14.3 热机的效率 同步讲义 -2025-2026学年九年级全一册物理人教版

14.3 热机的效率 同步讲义 -2025-2026学年九年级全一册物理人教版 知识梳理 一、燃料的热值 1. 定义 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，用符号q表示。 2. 物理意义 • 表示燃料燃烧放热本领的物理量 • 数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量 • 例如：木炭的热值为3.4×10⁷J/kg，表示1kg木炭完全燃烧放出3.4×10⁷J的热量 3. 公式与单位 燃料类型 计算公式 单位 固体/液体燃料 q=Q放/m J/kg（焦耳每千克） 气体燃料 q=Q放/V J/m³（焦耳每立方米） 4. 特性 • 是燃料的固有属性，仅与燃料种类有关 • 与燃料的质量、体积、燃烧是否完全无关 • 不同燃料的热值一般不同 5. 常见燃料的热值（参考） 燃料 热值（J/kg） 燃料 热值（J/m³） 干木柴 约1.2×10⁷ 天然气 约3.9×10⁷ 酒精 3.0×10⁷ 煤气 约1.7×10⁷ 汽油 4.6×10⁷ 沼气 约1.9×10⁷ 氢气 1.4×10⁸ - - 二、热机的效率 1. 定义 热机工作时，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，用符号η表示。 2. 公式 η=W有用/Q总×100% （其中：W有用表示有用功，Q总表示燃料完全燃烧放出的总能量） 3. 能量流向分析 热机工作时的能量损失主要途径： • 燃料未完全燃烧（约10%） • 废气带走的热量（约30%） • 机械摩擦损失（约10%） • 散热损失（约20%） • 其他损失（约5%） 4. 常见热机效率范围 热机类型 效率范围 说明 蒸汽机 6%~15% 效率最低 汽油机 20%~30% 汽车发动机常用 柴油机 30%~45% 效率高于汽油机 喷气发动机 50%~60% 航空领域应用 三、提高热机效率的途径 1. 提高燃料利用率 • 将煤磨成煤粉，增大与氧气接触面积 • 合理送风，保证燃料充分燃烧 2. 减少能量损失 • 改进热机设计，减少废气带走的热量 • 采用隔热材料，减少散热损失 • 良好润滑，减小机械摩擦 3. 能量回收利用 • 利用废气余热（如汽车涡轮增压技术） • 建立热电站，综合利用能量 四、相关计算示例 1. 燃料燃烧放热计算 例题：完全燃烧2kg汽油，能放出多少热量？（q汽油=4.6×10⁷J/kg） 解：Q放=mq=2kg×4.6×10⁷J/kg=9.2×10⁷J 2. 热机效率计算 例题：某汽车发动机输出功率为60kW，行驶108km消耗汽油37.6kg，求发动机效率。（q汽油=4.6×10⁷J/kg，v=54km/h） 解： ① 行驶时间：t=s/v=108km/54km/h=2h=7200s ② 有用功：W有用=Pt=60×10³W×7200s=4.32×10⁸J ③ 总能量：Q总=mq=37.6kg×4.6×10⁷J/kg=1.73×10⁹J ④ 效率：η=W有用/Q总×100%=4.32×10⁸J/1.73×10⁹J×100%≈25% 五、核心要点总结 1. 热值是燃料的特性，效率是热机性能的重要指标 2. 提高热机效率既能节约能源，又能减少环境污染 3. 热机效率总小于1，因为存在不可避免的能量损失 4. 计算公式适用于所有热机，需注意单位统一 同步练习 一、单项选择题 1．如图显示的是甲、乙、丙三部汽油机的参数。甲、乙、丙相比，正确的是（　　） A．甲输出的机械能比丙多，效率比丙高 B．