课时14.2 热机效率-【帮课堂】2024-2025学年九年级物理全一册同步学与练（人教版）

第十四章 内能的利用（原卷版） 课时14.2 热机效率 2022年课程标准 物理素养 3.3.1 从能量转化角度认识燃料的热值。 3.5.2 从能量转化和转移的角度认识效率。 物理观念：知道热值的概念。 科学思维：会进行热值的简单计算。 科学探究：会进行热机效率的简单计算。 科学态度与责任：了解热机效率的概念以及提高热机效率的途径。 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。 2.燃料的热值 燃料种类很多，由于其燃烧成分不同，相同质量的不同燃料完全燃烧时放出的热量不同，在物理学上用“热值”来表示燃料燃烧的放热本领。 （1）热值：某种燃料完全燃烧放出的热量，与其质量的比值叫这种燃料的热值；用“q”表示。 （2）热值单位：J/kg。 （3）热值的物理意义：一、1kg某种燃料完全燃烧放出的热量就等于该燃料的热值；二、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特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关。 （4）燃料燃烧放出的热量：热量：Q放 ＝qm；（Q放 是燃料放出的热量，单位是J；q是热值，单位是J/kg；m 是质量，单位是kg） 特别提醒：固体燃料、液体燃料的热值以“J/kg”为单位，而气体燃料的热值以“J/m3”为单位。因此Q放 ＝qm一般用于固体燃料和液体燃料放热的计算；Q放 ＝Vq一般用于气体燃料放出热值的计算，其中V为气体燃料的体积。 （5）对燃料热值的透析 热值是燃料的一种固有性质 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特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关 对完全燃烧的理解 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 热值的作用 燃料热值的高低是衡量燃料优劣的主要指标 特别提醒： （1）不是任何物质都有热值。热值是燃料的固有性质，如石块、铁块等非燃料物质没有热值； （2）只有燃料放热时，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。 培优拓展：常用燃料的热值 见下表： （2023·龙东）某单缸四冲程汽油机的飞轮转速为3000r/min，则该汽油机每分钟做功____次。如果完全燃烧500g汽油放出的热量是__________J。（汽油的热值是4.6107J/kg） 知识点二、热机的效率 1.燃料的有效利用：用煤气灶、锅炉、煤炉等烧水时，燃料不能完全燃烧利用，具体原因是多样的。例如，燃料不能完全燃烧而损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量、灶体本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，水吸收的热量只占燃料燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是有效利用的部分。如图所示： 2.锅炉的效率 （1）锅炉是利用燃料或其他热源把水加热成热水或蒸汽的设备。锅炉包括锅和炉两部分，锅是指盛水的容器，炉是燃料燃烧的装置。 （2）提高锅炉燃料利用率的途径：一、让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；二、减少热量损失，如加大有效受热面积等。 3.内燃机中热量燃烧的能量流向图 4.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%。 特别提醒：热机效率总小于1的原因 因为热机中用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的总能量的一部分，由于各种能量的损失和燃烧条件的限制，这部分能量一定小于完全燃烧放出总能量，所以有用功的能量与燃烧放出的总能量的比值必然小于1，即热机的效率一定小于1。 5.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。 培优拓展：废弃能量的利用 在热机的能量损失中，废气带走的能量最多，所以设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的主要措施。例如，人们将发电厂蒸汽轮机排除的废气送入热电站进行供热，将废气中的能量甲乙利用，大大提高了热量的利用率。 （2023·随州）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. 为节能冬天汽车都会利用尾气中的余热给车内供暖，该举措大大提高了燃料的热值 知识点三、知识导图 问题一：热值及其计算 【角度1】对热值的理解 ★易错警示某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫这种燃料的热值。从定义上看，热值是燃料的一种性质，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等无关。 【典例1】（23-24九年级下·湖南长沙·期中）下列关于“热机”说法中，正确的是（　　）。 A．汽车的发动机用水做冷却剂，主要是因为水的沸点高 B．汽油机工作时如果汽油没有完全燃烧，则汽油的热值会减小 C．发射火箭时利用液态氢做燃料，主要是因为液态氢的热值大 D．发射出的火箭在加速上升的过程中，化学能直接转化为机械能 【变式1-1】（23-24九年级上·湖南湘西·期末）下列说法正确的是（　　）。 A．高温铁块放入冷水中，当热传递停止时铁块和水的内能一定相同 B．不能喝刚烧开的水，是因为它的热量太大 C．用天然气烧水，天然气燃烧不充分时，其热值不变 D．热机消耗的燃料越多，效率就越低 【变式1-2】（2024·河北石家庄·二模）“茶叶蛋”是人们喜爱的传统食物，煮泡鸡蛋的过程是通过的方式增大了鸡蛋的内能；在炎炎夏日的午后，来海边游玩的小瑞发现沙滩很烫而海水却很清凉，这是因为海水的比热容较 （选填“大”或“小”）；灶台下干木柴燃烧的过程中，剩余干木柴的热值将 （选填“变大”、“变小”或“不变”） 【角度2】热值的相关计算 解答是要注意干木柴完全燃烧放出的热量完全被水吸收，从而建立等式关系Q放=Q吸。 【典例2】（2023·江苏泰州·一模）小明购买了某品牌的一盒薯片，部分参数如表所示。利用如图所示的实验器材估测热值.用天平分别测出3g薯片和100g的水，用温度计测出水的初温为22℃，将3g薯片放入燃烧皿中，待其燃尽后记下水的温度为72℃，则水吸收的热量为 J，初步估算一下薯片的热值为 J/kg。小明根据薯片盒上的数据也计算出其热值为 J/kg，两者相差很多，请你帮助他分析原因可能是（写出一条）： [已知水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）]。 营养成分表每份食用量：30g 项目 每份 能量 663000J 蛋白质 1.7g 脂肪 9.6g 【变式2-1】（23-24九年级下·云南曲靖·阶段练习）人类在原始社会就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭。在现代社会，人类所用的能量一部分是燃烧天然气获得的。与柴薪燃料相比，天然气具有更高的 （选填“热值”或“比热容”）。某学校食堂每天需要用2m3的天然气，完全燃烧这些天然气产生的热量的42%被0.5t的水吸收，可以使初温为20℃的水升高 ℃。[，] 【变式2-2】（2024·陕西西安·模拟预测）如图所示为《天工开物》中铸造釜的情境，釜即铁锅，铸造时以生铁为原料，使用熔铁炉把生铁熔化成铁水，然后将铁水倾注到分为内外两层的模具里，待铁水凝固后，釜的铸造就完成了。 （1）釜的铸造过程是通过 方式改变其内能的。生铁熔化成铁水后，其分子热运动的剧烈程度 （选填“增大”“减小”或“不变”）； （2）将50kg、500℃的铁加热到700℃需要吸收的热量为 J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧 kg的木柴。