暑假辅导讲义：12.4 机械能与内能的相互转化-2023-2024学年苏科版物理九年级上册

12.4 机械能与内能的相互转化 姓名：_________________ 日期：_____月______日 等第___________ 【知识讲解】 一、做功改变内能 1、对物体做功，物体内能增加，温度升高，机械能转化为内能； 2、物体对外做功，物体内能减少，温度降低，内能转化为机械能。火箭就是利用内能转化为机械能冲出地球飞向浩瀚太空的。 3、实例：点火爆炸、打气筒发热、摩擦生热、钻木取火、搓手取暖等。 二、热机 1、概念：热机是热力发电机的简称，它是将染料燃烧产生的高温、高压燃气的内能转化为机械能的装置。 2、能量转化：将内能转化为机械能 3、热机种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等 4、内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机称为内燃机，内燃机分为汽油机和柴油机两大类。 5、汽油机的工作原理 ①冲程：汽油机工作是活塞在汽缸里做往复运动，活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程叫做冲程。汽油机一个工作循环包括四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程及排气冲程。 ②能量转化过程：压缩冲程-机械能转化为内能；做功冲程-内能转化为机械能。 ③做功次数：汽油机的一个工作循环，曲轴旋转两圈，做功一次。 典型例题：关于内能，有以下四个观点，你认为正确的是（　　） ①热机在做功冲程中内能转化为机械能 ②物体温度越低，内能越小，所以0℃的物体没有内能 ③两物体相互接触时，热量总是从内能大的物体转移到内能小的物体 ④改变物体内能的方法有很多，但本质上只有做功和热传递两种方式 A．①②  B．②③ C．①④  D．③④ 三、热机的效率 1炉子的效率 （1）定义：炉子有效利用的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比。 （2）公式：η=Q有效/ Q总= cm(t-t0)/ qm′ 2热机的效率 （1）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，叫做热机的效率。 （2）公式：η=W有用／Q总。 （3）意义：热机效率是反映热机工作时，燃料利用率的物理量。 （4）大小：由于热机工作时，不可避免的要有能量损失，所以热机效率总小于1。 （5）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。 典型例题：关于热机的效率，下列说法正确的是（　　） A．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高 B．热机的效率越高，在做功同样多的情况下消耗的能量越多 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 四、燃料的热值及其简单计算 1、燃料燃烧释放能量：燃料燃烧的过程是将燃料的化学能转化为内能的过程。 2、燃料的热值： （1）定义：1㎏某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值。热值的单位是J/㎏或J/m³. （2）物理意义：质量相同的不同燃料燃烧时，所放出的热量是不同的，即不同燃料燃烧时，释放热量的能力是不同的。在物理学中用燃料的热值来表示燃料燃烧时释放热量的不同，所以热值是反映燃料燃烧特性的物理量。 3、燃料燃烧时放出热量的计算 由热值的定义知：质量为m，热值为q的燃料完全燃烧时，放出的热量的计算公式是：Q=mq，式中m的单位为㎏；q的单位为J/㎏，则Q的单位为J。注意： ①若燃料为气体，则体积为V，热值为q的燃料完全燃烧时，放出的热量的计算公式是Q=Vq，式中V的单位是m³；q的单位是J/m³，则Q的单位为J。 ②利用公式Q=mq或Q=Vq计算出的热量是燃料完全燃烧时放出的热量，实际燃烧时所放出的热量要小于用公式Q=mq或Q=Vq计算出的热量，因为在实际燃烧时，很难做到让燃料完全燃烧。 典型例题：天然气已经被广泛利用，它是一种　   　（选填“可”或“不可”）再生能源，完全燃烧0.07m3天然气释放的热量为　   　J，若这些热量的30%被水吸收，可以将4kg的水由20℃加热到　   　℃．