在消耗质量相同的同种燃料时，乙输出机械能与甲一样多 C．在输出的机械能相同时，乙比丙消耗更多的同种燃料 D．三部汽油机中，乙的效率最高 2．如图是汽车四冲程发动机的一个冲程示意图。下列说法正确的是（　　） A．该冲程将机械能转化为内能 B．此发动机的效率在90%左右 C．该冲程是做功冲程 D．发动机效率越高，做功越快 3．如图是甲、乙两台汽油机燃烧不同质量的同种燃油的能量流向及比例的饼形图，下列说法正确的是（　　） A．若对外做功的能量相同，甲汽油机更省油 B．若燃烧质量相同的同种燃油，乙汽油机能量损失的总和更多 C．若增加燃烧同种燃油的质量，甲汽油机的机械效率可以更高 D．乙汽油机做有用功的比例比甲汽油机大，乙汽油机的机械效率更大 4．2024年4月25日，搭载神舟十八号载人飞船的长征二号F遥十八运载火箭，在酒泉卫星发射中心成功发射。下列有关说法正确的是（　　） A．运载火箭发射后加速升空，火箭的惯性变大 B．火箭燃料在燃烧过程中，热值不断减小 C．神舟十八号进入预定轨道后受到平衡力的作用 D．载人飞船与空间站组合体完成对接后，以地球为参照物，空间站是运动的 5．火锅（如图），古称“古董羹”，因食物投入沸水时发出的“咕咚”声而得名，是中国独创的美食之一。下列说法正确的是（　　） A．手不能太靠近蒸气，因为蒸气液化吸热会烫伤皮肤 B．汤汁沸腾后，仍然持续加热，汤汁温度保持不变 C．用燃气灶加热火锅时，调大火力可以提高燃气的热值 D．不敢大口喝热气腾腾的汤，因为汤里含有的热量多 6．4月25日长征二号F遥十八运载火箭成功发射，加速升空10分钟后，神舟十八号载人飞船与火箭成功分离进入预定轨道。下列说法正确的是（　　） A．火箭加速升空过程中，使用的燃料热值会随其质量的减小而减小 B．火箭加速升空过程中，载人飞船动能转化为重力势能 C．载人飞船进入预定轨道后，坐在航天座椅上的航天员与载人飞船之间是相对静止的 D．载人飞船进入预定轨道后，是依靠惯性作用而继续运动 7．如图为单缸四冲程汽油机工作过程中某一冲程示意图，且该汽油机飞轮的转速为3000r/min，下列说法正确的是 A．如图所示冲程为压缩冲程 B．该汽油机每秒对外做功25次 C．如图所示冲程将机械能转化为了内能 D．随着技术的进步，内燃机的效率达到了100% 8．小明在老师的指导下，用如图A所示的同一个实验装置分别加热质量均为200g的甲、乙两种液体（其中一种是水），用测得的数据绘制了液体的温度随时间变化的关系图象。如图B所示，若单位时间内甲吸收的热量与乙吸收的热量相等，乙从20℃加热至沸腾刚好消耗了8g酒精[q酒精=3×107J/kg，c水=4.2×103J/（kg•℃）]，则下列说法正确的是（　　） A．酒精在燃烧的过程中热值不断减小 B．甲液体是水，c乙=2.8×103J/（kg•℃） C．0～8min乙液体吸收的热量为6.72×104J D．该酒精灯的加热效率为28% 二、填空题 9．如图甲所示是汽油机的　 　冲程，图乙中的演示　 　实验 （选填“a”或“b”） 与其能量转化相同。若一个工作循环消耗20g汽油，可输出机械能2.3×105J，则该汽油机的效率为　 　。（ q汽油=4.6×107J/ kg） 10．小虎用酒精炉给500g水加热，消耗了7g酒精后水温升高了40℃，酒精炉的加热效率是　 　，如果酒精不能完全燃烧，则酒精的热值　 　（选填“增大”、“减小”或“不变”）。[水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，酒精的热值为3.0×107J/kg] 11．某家用燃气热水器将40kg的水从24℃加热到40℃，燃烧了的天然气，水吸收的热量是　 　，天然气放出的热量是　 　J，燃气热水器的热效率是　 　。