[铁的比热容为0.46×103J/（kg⋅°C），木柴的热值为1.0×107J/kg] 问题二：热机效率 【角度1】对热机效率的理解 对热机效率高的两种理解： （1）当燃烧相同的燃料时，效率高的做的功多； （2）当做的有用功相同时，效率高的消耗的燃料少。 【典例3】（2023·阿坝州）下列关于热值和热机效率的说法，正确的是（　　）。 A. 使燃料燃烧更充分，可以增大热值 B. 使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率 C. 柴油机的热机效率通常为100% D. 燃料燃烧释放的热量越大，热值越大 【变式3-1】（2023·日照）2023年5月28日，C919大型客机进行首次商业载客飞行，飞机的发动机选用航空煤油作为燃料，假如航空煤油的热值为，完全燃烧50kg航空煤油放出的热量为______J。山东五征集团生产的某型号农用拖拉机，为提高发动机的效率需要在______冲程让燃料充分燃烧。 【变式3-2】（2023·潜江、天门、仙桃）一台单缸四冲程汽油机的飞轮转速为1200r/min，如图所示为它工作循环中的一个冲程。下列说法正确的是（ ）。 A. 汽油是化石能源 B. 该冲程为做功冲程 C. 该汽油机每秒对外做功20次 D. 热机的功率越大，效率就越高 【角度2】热机效率相关计算 【典例4】（2023·鄂州）小勇同学购买了一款户外分体式燃气炉，准备去户外野炊，用该燃气炉烧水时，把初温为20℃的1kg水加热到100℃，燃烧了0.025m3天然气，则水吸收的热量为___________J，假设天然气完全燃烧，则燃气炉烧水的效率为___________。（天然气的热值为4×107J/m3） 【变式4-1】（2023·宜昌）近些年来，国家大力提倡开发各种绿色可再生能源，助力实现“碳达峰、碳中和”的战略目标。如图所示是宜昌某风电场，总装机容量5×104kW，年发电量9000万度。问： （1）该风电场年发电时间可达多少小时？ （2）如果火电站的发电效率为40%，要得到相同的电能，每年需要多少吨煤？（煤的热值为3.0×107J/kg） 【变式4-2】（2023·荆州）某燃气热水器将20L的水从20℃加热到70℃，完全燃烧了0.21m3的煤气，水吸收的热量是______J，该燃气热水器烧水的效率是______。[已知水的比热容为，水的密度为，煤气的热值为] 【角度3】效率与功率 热机效率与功率的区别 热机效率 热机功率 定义 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 单位时间内做的功 物理意义 反映热机对能量的利用 反映热机做功的快慢 定义式 【典例5】（2023·兰州）一辆燃油汽车沿平直公路匀速行驶了108km，所用时间为1h，消耗汽油10kg，汽车在行驶过程中所受阻力恒为1380N（汽油的热值）。求： （1）汽车行驶的速度； （2）牵引力的功率； （3）汽车发动机的效率。 【变式5-1】（2023·锦州）我国道路交通安全规定，货车轮胎对地面的压强应控制在7×105Pa以内，王师傅的货车自身质量是6t．车轮与地面总接触面积是0.5m2。一次，王师傅开着装有24t沙子的货车在平直的公路上匀速行驶30km，货车受到的阻力是货车总重力的0.02倍，消耗柴油10kg。（g取，）求： （1）通过计算判断装有沙子的货车静止时，对水平地面的压强是否符合安全规定？ （2）这一过程中货车牵引力所做的功是多少？ （3）这一过程中货车发动机的效率是多少？（计算结果精确到1%） 【变式5-2】（2024·河南新乡·二模）春节期间，各地社火表演风行，表现形式多样有趣，不仅寓意着老百姓祈求风调雨顺、 五谷丰登、国泰民安的美好愿景，还承载着传承历史文化、弘扬民族精神等重要功能， 是国家非物质文化遗产代表性项目。如图是社火中的“抬阁”表演，底部是一辆可遥  控的电动小车，车上固定有支架，小车和支架总质量为100kg，支架上三位小演员总质 量为75kg， 小车的轮子与地面的总接触面积为100cm²， 小车匀速行驶时，受到地面的摩 擦力为总重的，从集合地点到表演场地距离为1km，耗时15min，小车消耗电能2.5×105J，g取10N/kg，求： （1）小车从集合地点到表演场地匀速行驶的速度； （2）小车到达表演场地静止于水平地面时，对地面的压强； （3）小车匀速行驶1km，牵引力做的功； （4）电动小车的效率。 问题三：热值、比热容与热机效率综合 （1）物质吸热时，利用比热容的概念计算吸收的热量； （2）物质燃烧时，利用热值概念计算发出的热量； （3）根据热机效率的概念计算待求物理量。 【典例6】（2024·山东临沂·一模）2024年2月27日，电动垂直起降航空器（cVTOL）“盛世龙”从广东深圳蛇口邮轮母港起飞，以巡航速度飞行约20分钟，降落在珠海九洲港码头。这次试飞成功，意味着深圳至珠海单程2.5至3小时的地面车程，可以缩短到20分钟。“盛世龙”最大起飞质量2000kg，可载5人，巡航速度200km/h，核心模组100％国产化，预计将于2026年开启载人飞行。求： （1）“盛世龙”号从深圳到珠海的飞行路程大约是多少千米？（保留一位小数） （2）若其以最大起飞质量停在水平地面时与地面的总接触面积是，则地面承受的压强是多少？ （3）“盛世龙”号达最大起飞质量时垂直上升到500米高空克服重力做了多少功？若这些能量完全由燃烧汽油来获得，相当于完全燃烧汽油多少千克？（已知汽油热值，g取，保留一位小数） 【变式6-1】（2024·湖北黄冈·模拟预测）2023年5月，我国首座深远海浮式风电平台“海油观澜号”成功并网投产（如图甲）。“海油观澜号”排水总重达11000吨，通过9根锚链系泊固定在水深120米的海洋深处。（g取，） （1）求“海油观澜号”所受的浮力； （2）“海油观澜号”投产后风机年均发电量将达2200万千瓦时，若按发电效率22％来计算，则每年可节约多少焦炭； （3）已知通过风机叶片的空气动能与其质量成正比，且空气的动能W与速度v的关系如图乙所示。若风速为时，空气的密度为），平均每秒通过叶片的空气动能为，试估算风机叶片的扫风面积为多大？ 【变式6-2】（2024九年级下·辽宁大连·专题练习）如图所示是正在耕作的稻田插秧机，它匀速直线行驶时对水平地面的压力为，受到的阻力为，车轮与地面的总接触面积为。若插秧机以0.4m/s的速度匀速直线行驶5000m，并在前进过程中同时进行插秧。若插秧时所做的功和前进时牵引力所做的功均视为有用功，且大小相同。（柴油热值取）求： （1）插秧机匀速行驶时，对水平地面的压强。 （2）插秧机匀速行驶时，牵引力做功的功率。 （3）若发动机的效率为40%，这一过程中插秧机所消耗的柴油为多少kg？ 问题四：探究实验-燃料的热值 【典例7】（2024·辽宁·一模）在比较煤油和酒精燃烧放出热量多少的实验中，采用如图所示的实验装置。 （1）本实验中，除如图所示的器材外，还需要的测量工具是停表和 ； （2）准备煤油和酒精时，必须要控制它们的 相等； （3）燃料燃烧完毕，通过比较两烧杯中的水 ，来比较煤油和酒精放出热量的多少，这种方法叫做 ； （4）既然用两烧杯中的水来衡量煤油和酒精放出的热量，所以，也要控制两杯水的 和 相同。 【变式7-1】（23-24九年级上·广东珠海·期末）如图所示，小明用甲、乙、丙三套完全相同的装置，完成“比较不同物质的吸热本领”和“不同燃料的热值”两个热学实验： （1）安装实验器材时，小明应按照 （选填“自上而下”或“自下而上”）的顺序进行；为了完成这两个实验，除了用完全相同的烧杯，还分别装入 和初温均相等的水和煤油。 （2）为了比较水和煤油的吸热本领，小明应选择甲、丙两套装置，通过 （选填“加热时间”或“温度计示数变化”）来比较水和煤油吸收热量的多少；为了比较不同燃料的热值，小明选择 两套装置。 （3）小明认为，燃料完全燃烧放出的热量 （选填“大于”“等于”或“小于”）液体吸收的热量，原因是 （写出一种即可）。 （4）总结实验结论后，小明认为，沿海地区海陆风的形成与“地面和海水的吸热本领不同”有关，如图丁、戊所示是海陆风形成的示意图，其中 （选填“丁”或“戊”）图反映白天海风的形成。 