内容正文:
33
专题特训三 热学公式的运用 ▶ “答案与解析”见P12
类型一 热平衡
1.
★(2024·安微)一保温杯中装有质量为200g、
温度为25℃的水。将一个质量为100g、温
度为100℃的金属块放入杯中,一段时间后
杯内水和金属块的温度稳定在30℃,假设金
属块放出的热量全部被水吸收,已知水的比
热容为4.2×103J/(kg·℃),则该金属块的
比热容为 J/(kg·℃)。
2.
物体A、B的质量相等,把它们加热到
相同的温度,再分别放入等量、同温的
水里(不计热量损失),A 物体能使水
温升高10℃,B 物体能使水温升高20℃,设
A、B 的比热容为cA 和cB,则 ( )
A.
cB=cA B.
cB=2cA
C.
cB>2cA D.
cA<cB<2cA
3.
如图所示,甲、乙两容器中装有质量相同的
水,水温分别为20℃和70℃,现将一温度为
60℃的金属球放入甲容器中,达到热平衡后
水温升高到50℃,然后迅速取出金属球并放
入乙容器中,达到热平衡后乙容器中水温为
(不考虑热量散失以及水的质量的变化)
( )
(第3题)
A.
65℃ B.
62.5℃
C.
60℃ D.
55℃
类型二 热效率
4.
(2023·安徽)小明利用家中的燃气表和温度
计测量燃气灶烧水的效率。将1kg的水从
20℃加热到60℃,消耗了0.01m3的天然气
(假设天然气完全燃烧),已知水的比热容为
4.2×103J/(kg·℃),天然气的热值为4.0×
107J/m3,则 此 次 燃 气 灶 烧 水 的 效 率 为
。
5.
新情境·社会热点
合肥著名的早点是油条加
豆浆,小明看见面点师傅将面拉成长条,放入
滚烫的油中就炸出了香脆可口的油条,于是
他想了解油的吸热能力。在老师的指导下,
他用酒精灯分别加热质量为50g、初温为
20℃的油和水,记录的相关数据如表所示。
若单位时间内油吸收的热量与水吸收的热量
相等,酒精的热值为3×107J/kg,水的比热
容为4.2×103J/(kg·℃)。下列说法正确
的是 ( )
物质种类 加热时间/min消耗酒精/g 末温/℃
油 2 1 88
水 2 1 50
A.
2min内油吸收的热量为3×104J
B.
他使用的酒精灯的加热效率为21%
C.
加热2min后油的末温高,所以油的吸热
能力更强
D.
油的吸热能力与其吸收热量的多少有关
6.
如图甲所示,1个标准大气压下,使用效率为
50%的普通煤炉将壶内2.5kg的20℃水烧
开。已知q煤 =3×107J/kg,c水 =4.2×
103J/(kg·℃)。
(第6题)
(1)
把壶内水烧开,求水需要吸收的热量Q吸。
(2)
求普通煤炉至少燃烧煤的质量m煤。
(3)
为提高煤炉效率,某创意小组设计了双
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,还可以额外把
第十四章 内能与热机
34
炉壁间2kg水从20℃加热至40℃。求此双
加热煤炉的烧水效率η'。
类型三 热机效率
7.
(2024·辽宁)汽油机在 冲程中将内
能转化为机械能。若某汽车的汽油机在一段
时间内所做的有用功为2.3×107J,效率为
25%,则 该 汽 油 机 在 这 段 时 间 内 消 耗
kg的汽油。(汽油的热值取4.6×
107J/kg)
8.
某汽车在平直公路上匀速行驶7km,
用时5min
50s,消耗燃油1kg,已知
汽车的牵引力是1800N,燃油的热
值为4.2×107J/kg,假设燃油完全燃烧。下
列结果正确的是 ( )
①
消耗的燃油完全燃烧放出的热量是4.2×
107J;②
汽车牵引力做功的功率是36kW;
③
汽车发动机的效率是30%。
A.