[q天然气=4×107J/m3，c水=4.2×103J/（kg•℃）] 五、考题再现 习题1：如图所示是汽油机工作时，做功冲程示意图，下列说法正确 的是（　　） A．该冲程中活塞往复运动两次 B．该冲程是机械能转化为内能 C．该冲程是内能转化为机械能 D．随着汽油的燃烧，汽油的热值会减小 习题2：小明用煤气灶烧水时，进行了如下思考，正确的是（　　） A．煤气燃烧越充分，其热值越大 B．加热过程中水的比热容变大 C．壶内水温度升高的过程中内能增大 D．水沸腾过程中吸收热量，温度不断升高 习题3：天然气热水器将40kg的水由22℃加热到42℃，水的内能增加了　   　J，水的内能增加是通过　   　方式实现的，若天然气燃烧放出的热量有84%被水吸收，需要消耗　   　kg的天然气。已知c水=4.2×103J/（kg•℃），q天然气=4×107J/kg。 习题4：质量为50kg的水温度从20℃升高到50℃吸收的热量是　   　J，这些热量如果完全由煤气燃烧来提供，至少需　   　kg的煤气。（水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），煤气的热值4.2×107J/kg）。 习题5：四冲程内燃机的工作过程由吸气冲程，压缩冲程，做功冲程，排气冲程组成，如图所示是内燃机的　   　冲程，一台某型号单缸四冲程汽油机的飞轮转速是1200r/min，则汽油机每秒钟对外做功　   　次。 习题6：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； ②某一烧杯中装中200g、30℃的水，如果水吸收了6.3×104J的热量，在标准大气压下，水温升高　   　℃．（水的比热容为4.2×103J/（kg•℃）） ③如果②问中是用酒精作为燃烧加热，要燃烧4.2g的酒精，则加热效率为　   　（酒精的热值为3×107J/kg）。 六、巩固练习 1、如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同．燃料的质量相同，烧杯内的液体质量和初温也相同．下列说法正确的是（   ） A. 比较不同液体的比热容，可以选择甲、丙两图 B. 比较不同液体的比热容，可以选择乙、丙两图 C. 比较不同燃料的热值，可以选择甲、丙两图 D. 比较不同燃料的热值，可以选择乙、丙两图 2、如图所示为生活中常用的热水瓶，其外壁采用镀银的双层玻璃，并将中间抽成真空，这是为了减少___________，注入一定量的热水后，立即盖上软木塞，软木塞会跳起来，这一过程中瓶内气体的________能转化为软木塞的_________能，汽油机的_________冲程也发生同样的能量转化．如果一台单缸四冲程汽油机每秒对外做功15次，则飞轮转速是__________R/min； 3、我市城区正在进行天然气工程，有人表示赞同，有人表示反对，小宇同学收集如下两组有关数据： 燃料 热值q/J•m-3 价格/元•m-3 每户月平均用气量/m3 更换灶具费用/元 煤气 约4×107 9 6 0 天然气 约8×107 15 ________ 70 （1）将表格数据填写完整； （2）从环保角度考虑，小宇家应该选择使用_____________（选填“煤气”或“天然气”），推荐的理由是________________________________________； （3）从经济角度考虑，小宇家应该选择使用_____________（选填“煤气”或“天然气”）． 4、如图甲所示，1标准大气压下，普通煤炉把壶内20℃，5kg水烧开需完全燃烧一定质量的煤，此过程中，烧水效率为28%，为提高煤炉效率，创意小组设计了双加热煤炉，如图乙所示，在消耗等量煤烧开壶内初温相同，等量水的过程中，还可额外把炉壁间10kg水从20℃加热至40℃，煤的热值为3×107J/kg,求： （1）壶内20℃，5kg水烧开需要吸收多少热量？ （2）让上述水烧开，普通煤炉完全燃烧煤的质量有多大？ （3）双加热煤炉的烧水效率有多大？ 5、如图所示,我国自主研发的第四代重型隐身战斗机“歼一20”,该机最大起飞质量为37t,最大飞行高度达20000m,最大航行速度达2.5倍声速(合3060 km/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。 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5×107J/kg.