[] 12．常用液氢用作火箭燃料，是因为氢的　 　大；2024年4月30日神舟17号返回舱载着三名航天员返回地球，返回过程中舱体与空气剧烈摩擦使其底部温度高达上千摄氏度，这是通过　 　方式改变了返回舱的内能；返回舱的表面会涂有的“烧蚀层”物质，在遇到高温时会发生熔化、汽化现象，这些现象　 　(选填"吸收”或"放出”)热量可以保证飞船温度不至于太高。 13．随着全球对环境保护和可持续性的日益关注，新能源电车成为了替代传统汽车的重要选择。电池技术的进步是新能源电车技术发展的核心。新能源车的电池组能量密度（能量与质量的比值）是指电池在单位体积或单位质量下所能储存的能量大小，它是衡量电池性能的一个重要指标。已知某新能源车电池组的电容量为100kW·h（），质量约90kg，其“能量密度”约　 　J/kg。“能量密度”相当于物理学中的　 　（选填“效率”、“功率”或“热值”）。 三、实验探究题 14．如图所示，小雨准备了甲、乙、丙三个相同的装置，来探究不同物质的比热容和不同燃料的热值，其中液体质量、燃料质量均相等。 （1）探究不同物质的比热容时，应选择　 　两图进行实验；不同物质吸热的多少是通过　 　来反映的（选填“液体升高的温度”或“加热的时间”）；小雨根据测得的实验数据，画出了a、b两种液体温度随时间变化的图像（如图丁所示），由图可知　 　液体的比热容较大； （2）探究不同燃料的热值应选择　 　两图进行实验，实验时比较燃料放出热量的多少是通过液体　 　来反映的（选填“升高的温度”或“加热的时间”）。 四、综合题 15．高能聚合油是一种安全、清洁、可再生的新型环保燃料，某次用高能聚合油灶具将 10kg 的水从 25℃加热到 100℃，[水的比热容是 42×103J/（kg·℃），高能聚合油的热值约为 42×107J/kg]求： （1）这些水吸收的热量； （2）若该高能聚合油灶具烧水的热效率为 75%，则加热这些水燃烧了多少千克高能聚合油？ 16．某家庭用燃气热水器将质量为100kg、温度为20℃的自来水加热到50℃，消耗的天然气体积为0.8m3（假设天然气完全燃烧）。已知水的比热容为，天然气的热值为，求： （1）天然气完全燃烧放出的热量； （2）水吸收的热量； （3）该热水器工作时的效率。 答案解析部分 1．【答案】D 【解析】【解答】AD．图中，根据纵坐标的单位长度，甲的效率： 乙的效率： 丙的效率为： 则乙的效率最高，甲、丙的效率相同，故A错误，D正确； B．图中，消耗质量相同的同种燃料时，乙的热机效率大，输出的机械能更多，故B错误； C．图中，在输出的机械能相同时，丙比乙效率低，燃烧释放的内能更多，丙比乙消耗同种燃料更多，故C错误。 故选D。 【分析】根据，计算热机效率；在消耗相同燃料的质量相同时，热机效率越大，机械能越多；机械能相同时，热机效率越大，消耗的燃料越少。 2．【答案】C 【解析】【解答】AC．图中，气门关闭，活塞向下运行，火花塞点火，是做功冲程，内能转化为机械能，故A错误，C正确； BD．热机效率指机械做的有用功和燃料燃烧放出的热量的比例，汽车发动机的效率较低，一般在30%左右，热机效率和做功快慢无关，故BD错误。 故选C。 【分析】根据汽油机的气门状态和活塞运行方向，判断冲程；热机效率是有用功和总热的比值，热机效率较低。 3．【答案】D 【解析】【解答】AD．由图可知，汽油机对外做功的能量是汽油机做的有用功，乙汽油机做有用功的比例比甲汽油机大，乙的机械效率更大，若对外做功的能量相同，乙放出的总热量更少，即所用的燃料更少，则更省油，故A错误，D正确； B．