① B.
①②③
C.
②③ D.
①②
9.
新情境·社会热点
混合动力汽车具有节能、
低排放等优点,成为汽车研究与开发领域的
重点。某新型混合动力汽车启动时,内燃机
不工作,蓄电池向车轮输送能量。当需要高
速行驶或蓄电池电能过低时,内燃机启动,既
可以向车轮输送能量,又可以给蓄电池充电。
车速与所受阻力的关系如图所示。在某次测
试中,蓄电池储存的电能为5.12×108J,由
内燃机提供能量,汽车以50km/h的速度匀
速直线行驶了0.5h,同时蓄电池的电能增加
了10%。
(第9题)
(1)
求汽车牵引力做的功。
(2)
若所用燃料的热值为4.5×107J/kg,测
试过程中消耗8kg燃料(假设燃料完全燃
烧),则放出的总热量是多少?
(3)
求内燃机的效率。
物理(沪科版)九年级
一次功,所用时间t=115s
,P=Wt=
135J
1
15s
=2025W。
11.
(1)
内 机械 (2)
①
1.2×105
0.5 ②
600 (3)
1.2×106 (4)
pS
pSl Sl 解析:(1)
发动机在做功冲
程里,高温、高压的燃气推动活塞向下
运动,对外做功,同时将内能转化为机
械能。(2)
①
已 知 输 出 功 率 是
120kW,所 以 每 秒 做 功 W=Pt=
120×103W×1s=1.2×105J。因为
总排量为2.0L,所以单缸排量V=
1
4×2.0L=0.5L
。②
因为发动机
有四个缸同时工作,所以每个气缸1s
内做 功 W'= 14W =
1
4 ×1.2×
105J=3×104J。因为发动机转速为
6000r/min,所以每秒转100r,每两
转中有一个做功冲程,故1s内做功
50次,所以 每 个 做 功 冲 程 做 的 功
W″=150W'=
1
50×3×10
4J=600J。
(3)
由题述公式W=pV 可得,p=
W″
V =
600J
0.5×10-3m3=1.2×10
6Pa。
(4)
由p=
F
S
可知,活塞受到的压力
F=pS;因为在做功冲程中活塞移动
的距离为l,发动机的单缸排量V=
Sl,所以燃气对活塞所做的功W=
Fl=pSl=pV。
第四节 跨学科:热机效率
和环境保护
1.
1kg煤油完全燃烧放出的热量是
4.6×107J 4.6×107
2.
D 3.
D 4.
D
5.
小于 大于 解析:由图可知,A、
B 质量相同时,QA<QB,根据q=
Q放
m
可得,qA<qB,即A 燃料的热值
小于B 燃料的热值;若A、B 燃料质
量相等,且都完全燃烧,根据Q放=mq
可知,QA<QB,即B 放出的热量大于
A 放出的热量。
6.
30% 4.3×107 解析:1kg柴油
完全燃烧放出的能量Q放=3.01×
107J+1.29×107J=4.3×107J,该柴
油 机 的 效 率 η=
W有
Q放 ×100% =
1.29×107J
4.3×107J×100%=30%
;由公式
Q放=mq 得柴油的热值q=
Q放
m =
4.3×107J
1kg =4.3×10
7J/kg。
7.
D 解析:柴油机的效率比汽油机
的效率高,主要是因为柴油机在压缩
冲程中,压缩的程度比汽油机大,燃烧
更充分,燃气产生的压强更大,温度更
高。故选D。
8.
C 解析:甲、乙两车在水平高速公
路上匀速行驶时动力相同,甲车行驶
100km,耗油4L×2=8L,乙车行驶
100km,耗油7.3L,两车做的有用功
相同,故甲车的效率小于乙车的效率,
即η甲<η乙。选C。
9.
A 解析:热机的大量使用,会造成
噪声污染和空气污染,A对。
10.
