：①让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；②减少热量损失，如加大有效受热面积等。2.内燃机中热量燃烧的能量流向图3.热机效率（1）定义：用来做有用功的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值。（2）计算公式：对热机而言，其中用来做有用功的能量Q有用等于热机对外的有用功W有用，故热机的效率公式又可写成：。（3）物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是热机性能的一个重要指标。（4）常见热机效率：蒸汽机6%—15%，汽油机20%—30%，柴油机30%—45%。4.提高热机效率的主要途径（1）改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧（将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之更充分燃烧）；（2）减少各种热量损失（I.加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量；II.使用较好的保温材料，减少热损失）；（3）在热机设计和制造上，采用先进的技术；（4）保障良好的润滑，减少机械摩擦。热机效率的理解（1）热机的效率是指有用功在燃料完全燃烧释放的能量中所占的百分比，而功率是指做功的快慢。这是两个不同的物理量，两者之间不存在必然的联系。（2）热机的效率与燃料的种类（热值大小）、燃料的质量、热机的工作时间、做功的多少均无关。因此采用热值大的燃料并不能提高热机的效率。■知识点三：能量的转化1.各种形式的能2.能量的转化与转移（1）能量的转化在一定条件下，能量可以从一种形式的能量转化为另一种形式的能量，这种现象叫能量的转化。自然界转化各种形式的能，在一定条件下都可以相互转化。如图为能量转化示意图。（2）能量的转移能量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从物体的一部分转移到另一部分。例如，在热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体，或从物体的高温部分转移到低温部分，这属于能量的转移。转化与转移的区别（1）能量的转化是伴随着做功体现出来的，能量的形式发生了变化，一种形式的能量增加，一定有其他形式的能量减少。（2）能量的转移过程中能量的形式没有发生变化。（3）能量的转化和转移具有方向性。■知识点四：能量守恒定律1.能量守恒定律（1）能量守恒定律内容：能量既不会消灭，也不会产生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变。（2）对能量守恒定律的理解①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，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。②能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。机械能守恒和能量守恒的区别与联系能量守恒是无条件的，机械能守恒有条件。机械能守恒的条件是在只有重力（或弹力）做功的情形下，物体的重力势能（或弹性势能）和动能发生相互转化，没有其他形式的能转化为机械能，也没有机械能转化为其他形式的能。2.永动机（1）永动机：不需要动力就能源源不断地对外做功的机器，人们把这种机器叫做永动机。（2）永动机不可能实现。事实证明，能量在转化过程中只要有运动，摩擦就是不可避免的，从而产生热，这样运动的能量就会减少，如果不补充能量，运动就会停止。永动机违背了能量守恒定律，是不可能研制成功的。教材习题01解题方法思考：根据常见燃料热值对应表，不同燃料的热值一般是不同的。根据生活中烧一壶开水，用的木柴好煤气用量是不同。燃料的种类很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、酒精等，气体燃料有煤气、天然气等。根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不是相同？