14.4 跨学科：热机效率和环境保护-2025-2026学年沪科版（2024）九年级全一册物理

第四节　跨学科：热机效率和环境保护 第14章　内能与热机 知识点一　燃料的热值　 1. 燃料燃烧是 　化学　能转化为 　内　能的过程。 2. 某种固体（或液体）燃料完全燃烧释放的 　热量　与所用燃料的 　质量　之比，叫做这种燃料的热值，热值用字母 　q　表示，单位是 　J/kg　。 3. 定义式：q＝。 化学　 内　 热量　 质 量　 q　 J/kg　 4. 对于气体燃料而言，热值则是在标准状态下某种气体燃料完全燃烧放出的 　热量　与所用该种气体燃料的 　体积　之比，单位是 　J/m3　。 注：燃料的热值是反映燃料完全燃烧时释放能量本领大小的物理量，它是燃料本身的一种特性，燃料的热值只取决于燃料的种类，而与燃料的质量、是否完全燃烧、放热的多少均无关，对某种燃料来说，它是一个确定的数值。 热量　 体积　 J/m3　 5. 燃料燃烧释放热量的计算公式 （1）质量为m、热值为q的固体、液体燃料完全燃烧放出的热量 Q＝ 　mq　。 （2）体积为V、热值为q的气体燃料完全燃烧放出的热量Q＝ 　Vq　。 mq　 Vq　 （2024·连云港）下列关于燃料的热值说法正确的是（　D　） A. 燃料燃烧越充分，其热值越大 B. 燃料的热值越小，完全燃烧放出的热量越少 C. 一瓶酒精用去三分之一，剩余酒精的热值将减小 D. 焦炭的热值是3.0×107 J/kg，则完全燃烧1 kg焦炭能放出3.0×107 J的热量 D （1）木炭的热值是3.4×107 J/kg，有4 kg木炭，完全燃烧掉一半能放出 　6.8×107　J的热量；剩下一半木炭的热值是 　3.4×107/kg　。 （2）约12.6 kg的厨余垃圾通过技术处理可产生0.42 m3的甲烷。若这些甲烷完全燃烧，可放出的热量为 　3.36×107　J，若这些热量全部被水吸收，可使 　160　kg的水从20 ℃升高到70 ℃。[q甲烷＝8×107 J/m3， c水＝4.2×103 J/（kg·℃）] 6.8×107　 3.4×107J/kg 3.36×107　 160　 【锅炉、灶具的热效率】现有一壶水要烧开需要吸收1.38×108 J的热量。 （1）若不计热量损失（即Q吸＝Q放），需要完全燃烧多少克煤油？（已知煤油的燃烧值是4.6×107 J/kg） 解：（1）由Q放＝mq可得，需要完全燃烧煤油的质量： m＝＝＝＝3 kg＝3 000 g （2）若实际燃烧了5 kg的煤油，则这5 kg的煤油完全燃烧放出了多少焦的热量？该煤油炉的效率是多少？ 解：（2）5 kg煤油完全燃烧放出的热量： Q放'＝m1q＝5 kg×4.6×107 J/kg＝2.3×108 J 该煤油炉的效率：η＝×100％＝×100％＝60％ 同步变式拓展 1. 关于q＝的理解，下列说法中正确的是（　D　） A. 热值与燃料完全燃烧放出的热量成正比，与燃料质量成反比 B. 若燃料不完全燃烧，部分能源将被浪费掉，热值将减小 C. 当燃料未燃烧时，其热值为零 D. 某种燃料的热值大小与燃料的质量、燃烧是否充分均无关 D 2. 在标准大气压下，使用煤气灶将2 kg的水从20 ℃加热到100 ℃，水吸收的热量是 　6.72×105　J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧 　0.016　kg的煤气，这是通过 　热传递　的方式增加了水的内能。未使用完的煤气的热值 　不变　（选填“变大”“变小”或“不变”）。[水的比热容c水＝4.2×103 J/（kg·℃），煤气的热值q煤气＝4.2×107 J/kg] 6.72×105　 0.016　 热传递　 不变　 3. （2025·育才）羊汤是很多地方喜爱的特色菜肴，它的制作主要步骤是熬汤：在锅中放入水和羊骨、羊肉、羊杂，用大火将水煮至沸腾，然后转用文火持续煮沸。若煮一锅羊汤需加水5 kg，羊骨、羊肉、羊杂三者共3 kg，设锅中水、羊骨、羊肉、羊杂初始温度都为20 ℃，水、羊骨、羊肉、羊杂平均比热容为3.5×103 J/（kg·℃），然后用木材将汤烧开（汤的沸点为100 ℃），若本次煮羊汤的加热效率为10％，木材的热值q木材＝1.12×107 J/kg。