【变式7-2】（23-24九年级上·河南南阳·阶段练习）如图所示，探究不同物质吸热升温的现象，其中燃料的质量都为10g。 （1）实验中使用的实验方法有 和 ； （2）实验过程中使用玻璃棒（未画出）不断搅拌的作用是 ； （3）为探究不同物质吸热升温的现象，应该选用 两个装置进行实验，并且应使液体a和液体b 相同； （4）燃料1为酒精，酒精的热值为3.0×107J/kg，物理意义是 。经过实验，发现计算得出酒精的热值与课本数据不符合，原因是 。 【基础强化】 1. （2023·岳阳）2023年5月30日神舟十六号载人飞船发射取得圆满成功。下列说法正确的是（　　）。 A. 飞船通过电磁波与地面传递信息 B. 飞船加速升空时机械能减小 C. 火箭使用热值小的燃料 D. 飞船升空时相对地面是静止的 2. （2023·赤峰）轿车行驶过程中，油箱中汽油逐渐减少，剩余汽油的热值、密度变化情况为（ ）。 A. 热值不变，密度不变 B. 热值不变，密度变小 C. 热值变小，密度不变 D. 热值变小，密度变小 3. （2023·通辽）在学校科技节活动中，小明用饮料瓶自制了火箭模型，如图所示，他在瓶子的内侧壁安装了一个遥控电火花发生器，按下按钮会产生电火花。演示时从瓶口喷入雾状酒精并盖上锥形纸筒，按动电火花发生器的按钮，纸筒立即飞出，关于此过程分析正确的是（　　）。 A. 纸筒飞出后瓶内气体的内能减少，温度降低 B. 能闻到酒精的气味是因为分子间存在斥力 C. 酒精不完全燃烧时热值变小 D. 燃气推动纸筒飞出的过程相当于内燃机的压缩冲程 4. （2023·衡阳）燃气热水器将质量为30kg、温度为15℃的水加热到65℃，消耗天然气，在此过程中水吸收的热量是___________J，热水器烧水时的效率是___________ [；] 5. （2023·宿迁）反复弯折铁丝，铁丝弯折处会很烫，铁丝内能是通过________（选填“热传递”或“做功”）的方式增加，此能量的转化与四冲程汽油机的________冲程相同。某汽车百公里耗油5kg，这些汽油完全燃烧可放出的热量是________J。（q汽油=4.6×107J/kg） 6. （2023·扬州）如图所示，在估测薯片热值的实验中，小军设计了两种对水加热的方式： 方式一：薯片在烧杯中燃烧； 方式二：薯片在燃烧皿中燃烧。 （1）两种加热方式中合理的是______；在进行实验时，要让薯片充分燃烧，操作是______； （2）用天平量取水，并测出一片薯片的质量，用以上选取的方式燃尽薯片，并用温度计测出水升高的温度，所测出的薯片热值偏______，原因是______。 【素养提升】 7.（2023·成都）小美在老师指导下进行了以下实验：甲、乙两烧杯各装100g水，用酒精灯加热甲烧杯，煤油灯加热乙烧杯，直至杯内水沸腾1分钟即熄灭该灯，测得消耗酒精4g、煤油2.5g。她根据实验数据绘制了水温与加热时间关系的图像（如图）。若水沸腾前质量不改变，同一杯水沸腾前后单位时间内吸收的热量相等，，，，则下列说法正确的是（　　）。 A. 整个过程，甲杯中的水吸收的热量更多 B. 前3分钟，乙杯中的水吸收的热量为 C. 消耗的煤油完全燃烧放出的热量为 D. 酒精灯加热的效率为28% 8. （2023·枣庄）为全面推进“乡村振兴”工程，加快农业农村绿色发展，我市部分农村地区已经使用上了天然气烧水煮饭。小明同学用他家的天然气灶将质量为2kg，初温为20℃的水加热到100℃，水吸收的热量是__________J；消耗了0.03m3的天然气，则此天然气灶的热效率为__________。【水的比热容c=4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值q=7.0×107J/m3】 9. （2023·南充）某单缸四冲程汽油机，飞轮每分钟转3000转，则每秒对外做功_______次，每次对外做功115J，该汽油机的效率为25%，连续工作1小时需消耗汽油________kg（q汽油=4.6×107J/kg）。 10．（23-24九年级上·河南安阳·期末）实验小组利用如图甲所示的装置探究“水沸腾前后温度变化的特点”。 （1）实验中某时刻温度计的示数如图甲所示，此时水温是 ℃； （2）图乙是小明绘制的温度随时间变化的图像，分析图像可知水沸腾时温度 ； （3）如图丙所示，这是实验过程中观察到水中气泡上升过程的其中一种情况，此时水处于 （选填“沸腾前”或“沸腾时”）的状态； （4）小组中两名同学选用的实验装置相同，他们绘制的水的温度随时间变化图像如图丁所示，造成图像不同的原因是水的 不同； （5）小明利用图甲装置测量酒精的热值。测出酒精燃烧的质量和烧杯中水的质量，记录水升高的温度，从比热容表中查得水的比热容，利用公式Q＝cmΔt算出了水吸收的热量，然后再利用公式计算出了酒精的热值。你认为他的计算结果 （选填“可靠”或“不可靠”），理由是 （写出一条即可）。 【能力培优】 11．（23-24九年级上·甘肃兰州·期末）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。如图所示是某热机工作过程的“能流图”，请根据图示信息回答以下问题： （1）该热机能量耗散的主要渠道是什么？ （2）请结合能流图谈一谈如何有效地利用能量，减少热量的耗散。 12. （2023·陕西A）在标准大气压下，使用煤气灶将2kg的水从20℃加热到100℃，水吸收的热量是____________J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧_________kg的煤气，这是通过__________的方式增加了水的内能。未使用完的煤气的热值___________（选填“变大”“变小”或“不变”）［水的比热容，煤气的热值］ 13．（2024·河南周口·二模）河南省是我国小麦第一生产大省，种植面积连续5年稳定在8500万亩以上，洛阳生产的“东方红”无人驾驶拖拉机在农业生产中深受农民喜爱。如图所示，该拖拉机的质量为1.5吨，与水平地面的总接触面积为。（g取10N/kg，） （1）拖拉机静止时对水平地面产生的压强是多少？ （2）若拖拉机在平直路面匀速行驶时受到的阻力为拖拉机总重的0.2倍， 行驶4.3km消耗柴油0.75kg， 那么柴油机的热效率为多少？ （3）拖拉机以额定功率工作时，在平直公路上的行驶速度大于在平直耕地上的行驶速度，试分析主要原因。 14．（23-24九年级下·江苏南京·阶段练习）如图是一款太阳能和其它能量混合驱动汽车，车身上装载了5m2的太阳能电池板，用于给蓄电池充电或直接作为动力源。已知太阳能电池板每小时1m2接收的太阳能为6×106J，已知太阳能转化为电能的效率为25%，该汽车利用电能行驶时，电动机的将电能转化为机械能的效率为80%。 （1）若驾驶该车通过一长为18000m的隧道，用时12min，则该车速度是多少km/h? （2）若该车以36km/h匀速行驶时，所受阻力为1200N，则该车的电动机输出功率多大? （3）利用6h的正常日照获得的太阳能使该车以36km/h匀速行驶，该车能行驶多少路程? ( 12 )原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第十四章 内能的利用（解析版） 课时14.2 热机效率 2022年课程标准 物理素养 3.3.1 从能量转化角度认识燃料的热值。 3.5.2 从能量转化和转移的角度认识效率。 物理观念：知道热值的概念。 科学思维：会进行热值的简单计算。 科学探究：会进行热机效率的简单计算。 科学态度与责任：了解热机效率的概念以及提高热机效率的途径。 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。 2.燃料的热值 燃料种类很多，由于其燃烧成分不同，相同质量的不同燃料完全燃烧时放出的热量不同，在物理学上用“热值”来表示燃料燃烧的放热本领。 （1）热值：某种燃料完全燃烧放出的热量，与其质量的比值叫这种燃料的热值；用“q”表示。 （2）热值单位：J/kg。 （3）热值的物理意义：一、1kg某种燃料完全燃烧放出的热量就等于该燃料的热值；二、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特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关。 （4）燃料燃烧放出的热量：热量：Q放 ＝qm；（Q放 是燃料放出的热量，单位是J；q是热值，单位是J/kg；m 是质量，单位是kg） 特别提醒：固体燃料、液体燃料的热值以“J/kg”为单位，而气体燃料的热值以“J/m3”为单位。因此Q放 ＝qm一般用于固体燃料和液体燃料放热的计算；Q放 ＝Vq一般用于气体燃料放出热值的计算，其中V为气体燃料的体积。 （5）对燃料热值的透析 热值是燃料的一种固有性质 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特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关 对完全燃烧的理解 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 热值的作用 燃料热值的高低是衡量燃料优劣的主要指标 特别提醒： （1）不是任何物质都有热值。热值是燃料的固有性质，如石块、铁块等非燃料物质没有热值； （2）只有燃料放热时，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。 培优拓展：常用燃料的热值 见下表： （2023·龙东）某单缸四冲程汽油机的飞轮转速为3000r/min，则该汽油机每分钟做功____次。如果完全燃烧500g汽油放出的热量是__________J。（汽油的热值是4.6107J/kg） 【答案】①. 1500；②. 2.3107。 【解析】[1]四冲程汽油机的飞轮转速为3000r/min,即汽油机飞轮每分钟转3000圈，由于四冲程汽油机一个工作循环完成4个冲程，飞轮中曲轴转2圈，对外做功1次，所以该汽油机每分钟做功1500次。 [2]完全燃烧500g汽油放出的热量为。 知识点二、热机的效率 1.燃料的有效利用：用煤气灶、锅炉、煤炉等烧水时，燃料不能完全燃烧利用，具体原因是多样的。例如，燃料不能完全燃烧而损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量、灶体本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，水吸收的热量只占燃料燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是有效利用的部分。如图所示： 2.锅炉的效率 （1）锅炉是利用燃料或其他热源把水加热成热水或蒸汽的设备。锅炉包括锅和炉两部分，锅是指盛水的容器，炉是燃料燃烧的装置。 （2）提高锅炉燃料利用率的途径：一、让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；二、减少热量损失，如加大有效受热面积等。 3.内燃机中热量燃烧的能量流向图 4.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%。 特别提醒：热机效率总小于1的原因 因为热机中用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的总能量的一部分，由于各种能量的损失和燃烧条件的限制，这部分能量一定小于完全燃烧放出总能量，所以有用功的能量与燃烧放出的总能量的比值必然小于1，即热机的效率一定小于1。 5.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。 培优拓展：废弃能量的利用 在热机的能量损失中，废气带走的能量最多，所以设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的主要措施。例如，人们将发电厂蒸汽轮机排除的废气送入热电站进行供热，将废气中的能量甲乙利用，大大提高了热量的利用率。 （2023·随州）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. 为节能冬天汽车都会利用尾气中的余热给车内供暖，该举措大大提高了燃料的热值 【答案】A。 【解析】A．如图甲所示，进气孔和排气孔都关闭，活塞向上运动，压缩气体，对气体做功，气体温度升高，这是汽油机的压缩冲程，故A正确； B．由乙图可知该汽油机的效率为η=100%-6%-30%-36%=28%，故B错误； CD．热值是燃料完全燃烧时的放出的热量和质量之比，燃料的热值只与燃料的种类和状态有关，与燃料是否完全燃烧无关，燃料燃烧得越不充分，这会降低燃料的利用率，不会降低燃料的热值；为节能冬天汽车都会利用尾气中的余热给车内供暖，该举措大大提高了燃料的利用率，不能提高燃料的热值，故CD错误。故选A。 知识点三、知识导图 问题一：热值及其计算 【角度1】对热值的理解 ★易错警示某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫这种燃料的热值。从定义上看，热值是燃料的一种性质，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等无关。 【典例1】（23-24九年级下·湖南长沙·期中）下列关于“热机”说法中，正确的是（　　）。 A．汽车的发动机用水做冷却剂，主要是因为水的沸点高 B．汽油机工作时如果汽油没有完全燃烧，则汽油的热值会减小 C．发射火箭时利用液态氢做燃料，主要是因为液态氢的热值大 D．发射出的火箭在加速上升的过程中，化学能直接转化为机械能 【答案】C。 【解析】A．汽车的发动机用水做冷却剂，主要是因为水的比热容大，与其他物质质量相同时，吸收相同热量，升高温度较少，故A错误； B．热值是燃料的一种特性，汽油机工作时如果汽油没有完全燃烧，则汽油的热值不会改变，故B错误； C．发射火箭时利用液态氢做燃料，主要是因为液态氢的热值大，燃烧质量相同时，释放热量较大，故C正确； D．发射出的火箭在加速上升的过程中，化学能转化为内能，再将内能转化为机械能，故D错误。 故选C。 【变式1-1】（23-24九年级上·湖南湘西·期末）下列说法正确的是（　　）。 A．高温铁块放入冷水中，当热传递停止时铁块和水的内能一定相同 B．不能喝刚烧开的水，是因为它的热量太大 C．用天然气烧水，天然气燃烧不充分时，其热值不变 D．热机消耗的燃料越多，效率就越低 【答案】C。 【解析】A．热传递停止时，铁块和水的温度相同，但内能不一定相同，故A错误； B．不能喝刚烧开的水，是因为它的温度太高，故B错误； C．热值时燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度、放出热量的多少以及燃烧温度的高低等均无关，故C正确； D．热机效率是指热机有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，所以热机消耗的燃料越多，效率不一定越低，故D错误。故选C。 【变式1-2】（2024·河北石家庄·二模）“茶叶蛋”是人们喜爱的传统食物，煮泡鸡蛋的过程是通过的方式增大了鸡蛋的内能；在炎炎夏日的午后，来海边游玩的小瑞发现沙滩很烫而海水却很清凉，这是因为海水的比热容较 （选填“大”或“小”）；灶台下干木柴燃烧的过程中，剩余干木柴的热值将 （选填“变大”、“变小”或“不变”） 【答案】大；不变。 【解析】[1]在炎炎夏日的午后，来海边游玩的小瑞发现沙滩很烫而海水却很清凉，这是因为海水的比热容较大，根据可知，在同样的光照下，吸收相同的热量，温度升高的慢。 [2]热值是燃料的性质，和燃料的种类、物态有关，灶台下干木柴燃烧的过程中，剩余干木柴的热值将不变。 【角度2】热值的相关计算 解答是要注意干木柴完全燃烧放出的热量完全被水吸收，从而建立等式关系Q放=Q吸。 【典例2】（2023·江苏泰州·一模）小明购买了某品牌的一盒薯片，部分参数如表所示。利用如图所示的实验器材估测热值.用天平分别测出3g薯片和100g的水，用温度计测出水的初温为22℃，将3g薯片放入燃烧皿中，待其燃尽后记下水的温度为72℃，则水吸收的热量为 J，初步估算一下薯片的热值为 J/kg。小明根据薯片盒上的数据也计算出其热值为 J/kg，两者相差很多，请你帮助他分析原因可能是（写出一条）： [已知水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）]。 