要找出事实来支持你的观点，并进行分析。【答案】相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不同的。在家中烧水时，烧开同样一壶水需要的木柴质量多，而需要的煤气质量却较少，这个现象说明木柴和煤气燃烧放出相同的热量时，所用木柴的质量比所用煤气的质量大，因此从另一个方面也可以说明相同质量的木柴和煤气燃烧时，放出的热量是不同的。教材习题02如果燃烧干木柴跟燃烧煤油放出的热量相等，干木柴的质量应该等于煤油质量的几倍？请列出相关计算式来说明理由．解题方法利用煤和干木柴的热值，由燃烧值公式的变形公式可以求出放出相同热量需要干木柴与煤的质量之比．【答案】【答案】倍【详解】由Q放＝mq得，m＝；放出相同热量，即：Q木放＝Q煤油放，需要干木柴与煤的质量之比：，即需要干木柴的质量应该是煤油质量的倍．教材习题03解题方法从能量守恒定律可知，能量在转化和转移过程中，总量总是保持不变，并且能量不可能凭空产生和消失。右图是一种设想中的永动机，它通过高处的水流冲击叶片，叶片的转动用来对外做功，同时带动抽水器从低处将水抽到高处，从而循环工作。你能不能从能量守恒的角度说明它为什么不能一直工作下去？【答案】此“永动机”中，高处的水流冲击叶片转动对外做功时，因为摩擦等原因，有部分机械能转化为其他形式的能，从高处流下的水不可能全部被抽回原高度，所以不会“永动下去”。教材习题03一支向高空瞄准的步枪，扣动扳机后射出一颗子弹，子弹没有击中目标，最后下落陷在土地中，请你说出以上过程中发生了哪些能量转化．解题方法①思考：影响动能和重力势能的因素，明白机械能守恒的条件。判断能量的转化，我们主要看它要消耗什么能量，得到什么能量，因为总是消耗的能量转化为得到的能量．【答案】子弹在上升的过程中质量不变，速度变小，动能变小；高度增大，重力势能变大，动能转化为重力势能；子弹在下落的过程中，质量不变，速度变大，动能变大；高度变小，重力势能变小，重力势能转为动能；下落泥土中的过程中，克服摩擦做功，子弹的机械能转化为内能．考向1：热值的概念、单位和物理意义【典例1】（23-24九年级上·广东中山·期中）烟煤的热值比木炭的小，这表示（）A．燃烧烟煤比燃烧木炭放出的热量少B．燃烧烟煤比燃烧木炭放出的热量多C．相同质量的烟煤和木炭，完全燃烧时，木炭放出的热量少D．相同质量的烟煤和木炭，完全燃烧时，木炭放出的热量多【变式1-1】（23-24九年级上·湖南湘西·期末）如图是载有“天问一号”的火箭发射升空的情景，下列描述错误的是（）A．火箭发射时出现的大量“白气”是液化现象B．火箭点火升空过程中机械能不变C．火箭向下喷燃气才能上升，是因为力的作用是相互的D．火箭选择液态氢作为燃料是因为氢的热值大【变式1-2】（23-24九年级上·宁夏固原·期末）砖的制作工艺流传数千年，从晒制到烧制，从青砖到红砖，小小的砖块见证了人类迈向文明的历程，下列说法正确的是（

）A．晒制泥坯时，泥坯温度越高含有的热量越多B．高温烧制时，通过做功的方式改变砖块的内能C．烧制红砖时，燃料燃烧越充分，其热值越大D．形状和体积相同的青砖比红砖质量大，是因为青砖的密度大考向2：比较不同燃料的热值【典例2】（23-24九年级上·安徽淮南·阶段练习）如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同。燃料的质量都是10g，烧杯内的液体质量和初温也相同。（1）比较不同燃料的热值，应选择两图进行实验，比较不同物质的比热容，应选择两图进行实验，实验通过（选填“温度计的示数”或“加热时间”）反映物体吸热的多少；（2）比较不同物质的比热容，选用如图合适装置加热相同一段时间后，绘制出温度-时间图像（如图丁），由图像可看出液体a的比热容（选填“大于”、“小于”或“等于”）液体b的比热容；（3）若图甲烧杯中为50mL的水，若10g酒精燃烧后放出的热量被水吸收时，温度计示数升高了20℃，则酒精的热值是J/kg。这种方法测出的热值比“真实值”（选填“偏大”、“偏小”或“一样”）。