求: (1)完全燃烧10t航空燃油放出的热量。 (2)当飞机以400m/s的速度匀速巡航时，飞机发动机的输出功率。 (3)若在飞机油箱中加满燃油,并且以500 m/s的速度匀速巡航时，飞机的最大航程。 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 1 学科网（北京）股份有限公司 $$ 12.4 机械能与内能的相互转化 姓名：_________________ 日期：_____月______日 等第___________ 【知识讲解】 一、做功改变内能 1、对物体做功，物体内能增加，温度升高，机械能转化为内能； 2、物体对外做功，物体内能减少，温度降低，内能转化为机械能。火箭就是利用内能转化为机械能冲出地球飞向浩瀚太空的。 3、实例：点火爆炸、打气筒发热、摩擦生热、钻木取火、搓手取暖等。 二、热机 1、概念：热机是热力发电机的简称，它是将染料燃烧产生的高温、高压燃气的内能转化为机械能的装置。 2、能量转化：将内能转化为机械能 3、热机种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等 4、内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机称为内燃机，内燃机分为汽油机和柴油机两大类。 5、汽油机的工作原理 ①冲程：汽油机工作是活塞在汽缸里做往复运动，活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程叫做冲程。汽油机一个工作循环包括四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程及排气冲程。 ②能量转化过程：压缩冲程-机械能转化为内能；做功冲程-内能转化为机械能。 ③做功次数：汽油机的一个工作循环，曲轴旋转两圈，做功一次。 典型例题：关于内能，有以下四个观点，你认为正确的是（　　） ①热机在做功冲程中内能转化为机械能 ②物体温度越低，内能越小，所以0℃的物体没有内能 ③两物体相互接触时，热量总是从内能大的物体转移到内能小的物体 ④改变物体内能的方法有很多，但本质上只有做功和热传递两种方式 A．①②  B．②③ C．①④  D．③④ 【分析】①内燃机的四个冲程中，压缩冲程活塞压缩燃料混合物做功，将机械能转化为内能；做功冲程高温高压的燃气推动活塞向下运动，将内能转化为机械能； ②内能是物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和，一切物体都有内能，内能的大小跟温度、质量、状态有关； ③热传递的条件是物体之间有温度差，高温物体将能量向低温物体传递，直至各物体温度相同； ④做功与热传递在改变物体的内能的效果上是等效的，但从能的转化观点来看它们的区别在于：做功是其他形式的能转化为内能，能量的形式没有变化；热传递则是内能在物体间发生转移。 【解答】解：①做功冲程中高温高压的燃气推动活塞向下运动，将内能转化为机械能，故①正确；②一切物体在任何温度下都具有内能，所以0℃的物体仍具有内能，故②错误；③发生热传递的条件是：有温度差，所以内能可自动地从高温物体转移到低温物体，故③错误；④改变物体内能的方法有很多，但本质上只有做功和热传递两种方式，它们在改变内能能达到相同的效果，故④正确。故选：C。 【点评】本题是一道热学综合题，主要考查学生对内能、热传递的条件及改变物体内能方法的理解，是中招的热点，热学的重点。 三、热机的效率 1炉子的效率 （1）定义：炉子有效利用的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比。 （2）公式：η=Q有效/ Q总= cm(t-t0)/ qm′ 2热机的效率 （1）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，叫做热机的效率。 （2）公式：η=W有用／Q总。 （3）意义：热机效率是反映热机工作时，燃料利用率的物理量。 （4）大小：由于热机工作时，不可避免的要有能量损失，所以热机效率总小于1。 （5）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。 典型例题：关于热机的效率，下列说法正确的是（　　） A．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高 B．