问： （1）羊汤吸收的热量是多少？ 解：（1）羊汤的质量：m＝5 kg＋3 kg＝8 kg 则羊汤吸收的热量：Q吸＝cmΔt＝3.5×103 J/（kg·℃）×8 kg×（100 ℃－20 ℃）＝2.24×106 J （2）木材完全燃烧放出的热量是多少？ 解：（2）木材完全燃烧放出的热量：Q放＝＝＝2.24×107 J （3）本次煮羊汤需要用掉多少千克木材？ 解：（3）本次煮羊汤需要用掉木材的质量：m木材＝＝＝2 kg 知识点二　 热机效率　 1. 定义：热机运转中，做 　有用功　与燃料 　完全燃烧　所释放能量的比值称为热机效率，其大小通常用百分比表示。 2. 计算公式：η＝×100％。 3. 热机的效率不可能达到100％，因为热损失不可能消除。 4. 提高热机效率的主要途径： （1）尽量减少各种热量损失，如：使燃料充分燃烧； （2）减小摩擦。 有用功　 完全燃烧　 已知某型号的载重车在一段平直的高速公路上匀速行驶所用时间是 8 min，消耗燃油3×10－3 m3（假设燃油完全燃烧），汽车发动机在这段时间内的输出功率（即有用功率）为63 kW。若燃油的密度是0.8×103 kg/m3，热值是3.15 ×107 J/kg。求： （1）消耗的燃油质量是多少？ 解：（1）消耗的燃油的质量：m＝ρV＝0.8×103 kg/m3×3×10－3 m3＝2.4 kg （2）发动机牵引汽车前进所做的有用功是多少？ 解：（2）发动机牵引汽车前进8 min所做的有用功： W＝Pt＝63 000 W×480 s＝3.024×107 J （3）汽车的效率是多少？（用百分数表示） 解：（3）燃油完全燃烧所放出的热量： Q＝mq＝2.4 kg×3.15×107 J/kg＝7.56×107 J 汽车的效率：η＝×100％＝×100％＝40％ 同步变式拓展 4. 如图所示是百度开发的一款无人驾驶汽车，汽车自动驾驶时用激光测距器来了解周围的交通状况，用北斗卫星导航系统进行定位和导航。若该款车在一段平直公路上匀速行驶27 km的过程中受到的平均阻力为103 N，消耗汽油2 kg[已知：汽油的热值为q＝4.5×107 J/kg，c水＝4.2×103 J/（kg·℃）]。 （1）求汽车在该路段匀速行驶过程中发动机牵引力做的功； 解：（1）由题意可知，汽车匀速直线运动处于平衡状态，摩擦力和牵引力的大小相等，则发动机牵引力：F＝f＝103 N 故发动机牵引力做的功：W＝Fs＝103 N×27×103 m＝2.7×107 J （第4题） （2）求该汽车发动机的热机效率； 解：（2）汽油完全燃烧放出的热量：Q放＝q汽油m汽油＝4.5×107 J/kg×2 kg＝9×107 J　　 则该汽车发动机的热机效率：η＝×100％＝×100％＝30％ （3）假设该汽车在这次行驶过程中，发动机排出的废气带走的能量占汽油完全燃烧放出的热量的42％，若这些废气带走的能量全部被质量为200 kg的水吸收，整个过程水未沸腾，求水升高的温度。 解：（3）水吸收的热量：Q吸＝Q排＝42％Q放＝42％×9×107 J＝3.78×107 J 则水升高的温度： Δt＝＝＝45 ℃ （第4题） 知识点三　 环境保护　 热机使用加快了人类文明的进程，但也带来了环境污染问题。 1.(2024·济南)完全燃烧1 g液态氢能释放出1.4×105 J的热量,是完全燃烧1 g汽油释放热量的3倍,由此可知液态氢比汽油 (　　) A.内能大 B.温度高 C.热值大 D.密度大 C 易错点　对热值的概念理解不透彻 2.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.燃料的热值与质量和燃烧状态无关 D.燃料燃烧时温度越高,放出的热量越多 C 14 3.关于热机的效率,下列说法正确的是 (　　) A.在做功同样多的情况下,热机的效率越高消耗的燃料越多 B.一般情况下柴油机的效率比汽油机的高 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 B 15 4.