第14.2讲：热机的效率、能量的转化和守恒【教材为纲·探题源】-2024年中考一轮复习讲义

第14-2讲 热机效率、能量的转化和守恒 知识点1：热机效率 燃料的热值：我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。 热值在数值上等于1 kg 某种燃料完全燃烧放出的热量。热值的单位由热量的单位和质量的单位组合而成。在国际单位制中，热量的单位是焦耳，质量的单位是千克，则热值的单位是焦每千克，符号是J/kg。 热机效率：燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要小，而且有效利用的热量又比放出的热量要小。 对于热机而言，燃料释放的能量只有一部分用来做有用功，还有相当一部分能量散失了。用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率。蒸汽机的效率很低，只有6%~15%。内燃机中，燃料是在汽缸内部燃烧的，而且燃料与空气混合充分，燃烧得比较完全，所以内燃机的效率比蒸汽机的高。汽油机的效率为20%~30%，柴油机的效率为30%~45%。 热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，从而节约能源，减少污染。在设计和制造热机时，要不断改进和创新，以减少各种能量损失，提高效率。 在热机的能量损失中，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。大型发电机常常用蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。这种既供电又供热的热电站，比起一般的火电站来，燃料的利用率大大提高。 【典例探究1】如图，是我国自主研制的实用型地效飞机，地效飞机可以低空飞行，能停在水面或地面上，在客运、货运、旅游救护、海洋监测等方面具有广阔的应用前景。地效飞机某次执行任务，以180km/h的速度匀速飞行了90km，消耗燃油的质量为36kg，发动机的效率为40%，已知燃油热值为4.5×107J/kg，假设燃油完全燃烧，地效飞机这次执行任务的过程中，下列计算正确的是（　　） ①地效飞机飞行的时间为0.5h； ②消耗的燃油完全燃烧放出的热量为1.62×109J； ③飞机做的有用功为6.48×108J； ④地效飞机飞行过程中受到的阻力为7200N。 【解题思路】热效率和热机效率 （1） 热效率：，其中 Q有用指有效利用的热量，E指总能量。如果是炉子，则E为燃料完全燃烧放出的热量(E=Q总=qm)；如果是太阳能热水器，则E为太阳光照射到热水器上的总能量；如果是电热器，则 E为电流做功放出的热量(E=W=UIt)。 （2） 热机效率：，其中W有用指用来做有用功的能量，Q总指燃料完全燃烧释放的能量。 【答案】D 【解析】①由可得地效飞机飞行的时间为 故①正确； ②消耗的燃油完全燃烧放出的热量为 Q放＝qm＝4.5×107J/kg×36kg＝1.62×109J 故②正确； ③发动机的效率为η＝40%，由可得飞机做的有用功为 W＝Q放η＝1.62×109J×40%＝6.48×108J 故③正确； ④由W＝Fs可得地效飞机飞行过程的牵引力为 因为地效飞机匀速飞行，所以飞机受到的阻力、牵引力是一对平衡力，大小相等，受到的阻力 f＝F＝7200N 故④正确。故选D。 【典例探究2】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Mt，最大飞行高度为Hm，最大航行速度达3马赫[马赫（Ma）是表示航空航天飞行器速度的量词，又叫马赫数（MachNumber），1Ma=v声m/s]，油箱最大容积为V0L，若飞机巡航时做匀速直线运动，巡航时所受阻力的大小与速度的关系见下表： 速度v/（m·s-1） 100 200 300 400 500 阻力f/N 0.3×104 1.2×104 2.7×104 4.8×104 7.5×104 已知飞机发动机燃油完全燃烧放出的能量转化为机械能的效率是，飞机使用的航空燃油的密度为ρ0kg/m3，热值为q0J/kg，求： （1）飞机发动机完全燃烧一满油箱燃油获得的能量是多少焦？ （2）当飞机以最大航行速度巡航时，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，并且以最大航行速度巡航时，飞机的最大航程约是多少千米？（温馨提示：在推导计算过程中需要的物理量，请提前设定） 【解题思路】如何计算能量转化型热量计算题？ 【备注】无论是能量的转移型，还是能量的转化型，若无能量损失，则 Q吸=Q放=E太=W电（机） 若有能量的损失 Q吸=ηQ放=ηE太=ηW电（机） 上式中的η为转移或转化的效率。 【答案】（1）ρ0V0q0×10-3；（1）8.1×10-3v声3；（3） 【解析】（1）油箱最大容积为V0L，航空燃油的密度为ρ0kg/m3，则一箱油的质量为 燃料的热值为