热机的效率越高，在做功同样多的情况下消耗的能量越多 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 【分析】①柴油机的压缩冲程的压缩程度更大，热量燃烧更充分，效率比汽油机高；②在热机中，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，叫热机的效率；③功率是描述热机做功快慢的物理量；④热机的工作过程中，燃料燃烧放出的能量，废气的温度很高，带走的热量最多。 【解答】解：A、柴油机的效率一般要高于汽油机，多用在重型机器上。故A正确；B、热机效率越高，做有用功与燃料完全燃烧放出的内能的比值越大，即在做功相同的情况下，消耗的燃料较少，或消耗相同的燃料，做功较多。故B错误；C、热机效率是有用能量在燃料完全燃烧放出热量中所占比值，功率是热机做功的快慢，两者没有必然联系。故C错误；D、在热机的各种能量损失中，废气带走的热量最多。故D错误。故选：A。 【点评】此题是一道与热机有关的综合题，考查了热机的构造、效率及能量损失的途径。难度不大，熟悉基础知识即可正确解答。 四、燃料的热值及其简单计算 1、燃料燃烧释放能量：燃料燃烧的过程是将燃料的化学能转化为内能的过程。 2、燃料的热值： （1）定义：1㎏某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值。热值的单位是J/㎏或J/m³. （2）物理意义：质量相同的不同燃料燃烧时，所放出的热量是不同的，即不同燃料燃烧时，释放热量的能力是不同的。在物理学中用燃料的热值来表示燃料燃烧时释放热量的不同，所以热值是反映燃料燃烧特性的物理量。 3、燃料燃烧时放出热量的计算 由热值的定义知：质量为m，热值为q的燃料完全燃烧时，放出的热量的计算公式是：Q=mq，式中m的单位为㎏；q的单位为J/㎏，则Q的单位为J。注意： ①若燃料为气体，则体积为V，热值为q的燃料完全燃烧时，放出的热量的计算公式是Q=Vq，式中V的单位是m³；q的单位是J/m³，则Q的单位为J。 ②利用公式Q=mq或Q=Vq计算出的热量是燃料完全燃烧时放出的热量，实际燃烧时所放出的热量要小于用公式Q=mq或Q=Vq计算出的热量，因为在实际燃烧时，很难做到让燃料完全燃烧。 典型例题：天然气已经被广泛利用，它是一种　   　（选填“可”或“不可”）再生能源，完全燃烧0.07m3天然气释放的热量为　   　J，若这些热量的30%被水吸收，可以将4kg的水由20℃加热到　   　℃．[q天然气=4×107J/m3，c水=4.2×103J/（kg•℃）] 【分析】（1）从能源是否可再利用的角度可分为可再生能源和不可再生能源。化石能源、核能会越用越少，不可能在短期内从自然界得到补充，所以它们属于不可再生能源；（2）利用Q放=Vq计算出天然气完全燃烧放出的热量；（3）由题知，Q吸=30%Q放，再利用Q吸=cm（t﹣t0）的变形式求出水的末温。 【解答】解：（1）天然气属于化石能源，不可能在短期内从自然界得到补充，属于不可再生能源；（2）完全燃烧0.07m3天然气释放的热量： Q放=Vq=0.07m3×4×107J/m3=2.8×106J； （3）由题知，水吸收的热量：Q吸=30%Q放=30%×2.8×106J=8.4×105J， 由Q吸=cm（t﹣t0）可得： 8.4×105J=4.2×103J/（kg•℃）×4kg×（t﹣20℃）， 解得水的末温：t=70℃。 【答案】不可；2.8×106；70。 【点评】本题考查了能源分类、以及吸热公式、燃料完全燃烧放热公式、 效率公式的应用，属于基础题目。 五、考题再现 习题1：如图所示是汽油机工作时，做功冲程示意图，下列说法正确 的是（　　） A．该冲程中活塞往复运动两次 B．该冲程是机械能转化为内能 C．该冲程是内能转化为机械能 D．随着汽油的燃烧，汽油的热值会减小 【答案】C 习题2：小明用煤气灶烧水时，进行了如下思考，正确的是（　　） A．煤气燃烧越充分，其热值越大 B．加热过程中水的比热容变大 C．壶内水温度升高的过程中内能增大 D．水沸腾过程中吸收热量，温度不断升高 【答案】C 习题3：天然气热水器将40kg的水由22℃加热到42℃，水的内能增加了　   　J，水的内能增加是通过　   　方式实现的，若天然气燃烧放出的热量有84%被水吸收，需要消耗　   　kg的天然气。已知c水=4.2×103J/（kg•℃），q天然气=4×107J/kg。 