【变式2-1】（23-24九年级上·江西上饶·期末）为比较酒精和汽油热值的大小，制定了以下实验方案：（1）实验时应按照（选填“自上而下”或“自下而上”）的顺序组装器材；（2）取（选填“质量”或“体积”）相同的酒精和汽油作燃料，制成酒精灯和汽油灯等；两灯同时点燃后分别给两杯质量和初温相同的水加热（烧杯质量相同，如图所示）；（3）通过观察水温的变化，由此判断两种燃料热值的大小。请根据上面的设计方案回答：①当两灯的燃料（选填“燃烧相同时间”或“完全燃烧完后”），甲装置中温度计读数是80℃，而乙装置的读数是90℃。由此判断的热值比较大；②实验中燃料燃烧放出的热量，通过方式使水的内能增大；③根据Q吸=cm水（t-t0）计算出水吸收的热量，然后利用这个热量计算出汽油的热值，发现结果与资料中给出的汽油热值相比（选填“偏大”或“偏小”），主要原因是。考向3：燃烧放热及其效率的计算【典例3】（23-24九年级上·海南·期末）燃气灶将20kg的水由42℃加热到62℃，这是通过（选填“热传递”或“做功”）方式改变水的内能，若天然气完全燃烧放出的热量有42%被水吸收，需要消耗m3的天然气。[水的比热容c=4.2×103J/（kg·℃），天然气热值q=4×107J/m3]【变式3-1】（23-24九年级上·陕西安康·期末）某家庭用的燃气热水器将的水从加热到了，消耗了的天然气（假设天然气完全燃烧）。求：［已知，]（1）烧水时，水吸收热量温度升高，内能；（2）水吸收的热量；（3）该热水器烧水的效率。【变式3-2】（23-24九年级上·湖南湘西·期末）天然气具有热值高、价格实惠、污染少、安全等优点。张明把5L水从20℃加热到50℃时，用了天然气0.01m3，已知天然气热值为8.4×107J/m3。水的密度为1.0×103kg/m3，水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）。求：（1）完全燃烧0.01m3天然气放出的热量；（2）5L水从20℃加热到50℃吸收的热量；（3）张明家天然气灶的效率。考向4：机车效率问题【典例4】（23-24九年级上·全国·期末）一辆氢气动力试验汽车10min内在平直路面上匀速直线行驶了1.2km，消耗了0.15kg的氢气，假设氢气完全燃烧，汽车发动机的效率为50%，求：（氢气的热值取1.4×108J/kg）（1）氢气完全燃烧产生的热量是多少？（2）发动机所做的有用功是多少？（3）汽车匀速行驶时受到的阻力是多少？【变式4-1】（23-24九年级上·吉林长春·阶段练习）一辆使用汽油为燃料的小汽车，以72km/h的速度在水平路面上匀速行驶时，发动机的实际功率为20kW。若小汽车行驶的距离为100km，汽油的热值q=4.6×107J/kg，小汽车发动机的效率为25%。求小汽车在这段路程中：（1）运动的时间；（2）发动机所做的功；（3）消耗汽油的质量。考向5：提高热机效率的方法【典例5】（23-24九年级上·四川成都·期末）汽车是现代生活中最常见的一种交通工具，如图甲、乙分别是某汽油机的某冲程及能量流向图。下列有关说法正确的是（）A．甲图是压缩冲程，活塞对气缸内的气体做功，气体的温度升高B．由乙图可知该汽油机的效率是30%C．汽车尾气中的“汽油味”越浓燃料燃烧得越不充分，这会降低燃料的热值D．增加废气带走的热量可以提高热机的效率【变式5-1】（23-24九年级上·四川德阳·期末）成都大运会火炬“蓉火”取自成都的简称“蓉”，同时寓有“融合”“包容”之意，在燃料方面，“蓉火”采用了生物质丙烷燃料，这种燃料是采用常温压缩体积的方法使气体丙烷液化的：火炬结合它的外形特点，优化燃料喷注与空气掺混方案，这种方案能提高燃料的（选填“功率”或“效率”）：已知丙烷的热值是；若完全燃烧20g的丙烷，则其放出的热量为J。【变式5-2】（22-23九年级上·福建龙岩·期末）下列关于“热机”的说法中，不正确的是（