因为乙的机械效率更大，故若燃烧质量相同的同种燃油，乙汽油机各种能量损失的总和更少，故B错误； C．机械效率是有用功在总功中的占比，若增加燃烧同种燃油的质量，甲的机械效率不变，故C错误。 故选D。 【分析】热机的效率为。 4．【答案】D 【解析】【解答】A、运载火箭发射后加速升空，质量不变，惯性不变，A错误； B、火箭燃料在燃烧过程中，热值不变，B错误； C、神舟十八号进入预定轨道后，运动状态发生改变，受到非平衡力的作用，C错误； D、载人飞船与空间站组合体完成对接后，以地球为参照物，空间站的运动状态发生变化，所以空间站是运动的，D正确。 故答案为：D。 【分析】惯性是物体的基本属性，只有物体重力有关，当物体速度发生变化时，由于惯性物体保持原来运动状态的属性，利用惯性的实例：运动员助跑起跳，乘车系安全带可以降低司机惯性带来的伤害，惯性不是力，不能用受到惯性、惯性力的作用进行表述 热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与质量、燃烧程度无关； 处于静止或匀速直线运动状态的物体，受力平衡； 物体相对运动：物体与参照物运动状态不一致，所以物体相对参照物运动，物体与参照物运动状态不一致，所以物体相对参照物静止 5．【答案】B 【解析】【解答】A．水蒸气在遇到较冷的皮肤时，会液化成液态水，并在这个过程中放出热量。如果手太靠近水蒸气，液化放出的热量可能会烫伤皮肤，故A错误； B、油的沸点通常比水高，红锅先沸腾可能是因为红锅中的油温更高，而不是油的沸点低‌．液体沸腾时继续吸热，但温度保持不变，所以汤汁沸腾后，仍然持续加热，汤汁温度保持不变，故B正确； C．热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与火力大小无关。调大火力只是增加了单位时间内燃气燃烧的量，从而提高了加热的效率或速度，但并不能改变燃气的热值‌，燃气的热值不变，故C错误； D．不敢大口喝热气腾腾的汤，因为汤的温度较高，热量是过程量，不能说含有，故 D错误。 故选B。 【分析】在火锅中，食物通过吸收汤汁中的热量而变熟，这是热传递的过程。热传递是改变物体内能的一种方式。手不能太靠近水蒸气，因为水蒸气液化放热会烫伤皮肤‌。 热量是一个过程量，用于描述热传递过程中能量的转移量，不能说物体“含有”多少热量。不敢大口喝热气腾腾的汤，是因为汤的温度较高，而不是因为汤里“含有”的热量多。高温的汤可能会烫伤口腔或食道‌。 6．【答案】C 【解析】【解答】A．热值是燃料的一种特性，与燃料的质量、燃烧程度无关，火箭升空的过程中，燃料的热值不变，故A错误； B．火箭加速升空时，速度和高度变大，动能和重力势能增大，故B错误； C．在载人飞船发射加速上升的过程中，火箭与载人飞船之间是相对静止的，故C正确； D．运动的飞船进入目标轨道后，与火箭分离，飞船具有惯性，仍然继续向前运动，故D错误。 故选C。 【分析】1、机械能：机械能为动能和重力势能之和，当质量不变时，动能和速度成正比，速度不变时，动能和质量成正比；当质量不变时，重力势能和高度成正比，高度不变时，重力势能和质量成正比； 2、物体相对运动：物体与参照物运动状态不一致，所以物体相对参照物运动，物体与参照物运动状态不一致，所以物体相对参照物静止； 3、惯性是物体的基本属性，只有物体重力有关，当物体速度发生变化时，由于惯性物体保持原来运动状态的属性，利用惯性的实例：运动员助跑起跳，乘车系安全带可以降低司机惯性带来的伤害，惯性不是力，不能用受到惯性、惯性力的作用进行表述。 7．