营养成分表每份食用量：30g 项目 每份 能量 663000J 蛋白质 1.7g 脂肪 9.6g 【答案】；；；见解析。 【解析】[1]水吸收的热量为 Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)×0.1kg×(72℃-22℃)=2.1×104J [2]假设不计热量损失，则薯片燃烧放出的热量 Q放=Q吸=2.1×104J 由Q放=mq得，薯片的热值 [3]根据薯片盒上的数据计算出其热值为 [4]实验过程中，燃料燃烧产生的热量有部分散失在空气中，没有全部被水吸收，加热装置也会吸收一部分热量，因此两次计算出的薯片热值相差很多。 【变式2-1】（23-24九年级下·云南曲靖·阶段练习）人类在原始社会就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭。在现代社会，人类所用的能量一部分是燃烧天然气获得的。与柴薪燃料相比，天然气具有更高的 （选填“热值”或“比热容”）。某学校食堂每天需要用2m3的天然气，完全燃烧这些天然气产生的热量的42%被0.5t的水吸收，可以使初温为20℃的水升高 ℃。[，] 【答案】热值；20。 【解析】[1] 与柴薪燃料相比，天然气具有更高的热值，质量相同时完全燃烧可以放出更多的热量。 [2] 完全燃烧这些天然气产生的热量为 水吸收的热量为 水升高的温度为。 【变式2-2】（2024·陕西西安·模拟预测）如图所示为《天工开物》中铸造釜的情境，釜即铁锅，铸造时以生铁为原料，使用熔铁炉把生铁熔化成铁水，然后将铁水倾注到分为内外两层的模具里，待铁水凝固后，釜的铸造就完成了。 （1）釜的铸造过程是通过 方式改变其内能的。生铁熔化成铁水后，其分子热运动的剧烈程度 （选填“增大”“减小”或“不变”）； （2）将50kg、500℃的铁加热到700℃需要吸收的热量为 J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧 kg的木柴。[铁的比热容为0.46×103J/（kg⋅°C），木柴的热值为1.0×107J/kg] 【答案】热传递；不变；；0.46。 【解析】（1）[1]釜的铸造过程中，生铁熔化成铁水时从外界吸收热量，是通过热传递方式改变其内能的。 [2]温度越高，分子热运动越剧烈，铁是晶体，铁熔化成铁水后温度不变，其分子热运动的剧烈程度不变。 （2）[3]铁吸收的热量是 [4]完全燃烧木柴的质量为。 问题二：热机效率 【角度1】对热机效率的理解 对热机效率高的两种理解： （1）当燃烧相同的燃料时，效率高的做的功多； （2）当做的有用功相同时，效率高的消耗的燃料少。 【典例3】（2023·阿坝州）下列关于热值和热机效率的说法，正确的是（　　）。 A. 使燃料燃烧更充分，可以增大热值 B. 使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率 C. 柴油机的热机效率通常为100% D. 燃料燃烧释放的热量越大，热值越大 【答案】B。 【解析】A．热值是燃料的特性，与燃烧情况无关，故A错误； B．使燃料燃烧更充分，可以增大有效利用的能量，提高热机的效率，故B正确； C．任何机器的做功时都不可避免的做额外功，效率不可能达到100%，故C错误； D．热值是燃料的特性，与放出热量的多少无关，故D错误。故选B。 【变式3-1】（2023·日照）2023年5月28日，C919大型客机进行首次商业载客飞行，飞机的发动机选用航空煤油作为燃料，假如航空煤油的热值为，完全燃烧50kg航空煤油放出的热量为______J。山东五征集团生产的某型号农用拖拉机，为提高发动机的效率需要在______冲程让燃料充分燃烧。 【答案】①. ；②. 做功。 【解析】[1]根据可得，完全燃烧50kg航空煤油放出的热量为 [2]燃料燃烧是发生在发动机的做功冲程，因此为提高发动机的效率需要在做功冲程让燃料充分燃烧。 【变式3-2】（2023·潜江、天门、仙桃）一台单缸四冲程汽油机的飞轮转速为1200r/min，如图所示为它工作循环中的一个冲程。下列说法正确的是（ ）。 A. 汽油是化石能源 B. 该冲程为做功冲程 C. 该汽油机每秒对外做功20次 D. 热机的功率越大，效率就越高 【答案】AB。 【解析】A．汽油是动植物的遗体经过漫长的地质年代形成的，是化石能源，故A正确； B．如图，进气门、排气门关闭，火花塞点火，该冲程为做功冲程，故B正确； C．单缸四冲程汽油机的飞轮转速为1200r/min，每秒钟飞轮转20r，转两圈汽油机做一次功，该汽油机每秒对外做功10次，故C错误； D．热机的功率是单位时间做的功，效率等于有用功与燃料产生热量的比值，是两个不同的物理量，没有必然联系，故D错误。故选AB。 【角度2】热机效率相关计算 【典例4】（2023·鄂州）小勇同学购买了一款户外分体式燃气炉，准备去户外野炊，用该燃气炉烧水时，把初温为20℃的1kg水加热到100℃，燃烧了0.025m3天然气，则水吸收的热量为___________J，假设天然气完全燃烧，则燃气炉烧水的效率为___________。（天然气的热值为4×107J/m3） 【答案】①. 3.36×105；②. 33.6%。 【解析】[1]由Q=cmΔt可得，水吸收的热量为 Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)×1kg×(100℃-20℃)=3.36×105J [2]由题意可知，天然气完全燃烧释放的热量为Q放=4×107J/m3×0.025m3=1×106J 则燃气炉烧水的效率为。 【变式4-1】（2023·宜昌）近些年来，国家大力提倡开发各种绿色可再生能源，助力实现“碳达峰、碳中和”的战略目标。如图所示是宜昌某风电场，总装机容量5×104kW，年发电量9000万度。问： （1）该风电场年发电时间可达多少小时？ （2）如果火电站的发电效率为40%，要得到相同的电能，每年需要多少吨煤？（煤的热值为3.0×107J/kg） 【答案】（1）；（2）。 【解析】（1）年发电量W=9000万度=9×107kW⋅h 根据题意可得该风电场年发电时间为 （2）这些电能为 如果火电站的发电效率为40%，则煤燃烧放出的热量为 则需要完全燃烧煤的质量为。 答：（1）该风电场年发电时间可达；（2）如果火电站的发电效率为40%，要得到相同的电能，每年需要吨煤。 【变式4-2】（2023·荆州）某燃气热水器将20L的水从20℃加热到70℃，完全燃烧了0.21m3的煤气，水吸收的热量是______J，该燃气热水器烧水的效率是______。[已知水的比热容为，水的密度为，煤气的热值为] 【答案】①. 。②. 50%。 【解析】[1]水的质量为 水吸收的热量是 [2]煤气完全燃烧放出的热量为 该燃气热水器烧水的效率是。 【角度3】效率与功率 热机效率与功率的区别 热机效率 热机功率 定义 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 单位时间内做的功 物理意义 反映热机对能量的利用 反映热机做功的快慢 定义式 【典例5】（2023·兰州）一辆燃油汽车沿平直公路匀速行驶了108km，所用时间为1h，消耗汽油10kg，汽车在行驶过程中所受阻力恒为1380N（汽油的热值）。求： （1）汽车行驶的速度； （2）牵引力的功率； （3）汽车发动机的效率。 【答案】（1）108km/h；（2）4.14×104W；（3）32.4%。 【解析】（1）汽车行驶的速度 （2）汽车沿平直公路匀速行驶，牵引力和阻力是平衡力，牵引力F=f=1380N 牵引力的功率 （3）牵引力做的功W=Pt=4.14×104W×3600s=1.4904×108J 汽油完全燃烧放出的热量Q=mq汽油=10kg×4.6×107J/kg=4.6×108J 汽车发动机的效率。 答：（1）汽车行驶的速度是108km/h；（2）牵引力的功率是4.14×104W；（3）汽车发动机的效率是32.4%。 【变式5-1】（2023·锦州）我国道路交通安全规定，货车轮胎对地面的压强应控制在7×105Pa以内，王师傅的货车自身质量是6t．车轮与地面总接触面积是0.5m2。一次，王师傅开着装有24t沙子的货车在平直的公路上匀速行驶30km，货车受到的阻力是货车总重力的0.02倍，消耗柴油10kg。