）A．在四冲程内燃机中减少废气带走的大量热量可以大大提高热机效率B．热机性能好坏的重要指标之一是热机效率，通过技术改进，热机效率也不能达到100%C．火箭发动机属于热机D．热机常用水做冷却剂，是因为水的沸点高考向6：能量的转化和转移【典例6】（23-24九年级上·辽宁葫芦岛·期末）下列能量转化或转移的情景中，属于能量转移的是（）A．冬天人们在室外晒太阳，感觉暖和 B．植物吸收太阳光进行光合作用C．摩擦生热 D．水电站里水轮机带动发电机发电【变式6-1】（23-24九年级上·湖南湘西·期末）如图所示，在试管内装适量的水，用软木塞塞住管口，加热一段时间后，软木塞就会被冲出去,关于这一现象的解释中正确的是（）A．酒精燃烧：内能转化为化学能B．试管内水温升高：利用做功的方式改变物体的内能C．木塞被冲出去：其能量转化与汽油机压缩冲程的能量转化相同D．管口出现水雾：水蒸气对外做功，内能减少，温度降低，水蒸气液化成小水滴【变式6-2】（23-24九年级上·湖南长沙·期末）人们是在能的转移和转化过程中利用能量的，如图中的各种现象与对应的能的转化不正确的是（）A．用电照明：电能转化为光能 B．木材燃烧：化学能转化为内能和光能C．太阳能电池：太阳能转化为电能 D．活塞冲出：机械能转化为内能考向7：能量守恒定律【典例7】（23-24九年级上·河南郑州·期末）中国古代玩具饮水鸟被誉为“爱因斯坦也吃惊的玩具”，如图所示。它的神奇之处在于能不停地点头“喝”水。它的下球中装有乙醚（乙醚极易汽化），乙醚吸收空气中的热量汽化后气压增大将乙醚压入上球，饮水鸟的重心上移“低头喝水”，如图乙；此时上下球连通气压相同，乙醚流回下球，恢复甲图状态，如此反复。下列说法不正确的是（）A．下球中乙醚汽化的过程，是通过做功的方式改变了内能大小B．“饮水鸟”不是永动机，其能量转化过程符合能量守恒定律C．若空气温度很低，饮水鸟内的乙醚汽化太慢，饮水鸟会慢慢地停下来D．如果没有能量补充“饮水鸟”的运动最终会停下来【变式7-1】（23-24九年级上·山西晋中·期末）著名科学家达·芬奇曾设计过这样一种装置，如图所示，车轮里面安装一些倾斜的滑道，用来装十几个金属球，它们在运行过程中会保持滚动，并且总是朝着特定的方向倾斜轮子，这样就可以使装置不停的转动下去。这样的装置（选填“可能”或“不可能”）实现，理由是。【变式7-2】（23-24九年级上·广东梅州·期末）如图所示为弹性小球在地面弹跳的频闪照片。小球弹起的高度越来越小，说明小球的机械能越来越（选填“大”或“小”），其原因是部分机械能转化成了能。历史上人类尝试制造各种不需要消耗能量就源源不断对外做功的“永动机”，但都失败了，因为这违背了定律。一、单选题1．（23-24九年级上·四川德阳·期末）下列说法中正确的是（）A．热水含的热量比冷水更多 B．0℃的水没有内能.C．满箱汽油与半箱汽油的热值相等 D．汽油机压缩冲程对外做功2．（23-24九年级上·山东潍坊·期末）甲、乙两种燃料完全燃烧放出的热量与质量的关系图像如图所示，下列说法正确的是（）A．甲燃料的热值小于乙燃料的热值B．完全燃烧甲、乙两种燃料，甲放出的热量一定多C．使用乙燃料的热机做的有用功可能比使用甲燃料的多D．使用甲燃料的热机效率一定高，但其热机效率肯定小于3．（23-24九年级上·河北石家庄·期中）关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（）A．没有燃烧的燃料，热值等于零 B．燃料完全燃烧时，它的热值最大C．燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多 D．燃料的热值与质量和燃烧状态无关4．（23-24九年级上·广西南宁·期末）如图，甲是四冲程汽油机某冲程的示意图，乙是其能量流向图。下列说法正确的是（）A．图甲是吸气冲程的示意图 B．图甲冲程使汽车获得动力C．水箱散热导致的能量损失最多 D．设法利用废气的能量可提高燃料利用率5．（23-24九年级上·广西南宁·阶段练习）关于能量，下列说法正确的是（）A．燃料燃烧时化学能转化为内能 B．电风扇工作时把机械能转化为电能C．因为能量守恒，所以“永动机”可以制成 D．能量无论是转化还是转移，能量的总量都是逐渐减少6．（23-24九年级上·河南郑州·期末）2023年10月15日，郑州市举行了第一届青少年科技运动会。运动会设有水火箭比高等比赛项目。图甲是小明用可乐瓶制作的水火箭，图乙是水火箭的示意图。小明先在瓶里装适量水，然后将带有阀门的金属管插入瓶塞，旋紧瓶塞后用打气筒往瓶里打足气；打开阀门后，水从尾部的金属管向下喷出，水火箭向上飞向空中。下列分析错误的是（