【答案】B 【解析】【解答】 A、图中的进气门和排气门关闭，活塞下行，所以是做功冲程，故A错误； B、四冲程汽油机一个工作循环，飞轮转两周，对外做功一次，四冲程汽油机的飞轮转速为3000r/min，则该飞轮每秒钟转3000r÷60=50r，对外做功25次，故B正确； C、如图所示是做功冲程，此冲程把内能转化为机械能，故C错误； D、内燃机在工作过程中不可避免地要克服机械间的摩擦而做额外功，因此内燃机的效率不能达到100%，故D错误。 故选：B。 【分析】A、 判断冲程可以看气阀门的开关情况和活塞运动情况； B、四冲程内燃机1个工作循环中包括4个冲程，飞轮转动2周，对外做功1次； C、热机在做功冲程，内能转化为机械能； D、任何机器在工作时都不可避免地要克服机械间的摩擦而做额外功，因此效率不能达到100%。 8．【答案】C 【解析】【解答】A．热值是燃料的特性，与质量无关，酒精燃烧时，剩余酒精的热值不变，故A错误； B．图乙中，甲和乙的质量和升高温度相同，甲的加热时间是乙的加热时间的2倍，甲吸收的热量是乙吸收热量的2倍，水的比热容较大，吸热能力强，甲是水；根据，甲的比热容是乙的比热容的2倍，乙的比热容为：，故B错误； C．酒精灯相同，加热相同时间，水和乙吸收的热量相同，0～8min，甲乙吸收的热量相同，为 ，故C正确； D．计算酒精完全燃烧放出的热量为：， 结合时间，乙从加热到沸腾吸收的热量为：， 则酒精灯的加热效率为：，故D错误。 故选C。 【分析】热值是燃料的特性，和质量无关；根据质量和温度差，结合时间关系，利用Q=cmΔt，可以计算吸收热量的多少；利用Q=mq，计算燃料燃烧放出的热量，根据，计算热效率。 9．【答案】做功；b；25% 【解析】【解答】图中，两个气门关闭，活塞向下运动，火花塞点火，是做功冲程。 图乙中，a的活塞压缩空气，对空气做功，内能增大，温度升高，机械能转化为内能；b的燃料燃烧时，产生的能量将塞子喷出，内能转化为机械能，b图与做功冲程能量转化相同。 计算消耗20g汽油放出的热量： 根据机械能，计算该汽油机的效率为 。 【分析】根据汽油机气门状态和活塞运行方向，判断冲程；压缩体积，内能变大，机械能转化为内能；内能对外做功时，转化为机械能；根据Q=mq，计算燃料燃烧放出的热量，利用，计算热机效率。 10．【答案】40%；不变 【解析】【解答】解：消耗7g酒精放出的热量 加热水的质量，水吸收的热量 则酒精炉的加热效率。 热值是燃料的一种属性，只与燃料的种类有关，跟燃料是否燃料充分无关，所以酒精的热值不变。 【分析】 酒精的热值为3.0×107J/kg ，根据计算消耗7g酒精放出的热量；加热水的质量 ，根据计算水吸收的热量，根据效率公式计算酒精炉的加热效率； 热值是燃料的一种属性，跟燃料是否燃料充分无关，所以酒精的热值不变。 11．【答案】2.688×106J；3.2×106J；84% 【解析】【解答】根据水的比热容、质量和温度差，计算水吸收的热量是： Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×40kg×(40℃-24℃)=2.688×106J； 天然气放出的热量是：Q放=q天然气V=3.2×107J/m3×0.1m3=3.2×106J； 燃气热水器的热效率是： 。 【分析】根据Q吸=cm(t-t0)，计算水吸收的热量；根据Q放=qV，计算燃料放出的热量，根据，计算热效率。 12．【答案】热值；做功；吸收 【解析】【解答】液氢的热值很大，消耗相同质量，产生的热量多，用作火箭的燃料；神舟飞船返回舱返回地球时，与空气剧烈摩擦，通过做功改变了返回舱的内能，返回舱温度升高；返回舱的表面的“烧蚀层”物质，在高温中熔化、汽化，并吸收热量，返回舱放热，使飞船温度不至于太高。 【分析】氢燃料的热值大，消耗相同质量时放热多；物体间相互摩擦，是做功改变内能；物体在熔化、汽化时，吸收热量。 