【答案】 习题4：质量为50kg的水温度从20℃升高到50℃吸收的热量是　   　J，这些热量如果完全由煤气燃烧来提供，至少需　   　kg的煤气。（水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），煤气的热值4.2×107J/kg）。 【答案】3.36×106J；0.08； 习题5：四冲程内燃机的工作过程由吸气冲程，压缩冲程，做功冲程，排气冲程组成，如图所示是内燃机的　   　冲程，一台某型号单缸四冲程汽油机的飞轮转速是1200r/min，则汽油机每秒钟对外做功　   　次。 【答案】压缩；10； 习题6：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； ②某一烧杯中装中200g、30℃的水，如果水吸收了6.3×104J的热量，在标准大气压下，水温升高　   　℃．（水的比热容为4.2×103J/（kg•℃）） ③如果②问中是用酒精作为燃烧加热，要燃烧4.2g的酒精，则加热效率为　   　（酒精的热值为3×107J/kg）。 【答案】甲乙；甲丙；70；50％； 六、巩固练习 1、如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同．燃料的质量相同，烧杯内的液体质量和初温也相同．下列说法正确的是（   ） A. 比较不同液体的比热容，可以选择甲、丙两图 B. 比较不同液体的比热容，可以选择乙、丙两图 C. 比较不同燃料的热值，可以选择甲、丙两图 D. 比较不同燃料的热值，可以选择乙、丙两图 2、如图所示为生活中常用的热水瓶，其外壁采用镀银的双层玻璃，并将中间抽成真空，这是为了减少___________，注入一定量的热水后，立即盖上软木塞，软木塞会跳起来，这一过程中瓶内气体的________能转化为软木塞的_________能，汽油机的_________冲程也发生同样的能量转化．如果一台单缸四冲程汽油机每秒对外做功15次，则飞轮转速是__________R/min； 3、我市城区正在进行天然气工程，有人表示赞同，有人表示反对，小宇同学收集如下两组有关数据： 燃料 热值q/J•m-3 价格/元•m-3 每户月平均用气量/m3 更换灶具费用/元 煤气 约4×107 9 6 0 天然气 约8×107 15 ________ 70 （1）将表格数据填写完整； （2）从环保角度考虑，小宇家应该选择使用_____________（选填“煤气”或“天然气”），推荐的理由是________________________________________； （3）从经济角度考虑，小宇家应该选择使用_____________（选填“煤气”或“天然气”）． 4、如图甲所示，1标准大气压下，普通煤炉把壶内20℃，5kg水烧开需完全燃烧一定质量的煤，此过程中，烧水效率为28%，为提高煤炉效率，创意小组设计了双加热煤炉，如图乙所示，在消耗等量煤烧开壶内初温相同，等量水的过程中，还可额外把炉壁间10kg水从20℃加热至40℃，煤的热值为3×107J/kg,求： （1）壶内20℃，5kg水烧开需要吸收多少热量？ （2）让上述水烧开，普通煤炉完全燃烧煤的质量有多大？ （3）双加热煤炉的烧水效率有多大？ 5、如图所示,我国自主研发的第四代重型隐身战斗机“歼一20”,该机最大起飞质量为37t,最大飞行高度达20000m,最大航行速度达2.5倍声速(合3060 km/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。 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5×107J/kg.求: (1)完全燃烧10t航空燃油放出的热量。 (2)当飞机以400m/s的速度匀速巡航时，飞机发动机的输出功率。 (3)若在飞机油箱中加满燃油,并且以500 m/s的速度匀速巡航时，飞机的最大航程。 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 参考答案： 1、C；2、热传递；内；动（机械）；做功；1800；3、（1）3；（2）天然气；天然气燃烧后的产物污染少，较清洁；（3）天然气．4、1.68×106 ； 0.2； 42%；5、5×1011 ；1.92×107 ；2700。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$