）A．使用打气筒打气时能量转化过程与汽油机的压缩冲程相同B．水从水火箭中喷出相当于内燃机的排气冲程C．水火箭升空过程中高压气体的内能转化为水火箭的机械能D．在整个过程中，能量总量是保持不变的7．（23-24九年级上·重庆南川·期末）下列有关能量及其利用的说法，正确的是（）A．燃料燃烧越充分，燃料的热值越高 B．汽油机功率越大，汽油机的效率越高C．减小机械摩擦和热损失，能提高热机的效率 D．内燃机工作过程中，每个冲程均能对外做功8．（22-23九年级上·湖北武汉·期中）某汽车以20m/s的速度在平直的公路上匀速行驶时，柴油发动机的功率为2.1×105W，每行驶43s消耗柴油700g，柴油的热值为4.3×107J/kg。下列计算中有几项是正确的（）①完全燃烧700g柴油放出的热量为3.01×107J②该柴油发动机效率为70%③汽车的牵引力为1.05×103N④汽车行驶8.6km消耗柴油7kgA．一项 B．二项 C．三项 D．四项9．（23-24九年级上·安徽合肥·阶段练习）小帆在老师指导下，用如图1所示的同一个实验装置分别加热100g的甲、乙两种液体（其中一种是水），用测得的数据绘制了温度随时间变化图像（图2），乙从20℃加热至沸腾刚好消耗了4g酒精（q酒精=3×107J/kg）。若单位时间内甲吸收的热量与乙吸收的热量相等，c水=4.2×103J/（kg·℃），则下列说法中正确的是（）A．c乙=2.4×103J/（kg·℃） B．乙的吸热能力大于甲的吸热能力C．0～8min乙吸收的热量为3.36×104J D．该酒精灯的加热效率为30%二、填空题10．（22-23九年级上·四川泸州·期末）《三国演义》中有“青梅煮酒”的典故，芒种节气正是青梅煮酒季，煮酒可利用水浴法对酒加热。质量为0.5kg的酒从20℃升高到40℃吸收的热量是J，这是采用（选填“做功”或“热传递”）使酒的内能增加的；若这些热量由天然气完全燃烧来提供，则至少需要燃烧m3的天然气[，q天然气＝4×107J/m3]。11．（23-24九年级上·湖南郴州·期末）如果瓶装液化气每瓶中装入2kg液化气，已知液化气的热值4.2×107J/kg，则每瓶液化气全部完全燃烧放出的热量是J，若放出的热量有40%被利用，在标准大气压下可把kg的水从20℃加热至沸腾。[c水＝4.2×103J/（kg•℃）]12．（23-24九年级上·青海西宁·期末）人类发展史也是利用燃料的历史，干木柴、煤、天然气的放热本领不同，是因为它们的（选填“热值”“热量”或“温度”）不同。西宁市已广泛使用天然气，完全燃烧0.1m3天然气可以放出J的热量，这些热量若只有42%被水吸收，则可以使1标准大气压下温度为21℃、质量5kg的水温度升高到℃。[水的比热容为、天然气的热值为]。13．（23-24九年级上·广东阳江·期末）（1）汽油机是汽车的“心脏”，汽油燃烧时将能转化为内能，完全燃烧0.5kg的汽油能够获得J的能量（汽油的热值为）；热机一个工作循环有四个冲程，如图甲中表示的是冲程；（2）汽车发动机的气缸体和汽缸盖的内外壳间有个“水套”，冷却液在其间循环，以防止汽车发动机过热，在汽车开始行驶的一段时间内，冷却液温度逐渐升高，它的内能会（选填“增大”、“减小”或“不变”），这是通过的方式改变冷却液的内能；（3）小明同学阅读了某牌号汽车发动的说明书后，将内燃机的能量流向图制成如图乙所示的图表，根据给出的信息，该内燃机的效率为。14．（23-24九年级上·湖北武汉·期末）不同形式的能量可以在一定条件下相互转化，如图中给出了两个实例，请你做一些补充。圆圈内A的能量形式是能，圆圈内B的能量形式是能，序号⑤的实例有（选填“摩擦生热”或“燃料燃烧”）。大量事实表明，能量在转化和转移的过程中，能量的总量（选填“变小”、“不变”或“变大”）15．（23-24九年级上·江苏南通·期末）如图甲所示，混合动力汽车由一台内燃机和一台电机组成，混合动力汽车启动时，蓄电池通过电机向车轮输送能量；当需要高速行驶或蓄电池储存电能过低时，向车轮输送能量，并通过电机给蓄电池充电。请回答下列问题。（1）该混合动力汽车的内燃机是一台单缸四冲程汽油机，如图乙是汽油机的冲程，此冲程是利用方式改变内能；（2）若飞轮转速是2400r/min，则每秒对外做功次；（3）驾驶员踩刹车踏板时，可以通过车轮带动电机发电，再将产生的电能转化为能储存在蓄电池中；（4）假设一辆发动机效率为30%的汽车一年消耗燃油400kg，将发动机的效率从30%提高到40%每年可以节省汽油kg。三、计算题16．（23-24九年级上·贵州黔东南·期中）小明家新安装了一台如图所示的太阳能热水器，热水器铭牌如下：