甲、乙两台汽油机,甲的效率比乙的高,则 (　　) A.甲每秒做的功比乙每秒做的功多 B.甲消耗的汽油比乙消耗的汽油少 C.消耗同样多的汽油,甲做的有用功比乙做的有用功多 D.做同样多的有用功,甲消耗的汽油比乙消耗的汽油多 C 16 5.某柴油机工作一段时间后,油箱里的柴油没有发生变化的是　 　(选填序号:①质量;②密度;③比热容;④热值)。完全燃烧10kg柴油放出的热量Q=　 　J。(q柴油=4.3×107 J/kg) 6.沼气是一种清洁燃料,部分地区因地制宜建造沼气池,利用沼气烧水做饭。已知沼气的热值为1.9×107 J/m3,完全燃烧0.2 m3沼气,放出的热量为　 　J。 ②③④ 4.3×108 3.8×106 17 7.(2025·八中)李华家新装的天然气热水器如图所示,铭牌标注能效等级为2级。国家规定能效等级为2级的热水器,其热效率值不低于88%。李华想通过洗澡来估测一下这款燃气热水器的能效等级是否达标,于是他将燃气热水器的温度设定在40 ℃(即水从热水器流出的温度),某次洗澡用水90 kg,洗澡一次使用燃气0.2 m3。已知进入热水器的冷水温度为5 ℃[水的比热容c水=4.2×103 J/(kg·℃),天然气的热值q=7.0×107 J/m3]。 (1)求消耗的天然气完全燃烧放出的热量; 解:这些天然气完全燃烧放出的热量: Q放=qV=7.0×107 J/m3×0.2 m3=1.4×107 J (2)求水吸收的热量; 水吸收的热量:Q吸=c水m水Δt=4.2×103 J/(kg·℃)×90 kg×(40 ℃-5 ℃)=1.323×107 J (3)通过计算判定该款热水器能效等级是否达标。 热水器的热效率:η=×100%=×100%=94.5%>88% 故该款热水器能效等级达标 8.(2025·西附)2024年中国摩托艇公开赛由国家体育总局水上运动管理中心主办。在某场比赛中摩托艇的参数如表所示,在赛前摩托艇加满燃油,燃油的密度ρ燃油=0.8×103 kg/m3,燃油的热值q燃油=4.5×107 J/kg,g取10 N/kg。求: (1)摩托艇一满箱燃油完全燃烧放出的热量; 解:油箱的容积: V=20 L=0.02 m3 则一满箱燃油的质量: m=ρ燃油V=0.8×103 kg/m3×0.02 m3=16 kg 故一满箱燃油完全燃烧放出的热量: Q放=mq燃油=16 kg×4.5×107 J/kg=7.2×108 J (2)一满箱燃油完全燃烧能使该摩托艇以额定功率匀速行驶2 h,则摩托艇发动机的机械效率是多少? 解：摩托艇发动机做的功: W=Pt=4×104 W×2×3 600 s=2.88×108 J 则摩托艇发动机的效率: η=×100%=×100%=40% 9.一袋饼干的营养成分表上标有“2 361 kJ/100 g”,该标识的含义与以下物理量的含义类似的是 (　　) A.热量 B.热值 C.比热容 D.内能 B 10.(2025·巴蜀)国庆假期,小明一家驱车外出旅游。若汽车以108 km/h的速度在高速公路上匀速直线行驶时,受到的阻力是1 200 N,汽车仪表盘显示百公里耗油6.0 L(汽油热值取4.0×107 J/L)。求: (1)汽车以108 km/h的速度在高速公路上匀速直线行驶时,牵引力做功的功率; 解:汽车匀速直线行驶,则F=f=1 200 N 汽车行驶速度:v=108 km/h=30 m/s 故牵引力做功的功率:P===Fv=1 200 N×30 m/s=3.6×104 W (2)6.0 L的汽油完全燃烧放出的热量; 解：汽油完全燃烧放出的热量: Q=Vq=6.0 L×4.0×107 J/L=2.4×108 J (3)这辆汽车以108 km/h的速度在高速公路上匀速直线行驶时的效率。(汽车的效率是指汽车行驶时牵引力所做的功与汽油完全燃烧放出的热量之比) 解：汽车以108 km/h的速度在高速公路上匀速直线行驶1百公里时,牵引力做的功:W=Fs=1 200 N×100×1 000 m=1.2×108 J 故汽车发动机的效率:η=×100%=×100%=50% $$