13．【答案】；热值 【解析】【解答】 能量密度（能量与质量的比值） ，所以 某新能源车电池组的电容量为100kW·h（），质量约90kg ，其“能量密度”约为 ，和热值单位相同，所以“能量密度”相当于物理学中的热值。 综上 第1空、； 第2空、热值。 【分析】物质的热值为单位质量燃料完全燃烧释放的能量，是物质的基本属性；只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等均无关。和题目中能量密度相同，据此填空。 14．【答案】（1）甲丙；加热的时间；b （2）甲乙；升高的温度 【解析】【解答】（1）①根据控制变量法的要求可知，比较不同物质的比热容，应控制燃料相同而吸热物质不同，选择甲、丙两图进行实验。 ②根据题意可知，相同燃料燃烧相同时间内放出相同的热量，故通过加热的时间来反映物质吸热的多少。 ③根据丁图可知，升高相同的温度，液体b加热时间比液体a多，说明液体b需要吸收更多的热量。根据Q=cm△t可知，b液体的比热容较大。 （2）①根据控制变量法的要求可知，为了比较不同燃料的热值，需要燃料的种类不同，但是质量要相同，则应选择甲、乙两图进行实验。 ②根据Q=cm△t可知，质量相同的水，温度变化越大，说明吸收热量越多，所以实验中通过温度计示数来表示燃料放出热量的多少。 【分析】（1）①比较不同物质的比热容，应控制燃料相同而吸热物质不同。 ②实验加热的时间越长，相同燃料燃烧的质量越多，放出的热量越多，液体吸收的就越多； ③根据Q=cm△t可知，质量相同的不同物质升高相同的温度时，温度升高的越多，则吸热本领越弱。 （2）①根据控制变量法的要求分析； ②为了比较不同燃料的热值，要用相同质量的不同燃料，加热质量相同的同种液体，根据Q吸=cmΔt可知，温度计上升的示数越高，故燃料热值的大小是通过温度计的示数来反映的。 （1）[1]比较不同物质的比热容，应控制燃料相同而吸热物质不同，选择甲、丙两图进行实验。 [2]实验加热的时间越长，相同燃料燃烧的质量越多，放出的热量越多，液体吸收的就越多，故通过加热的时间来反映物质吸热的多少。 [3]升高相同的温度，液体a加热时间比液体b少，证明液体b吸热能力强，可知b液体的比热容较大。 （2）[1]为了比较不同燃料的热值，要用相同质量的不同燃料，加热质量相同的同种液体，则应选择甲、乙两图进行实验。 [2]质量相同的水，温度变化越大，说明吸收热量越多，所以实验中通过温度计示数来表示燃料放出热量的多少。 15．【答案】（1）解：水吸收的热量： 答： 这些水吸收的热量为 ； （2）解： 由 可知， 高能聚合油完全燃烧放出的热量： ， 由 可知， 完全燃烧高能聚合油的质量： 。 答： 若该高能藂合油灶具㛶水的热效率为 ， 则燃恠了 0.1 kg 高能藂合油。. 【解析】【分析】（1）根据题可知 将 10kg 的水从 25℃加热到 100℃ ，水的比热容已知，根据热量的计算公式Q=cmΔt计算水吸收的热量。 （2）根据效率公式计算高能聚合油完全燃烧放出的热量；结合热值公式计算完全燃烧高能聚合油的质量。 16．【答案】（1）解：天然气完全燃烧放出的热量。 （2）解：水吸收的热量 。 （3）解：该热水器工作时的效率。 【解析】【分析】（1） 天然气的热值为 ，根据Q=Vq计算天然气完全燃烧放出的热量。 （2）水的质量为100kg，温度变化量为30℃，根据热量的计算公式Q=cmΔt可计算水吸收的热量。 （3）根据效率公式计算该热水器工作时的效率。 （1）天然气完全燃烧放出的热量 （2）水吸收的热量 （3）该热水器工作时的效率 学科网（北京）股份有限公司 $$