（g取，）求： （1）通过计算判断装有沙子的货车静止时，对水平地面的压强是否符合安全规定？ （2）这一过程中货车牵引力所做的功是多少？ （3）这一过程中货车发动机的效率是多少？（计算结果精确到1%） 【答案】（1）符合安全规定；（2）；（3）。 【解析】（1）汽车和沙子的质量分别为， 车和沙子的总质量为 因为在平直公路行驶，故压力等于重力，压力大小为 车轮与地面总接触面积是0.5m2，汽车对地面的压强为 故汽车对水平地面的压强是否符合安全规定； （2）车辆匀速直线行驶的距离为 货车受到的阻力是货车总重力的0.02倍，故汽车的牵引力为 故牵引力所做的功为 （3）10kg柴油完全燃烧放出热量为 故货车发动机的效率为。 答：（1）通过计算判断装有沙子的货车静止时，对水平地面的压强符合安全规定；（2）这一过程中货车牵引力所做的功是1.8×108J；（3）这一过程中货车发动机的效率是42%。 【变式5-2】（2024·河南新乡·二模）春节期间，各地社火表演风行，表现形式多样有趣，不仅寓意着老百姓祈求风调雨顺、 五谷丰登、国泰民安的美好愿景，还承载着传承历史文化、弘扬民族精神等重要功能， 是国家非物质文化遗产代表性项目。如图是社火中的“抬阁”表演，底部是一辆可遥  控的电动小车，车上固定有支架，小车和支架总质量为100kg，支架上三位小演员总质 量为75kg， 小车的轮子与地面的总接触面积为100cm²， 小车匀速行驶时，受到地面的摩 擦力为总重的，从集合地点到表演场地距离为1km，耗时15min，小车消耗电能2.5×105J，g取10N/kg，求： （1）小车从集合地点到表演场地匀速行驶的速度； （2）小车到达表演场地静止于水平地面时，对地面的压强； （3）小车匀速行驶1km，牵引力做的功； （4）电动小车的效率。 【答案】（1）4km/h；（2）1.75×105Pa；（3）1.75×105J；（4）70%。 【解析】（1）小车行驶的时间t=15min=0.25h 小车行驶的速度 （2）小车、支架和小演员的总质量m=100kg+75kg=175kg 它们的总重力 G=mg=175kg×10N/kg=1750N 小车对地压力F=G=1750N 小车轮子与地面接触面积 S=100cm²=0.01m² 小车对地面的压强 （3）小车匀速行驶时，受到的牵引力 牵引力做的功 W=Fs=175N×1000m=1.75×105J （4）电动小车的效率。 答：（1）小车从集合地点到表演场地匀速行驶的速度为4km/h；（2）小车到达表演场地静止于水平地面时，对地面的压强为1.75×105Pa；（3）小车匀速行驶1km，牵引力做的功为1.75×105J；（4）电动小车的效率为70%。 问题三：热值、比热容与热机效率综合 （1）物质吸热时，利用比热容的概念计算吸收的热量； （2）物质燃烧时，利用热值概念计算发出的热量； （3）根据热机效率的概念计算待求物理量。 【典例6】（2024·山东临沂·一模）2024年2月27日，电动垂直起降航空器（cVTOL）“盛世龙”从广东深圳蛇口邮轮母港起飞，以巡航速度飞行约20分钟，降落在珠海九洲港码头。这次试飞成功，意味着深圳至珠海单程2.5至3小时的地面车程，可以缩短到20分钟。“盛世龙”最大起飞质量2000kg，可载5人，巡航速度200km/h，核心模组100％国产化，预计将于2026年开启载人飞行。求： （1）“盛世龙”号从深圳到珠海的飞行路程大约是多少千米？（保留一位小数） （2）若其以最大起飞质量停在水平地面时与地面的总接触面积是，则地面承受的压强是多少？ （3）“盛世龙”号达最大起飞质量时垂直上升到500米高空克服重力做了多少功？若这些能量完全由燃烧汽油来获得，相当于完全燃烧汽油多少千克？（已知汽油热值，g取，保留一位小数） 【答案】（1）66.7；（2）40000；（3）， 0.2。 【解析】（1）由得，“盛世龙”号从深圳到珠海的飞行路程 （2）对地面的压力是 “盛世龙”号对地面的压强为 （3） “盛世龙”号垂直上升到500米高空克服重力做功为 若这些能量完全由燃烧汽油来获得，则有 由得，需要完全燃烧汽油的质量为。 答：（1）“盛世龙”号从深圳到珠海的飞行路程大约是；（2）“盛世龙”停在水平地面时，地面承受的压强是40000；（3）“盛世龙”号垂直上升到500米高空克服重力做功为；需要汽油的质量约为0.2。 【变式6-1】（2024·湖北黄冈·模拟预测）2023年5月，我国首座深远海浮式风电平台“海油观澜号”成功并网投产（如图甲）。“海油观澜号”排水总重达11000吨，通过9根锚链系泊固定在水深120米的海洋深处。（g取，） （1）求“海油观澜号”所受的浮力； （2）“海油观澜号”投产后风机年均发电量将达2200万千瓦时，若按发电效率22％来计算，则每年可节约多少焦炭； （3）已知通过风机叶片的空气动能与其质量成正比，且空气的动能W与速度v的关系如图乙所示。若风速为时，空气的密度为），平均每秒通过叶片的空气动能为，试估算风机叶片的扫风面积为多大？ 【答案】（1）；（2）；（3）。 【解析】（1）由题意可得，“海油观澜号”排开海水的质量为 它受到的浮力为 （2）风机年均发电量 由可得，焦炭完全燃烧放出的热量 需要焦炭的质量 （3）由图像可知，风速为时，空气的动能为，则平均每秒空气动能为时，通过叶片的空气质量为 平均每秒通过叶片的空气体积为 风速为，表示每秒空气运动的距离为，故叶片的扫风面积为 。 答：（1）“海油观澜号”所受的浮力为；（2）投产后每年可节约焦炭；（3）风机叶片的扫风面积约为。 【变式6-2】（2024九年级下·辽宁大连·专题练习）如图所示是正在耕作的稻田插秧机，它匀速直线行驶时对水平地面的压力为，受到的阻力为，车轮与地面的总接触面积为。若插秧机以0.4m/s的速度匀速直线行驶5000m，并在前进过程中同时进行插秧。若插秧时所做的功和前进时牵引力所做的功均视为有用功，且大小相同。（柴油热值取）求： （1）插秧机匀速行驶时，对水平地面的压强。 （2）插秧机匀速行驶时，牵引力做功的功率。 （3）若发动机的效率为40%，这一过程中插秧机所消耗的柴油为多少kg？ 【答案】（1）1.25×104Pa；（2）1600W；（3）2.5kg。 【解析】（1）插秧机匀速行驶时，对水平地面的压强 （2）插秧机匀速行驶时，牵引力与受到的阻力是一对平衡力，根据二力平衡条件可知，牵引力的大小F牵=f=4×103N 插秧机匀速行驶时，牵引力做功的功率 （3）牵引力所做的功W=F牵s=4×103N×5000m=2×107J 插秧时所做的功和前进时牵引力所做的功均视为有用功，且大小相同，所以 W有=2W=2×2×107J=4×107J 消耗的柴油完全燃烧放出的热量 柴油的质量。 答：（1）插秧机匀速行驶时，对水平地面的压强为1.25×104Pa；（2）插秧机匀速行驶时，牵引力做功的功率为1600W；（3）若发动机的效率为40%，这一过程中插秧机所消耗的柴油为2.5kg。 问题四：探究实验-燃料的热值 【典例7】（2024·辽宁·一模）在比较煤油和酒精燃烧放出热量多少的实验中，采用如图所示的实验装置。 （1）本实验中，除如图所示的器材外，还需要的测量工具是停表和 ； （2）准备煤油和酒精时，必须要控制它们的 相等； （3）燃料燃烧完毕，通过比较两烧杯中的水 ，来比较煤油和酒精放出热量的多少，这种方法叫做 ； （4）既然用两烧杯中的水来衡量煤油和酒精放出的热量，所以，也要控制两杯水的 和 相同。 【答案】天平；质量；升高温度的多少；转换法；质量；初温。 【解析】（1）[1]根据题意知道，要控制不同物质的质量相同，故除了图甲、乙中所示的器材外，还需要的测量工具有秒表和天平。 （2）[2]由控制变量法知道，准备煤油和酒精时，必须要控制它们的质量相等，然后比较燃烧放出热量多少。 （3）[3][4]由实验目的知道，燃料燃烧完毕，通过比较两烧杯中的水升高的温度，来比较煤油和酒精放出热量的多少，这种方法叫做转换法。 （4）[5][6]由于用两烧杯中的水升高温度的多少，来衡量煤油和酒精放出的热量，所以，也要控制两杯水的质量和初温相同。 【变式7-1】（23-24九年级上·广东珠海·期末）如图所示，小明用甲、乙、丙三套完全相同的装置，完成“比较不同物质的吸热本领”和“不同燃料的热值”两个热学实验： （1）安装实验器材时，小明应按照 （选填“自上而下”或“自下而上”）的顺序进行；为了完成这两个实验，除了用完全相同的烧杯，还分别装入 和初温均相等的水和煤油。 （2）为了比较水和煤油的吸热本领，小明应选择甲、丙两套装置，通过 （选填“加热时间”或“温度计示数变化”）来比较水和煤油吸收热量的多少；为了比较不同燃料的热值，小明选择 两套装置。 （3）小明认为，燃料完全燃烧放出的热量 （选填“大于”“等于”或“小于”）液体吸收的热量，原因是 （写出一种即可）。 （4）总结实验结论后，小明认为，沿海地区海陆风的形成与“地面和海水的吸热本领不同”有关，如图丁、戊所示是海陆风形成的示意图，其中 （选填“丁”或“戊”）图反映白天海风的形成。 【答案】自下而上；质量；加热时间；乙、丙；大于；存在热量损失；戊。 【解析】（1）[1]为了方便实验操作，保证用酒精灯的外焰加热，安装实验器材应该自下而上。 [2]为了比较物质的吸热能力，应该控制不同液体的质量和初温相同，加热相同的时间，比较升高的温度，温度升高越多的则吸热能力越弱；为了比较燃料的热值，控制同种液体的质量和初温相同，当质量相同的燃料完全燃烧后，比较液体升高的温度，升高的温度越高，吸收的热量越多，燃料的热值越大。 （2）[3]为了比较水和煤油的吸热本领，小明应选择甲、丙两套装置，相同加热时间吸收的热量相同，通过加热时间来比较吸收热量的多少。 [4]为了比较不同燃料的热值，应该选择燃料不同、相同液体的装置，比较相同液体升高的温度，要选择乙、丙两套装置。 （3）[5][6]由于热量损失和燃料不能完全燃烧，液体吸收的热量会少于燃料完全燃烧放出的热量。 （4）[7]沙子的吸热能力比水的吸热能力差，白天时，陆地的温度高于海水的温度，所以陆地上的热空气上升，海上的空气来补充，从而形成了海风。故应选戊图。 【变式7-2】（23-24九年级上·河南南阳·阶段练习）如图所示，探究不同物质吸热升温的现象，其中燃料的质量都为10g。 （1）实验中使用的实验方法有 和 ； （2）实验过程中使用玻璃棒（未画出）不断搅拌的作用是 ； （3）为探究不同物质吸热升温的现象，应该选用 两个装置进行实验，并且应使液体a和液体b 相同； （4）燃料1为酒精，酒精的热值为3.0×107J/kg，物理意义是 。经过实验，发现计算得出酒精的热值与课本数据不符合，原因是 。 【答案】控制变量法；转换法；使物质受热均匀；甲、丙；质量和初温；1kg酒精完全燃烧放出的热量是3.0×107J；见解析。 【解析】（1）[1][2]探究不同物质吸热升温的现象时，需要控制质量和升高的温度相同，或者控制质量和吸收的热量相同，使用了控制变量法；该实验将吸收的热量转化为加热时间，运用了转换法。 （2）[3]用玻璃棒不断搅拌是为了使物质受热均匀。 （3）[4][5]为探究不同物质吸热升温的现象，应该选用相同的酒精灯加热质量和初温相同的液体a和液体b，所以需要甲、丙两个装置进行实验。 （4）[6]酒精的热值为3×107J/kg，它的物理意义是：1kg酒精完全燃烧放出的热量是3×107J。 [7]由于存在热损失，酒精不能完全燃烧，酒精燃烧放出的热量不能全被液体吸收，使得热量值偏小，由可知测量的热值偏小。 【基础强化】 1. （2023·岳阳）2023年5月30日神舟十六号载人飞船发射取得圆满成功。下列说法正确的是（　　）。 A. 飞船通过电磁波与地面传递信息 B. 飞船加速升空时机械能减小 C. 火箭使用热值小的燃料 D. 飞船升空时相对地面是静止的 【答案】A。 【解析】A．电磁波的传播不需要介质，因此飞船是通过电磁波与地面传递信息，故A正确； B．飞船加速升空时，速度增大动能增大，高度升高重力势能增大，因此机械能增大，故B错误； C．为了减小火箭的自重，火箭使用热值大的燃料可有效减少携带燃料的重，故C错误； D．飞船升空时相对地面位置发生了变化，因此是运动的，故D错误。 故选A。 2. （2023·赤峰）轿车行驶过程中，油箱中汽油逐渐减少，剩余汽油的热值、密度变化情况为（ ）。 A. 热值不变，密度不变 B. 热值不变，密度变小 C. 热值变小，密度不变 D. 热值变小，密度变小 【答案】A。 【解析】热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧等因素无关，所以油箱中汽油逐渐减少，热值不变。密度也是物质的一种特性，只与物质的种类、状态有关，与物质的质量、体积等因素无关，所以油箱中汽油逐渐减少，密度不变。故A符合题意，BCD不符合题意。 故选A。 3. （2023·通辽）在学校科技节活动中，小明用饮料瓶自制了火箭模型，如图所示，他在瓶子的内侧壁安装了一个遥控电火花发生器，按下按钮会产生电火花。演示时从瓶口喷入雾状酒精并盖上锥形纸筒，按动电火花发生器的按钮，纸筒立即飞出，关于此过程分析正确的是（　　）。 A. 纸筒飞出后瓶内气体的内能减少，温度降低 B. 能闻到酒精的气味是因为分子间存在斥力 C. 酒精不完全燃烧时热值变小 D. 燃气推动纸筒飞出的过程相当于内燃机的压缩冲程 【答案】A。 【解析】A．气体对纸筒做功，纸筒飞出，瓶内气体内能减小，温度降低，气体内能转化为纸筒的机械能，故A正确； B．能闻到酒精的气味说明酒精分子在永不停息地做无规则运动，故B错误； C．热值是燃料的一种特性，其大小只与燃料的种类有关，与燃料是否充分燃烧无关，所以酒精不全燃烧时热值不变，故C错误； D．燃气推动纸筒飞出去，将内能转化为机械能，而内燃机的做功冲程也将内能转化机械能，因此燃气推动纸筒飞出的过程相当于内燃机的做功冲程，故D错误。 故选A。 4. （2023·衡阳）燃气热水器将质量为30kg、温度为15℃的水加热到65℃，消耗天然气，在此过程中水吸收的热量是___________J，热水器烧水时的效率是___________ [；] 【答案】①. 6.3×106；②. 87.5%。 【解析】[1]水吸收的热量 Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×30kg×(65℃-15℃)=6.3×106J [2]天然气完全燃烧释放的热量Q放=Vq天然气=0.18m3×4×107J/m3=7.2×106J 热水器烧水时的效率。 5. （2023·宿迁）反复弯折铁丝，铁丝弯折处会很烫，铁丝内能是通过________（选填“热传递”或“做功”）的方式增加，此能量的转化与四冲程汽油机的________冲程相同。某汽车百公里耗油5kg，这些汽油完全燃烧可放出的热量是________J。（q汽油=4.6×107J/kg） 【答案】①. 做功；②. 压缩；③. 。 【解析】[1]反复弯折铁丝是通过做功的方式使铁丝的内能增加，此过程是机械能转化为内能。 [2]四冲程汽油机的压缩冲程中活塞对燃料混合物做功，使燃料混合物的内能增加，是机械能转化成内能。 [3] 某汽车百公里耗油5kg，这些汽油完全燃烧可放出的热量 。 6. （2023·扬州）如图所示，在估测薯片热值的实验中，小军设计了两种对水加热的方式： 方式一：薯片在烧杯中燃烧； 方式二：薯片在燃烧皿中燃烧。 （1）两种加热方式中合理的是______；在进行实验时，要让薯片充分燃烧，操作是______； （2）用天平量取水，并测出一片薯片的质量，用以上选取的方式燃尽薯片，并用温度计测出水升高的温度，所测出的薯片热值偏______，原因是______。 【答案】①. 方式二；②. 把薯片碾碎；③. 小；④. 薯片燃烧放出的热量没有被水全部吸收。 【解析】（1）[1]由于热空气上升，方式一中薯片燃烧产生的热量很大一部分损失到空气中，导致结果不准，所以两种加热方式中合理的是方式二。 [2]把薯片碾碎，增大了与空气的接触面积，可以使薯片充分燃烧。 （2）[3][4]由于薯片不能完全燃烧，且燃烧放出的热量不能全部被水吸收，导致水升高的温度偏低，计算出的热量偏小，根据公式可知，所测出的薯片热值偏小。 【素养提升】 7.（2023·成都）小美在老师指导下进行了以下实验：甲、乙两烧杯各装100g水，用酒精灯加热甲烧杯，煤油灯加热乙烧杯，直至杯内水沸腾1分钟即熄灭该灯，测得消耗酒精4g、煤油2.5g。她根据实验数据绘制了水温与加热时间关系的图像（如图）。若水沸腾前质量不改变，同一杯水沸腾前后单位时间内吸收的热量相等，，，，则下列说法正确的是（　　）。 A. 整个过程，甲杯中的水吸收的热量更多 B. 前3分钟，乙杯中的水吸收的热量为 C. 消耗的煤油完全燃烧放出的热量为 D. 酒精灯加热的效率为28% 【答案】B。 【解析】A．由题意，由于甲、乙两烧杯各装水的质量相等，水的初始温度相同，根据可知水沸腾前，两杯水吸收的热量相等，为 且同一杯水沸腾前后单位时间内吸收的热量相等，则整个过程甲、乙两杯水所吸收的热量分别为 所以整个过程，乙杯中的水吸收的热量更多，故A错误； B．由图可得，3分钟时乙杯中的水恰好沸腾，则吸收的热量为 故B正确； C．整个过程消耗的煤油完全燃烧放出的热量为 故C错误； D．在整个过程中，燃烧4g酒精所释放的热量为 可得酒精灯加热的效率为 故D错误。故选B。 8. （2023·枣庄）为全面推进“乡村振兴”工程，加快农业农村绿色发展，我市部分农村地区已经使用上了天然气烧水煮饭。小明同学用他家的天然气灶将质量为2kg，初温为20℃的水加热到100℃，水吸收的热量是__________J；消耗了0.03m3的天然气，则此天然气灶的热效率为__________。【水的比热容c=4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值q=7.0×107J/m3】 【答案】①. 6.72×105；②. 32%。 【解析】[1]由题意及比热容公式可得，水吸收的热量为 [2]由题意可得，0.03m3的天然气完全燃烧所产生的热量为 Q总=qV=7×107J/m3×0.03m3=2.1×106J 则热效率为。 9. （2023·南充）某单缸四冲程汽油机，飞轮每分钟转3000转，则每秒对外做功_______次，每次对外做功115J，该汽油机的效率为25%，连续工作1小时需消耗汽油________kg（q汽油=4.6×107J/kg）。 【答案】①. 25；②. 0.9。 【解析】[1]飞轮每转动两转，完成四个冲程，对外做功一次。飞轮每秒的转速 每秒对外做功25次。 [2]工作1h时，飞轮对外做功 消耗汽油放出的热量 消耗汽油的质量。 10．（23-24九年级上·河南安阳·期末）实验小组利用如图甲所示的装置探究“水沸腾前后温度变化的特点”。 （1）实验中某时刻温度计的示数如图甲所示，此时水温是 ℃； （2）图乙是小明绘制的温度随时间变化的图像，分析图像可知水沸腾时温度 ； （3）如图丙所示，这是实验过程中观察到水中气泡上升过程的其中一种情况，此时水处于 （选填“沸腾前”或“沸腾时”）的状态； （4）小组中两名同学选用的实验装置相同，他们绘制的水的温度随时间变化图像如图丁所示，造成图像不同的原因是水的 不同； （5）小明利用图甲装置测量酒精的热值。测出酒精燃烧的质量和烧杯中水的质量，记录水升高的温度，从比热容表中查得水的比热容，利用公式Q＝cmΔt算出了水吸收的热量，然后再利用公式计算出了酒精的热值。你认为他的计算结果 （选填“可靠”或“不可靠”），理由是 （写出一条即可）。 【答案】93；（保持）不变；沸腾时；质量；不可靠；酒精燃烧放出的热量不能被水完全吸收（或酒精不能完全燃烧）。 【解析】（1）[1]如图甲，温度计的分度值为1℃，由液面位置可知此时水温为93℃。 （2）[2]水沸腾后温度保持为99℃不变，故水沸腾时温度保持不变。 （3）[3]沸腾时，水蒸气不断进入气泡，使气泡变大，所以上方气泡大，故此时水处于沸腾时的状态。 （4）[4]如图丁，a比b温度上升快，是因为a的水质量小。 （5）[5][6]因为酒精不能完全燃烧，且酒精燃烧放出的热量不能被水完全吸收等原因，他的计算结果会偏小，不可靠。 【能力培优】 11．（23-24九年级上·甘肃兰州·期末）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。如图所示是某热机工作过程的“能流图”，请根据图示信息回答以下问题： （1）该热机能量耗散的主要渠道是什么？ （2）请结合能流图谈一谈如何有效地利用能量，减少热量的耗散。 【答案】（1）废气带走热量；（2）见解析。 【解析】（1）由图可知，废气带走的热量占燃料完全燃烧释放能量的36%，在能量耗散中占比最大，所以该热机能量耗散的主要渠道是废气带走热量。 （2）由图可知，废气带走热量最多，所以可以通过设法利用废气的能量的方式减少热量的散失；也通过减少摩擦耗能的方式减少能量的散失。 12. （2023·陕西A）在标准大气压下，使用煤气灶将2kg的水从20℃加热到100℃，水吸收的热量是____________J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧_________kg的煤气，这是通过__________的方式增加了水的内能。未使用完的煤气的热值___________（选填“变大”“变小”或“不变”）［水的比热容，煤气的热值］ 【答案】①. ；②. ；③. 热传递；④. 不变。 【解析】[1]由题意知，根据得，将2kg水从20℃加热到100℃，水吸收的热量为 [2]由题意可知，若不计热量损失，则 由可得，需要完全燃烧的煤气质量为 [3]水变热，水吸收热量、内能增大，是通过热传递改变物体的内能。 [4]燃料的热值是燃料自身的一种性质，与它是否完全燃烧没有关系，若煤气燃烧不充分，其热值不变。 13．（2024·河南周口·二模）河南省是我国小麦第一生产大省，种植面积连续5年稳定在8500万亩以上，洛阳生产的“东方红”无人驾驶拖拉机在农业生产中深受农民喜爱。如图所示，该拖拉机的质量为1.5吨，与水平地面的总接触面积为。（g取10N/kg，） （1）拖拉机静止时对水平地面产生的压强是多少？ （2）若拖拉机在平直路面匀速行驶时受到的阻力为拖拉机总重的0.2倍， 行驶4.3km消耗柴油0.75kg， 那么柴油机的热效率为多少？ （3）拖拉机以额定功率工作时，在平直公路上的行驶速度大于在平直耕地上的行驶速度，试分析主要原因。 【答案】（1）；（2）40%；（3）见解析。 【解析】（1）拖拉机静止在水平地面时，对地面产生的压力 拖拉机静止在水平地面时，对地面产生的压强 （2）因为在水平地面上匀速直线运动，据二力平衡原理可知，拖拉机牵引力 柴油机的热效率 （3）因为拖拉机平直耕地受到的阻力比平直公路的大，所以拖拉机在平直耕地上的牵引力大，由得，拖拉机输出功率一定，牵引力越大，速度越小，因此，在平直公路上的行驶速度大于在平直耕地上的行驶速度。 答：（1）拖拉机静止在水平地面时，对地面产生的压强为；（2）柴油机的热效率为40%；（3）拖拉机输出功率一定，牵引力越大，速度越小，因此，在平直公路上的行驶速度大于在平直耕地上的行驶速度。 14．（23-24九年级下·江苏南京·阶段练习）如图是一款太阳能和其它能量混合驱动汽车，车身上装载了5m2的太阳能电池板，用于给蓄电池充电或直接作为动力源。已知太阳能电池板每小时1m2接收的太阳能为6×106J，已知太阳能转化为电能的效率为25%，该汽车利用电能行驶时，电动机的将电能转化为机械能的效率为80%。 （1）若驾驶该车通过一长为18000m的隧道，用时12min，则该车速度是多少km/h? （2）若该车以36km/h匀速行驶时，所受阻力为1200N，则该车的电动机输出功率多大? （3）利用6h的正常日照获得的太阳能使该车以36km/h匀速行驶，该车能行驶多少路程? 【答案】（1）90km/h；（2）1.2×104W；（3）3×104m 【解析】（1）由题意可知，18000m=18km，12min=0.2h 所以该车的速度为 （2）由题意可知，36km/h=10m/s 汽车匀速行驶，由二力平衡可知其在水平方向上电动机输出的拉力与其受到的阻力相等，即 F拉=F阻=1200N 所以该车的电动机的输出功率为P输出=F拉v=1200N×10m/s=1.2×104W （3）由题意可知，太阳能电池板接受到的太阳能为W1=5×6×6×106J=1.8×108J 其转化成的电能为W电=η1W1=25%×1.8×108J=4.5×107J 电能经过电动机转化成的机械能为W机=η2W电=80%×4.5×107J=3.6×107J 这些机械能能够支持电动机在该车36km/h匀速行驶的情况下行驶的时间为 所以汽车能够行驶的路程为s=vt=10m/s×3000s=3×104m。 答：（1）汽车的速度是90km/h；（2）该车的电动机输出功率是1.2×104W；（3）汽车能够行驶的路程是3×104m。 ( 12 )原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$