(1)
不同 多 (2)
完全燃烧放
出的热量 燃料的质量 热值
(3)
4.2×105 10 空气(或燃气灶)
(4)
热效率 大 解析:(1)
由表格中
数据可知,完全燃烧质量相同的木柴、
焦炭、木炭放出的热量不同;对于同一
种燃料,质量越大,完全燃烧所释放的
热量越多。(2)
对于同一种燃料,完
全燃烧放出的热量与燃料的质量成正
比,即放出热量与质量的比值不变;物
理学中用热值表示燃料的这一特性。
(3)
完全燃烧0.01m3 的天然气放出
的热量 Q放 =Vq天然气 =0.01m3×
4.2×107J/m3=4.2×105J;由于
Q吸=Q放,由Q=cmΔt得,水的质量
m =
Q吸
c水Δt =
4.2×105J
4.2×103J/(kg·℃)×10℃
=
10kg;天然气完全燃烧放出的热量一
部分被水吸收,还有一部分会被容器、
空气等吸收。(4)
为了衡量水吸收的
热量在完全燃烧天然气放出的热量中
所占比例,物理中引入的是热效率的
概念,能量损失越少,热效率越高,便
能节约能源,减小对环境的破坏。
11.
解析:设乙醇汽油的体积为V,由
于混合后总体积不变,根据Q=qV
得,汽油完全燃烧放出的热量Q汽油=
V×90%×q汽油=0.9Vq汽油,乙醇完全
燃烧放出的热量Q乙醇=V×10%×
q乙醇=0.1Vq乙醇,所以,乙醇汽油的热
值 q乙醇汽油 =
Q汽油+Q乙醇
V =
0.9Vq汽油+0.1Vq乙醇
V = 0.9q汽油 +
0.1q乙醇=0.9×3.3×107J/L+0.1×
2.4×107J/L=3.21×107J/L。
12.
解析:(1)
汽车平均速度v=st=
360km
4h =90km
/h。(2)
消耗汽油的
质量 m=ρV=0.8×103kg/m3×
25×10-3m3=20kg;燃烧释放的热
量Q=qm=4.5×107J/kg×20kg=
9×108J。(3)
汽车发动机做的机械功
W=Pt=25×103 W×4×3600s=
3.6×108J;发动机的机械效率η=
W
Q ×100%=
3.6×108J
9×108J ×100%=
40%。
专题特训三 热学
公式的运用
1.
0.6×103 解析:由题意可知,水
吸收的热量Q吸=c水m水Δt水=4.2×
103J/(kg·℃)×200×10-3kg×
21
(30℃-25℃)=4200J,由于金属块
放出的热量全部被水吸收,所以Q放=
Q吸=4200J,故金属块的比热容
c金 =
Q放
m金Δt金 =
4200J
100×10-3kg×(100℃-30℃)
=
0.6×103J/(kg·℃)。
热平衡方程
热平衡方程的表达式为Q吸=
Q放,即两种物质发生热传递时最
终达到热平衡(温度相等),此时
cm(t2-t1)=c'm'(t1'-t2)。
2.
C 解析:放A 物体的水吸收的热
量Q吸1=c水m水Δt=c水m水×10℃,放
B 物 体 的 水 吸 收 的 热 量 Q吸2 =
c水m水Δt'=c水m水×20℃,所以Q吸2=
2Q吸1 ①;物体A、B 的质量相等,加
热到相同的温度
t0,放入等质量、温
度同为t的水里,不计热量损失,物体
A放出的热量等于水吸收的热量,所
以有Q放A=cAm(t0-tA)=Q吸1 ②;
物体B 放出的热量等于水吸收的热
量,可 得 Q放B =cBm (t0-tB)=
Q吸2 ③;由 ①②③ 式 得 Q放B =
2Q放A,即cBm(t0-tB)=2cAm(t0-
tA) ④,其中tA 为A 物体使水达到
的末温,tB 为B 物体使水达到的末
温,因为tA=t+10℃,tB=t+20℃,
所以tA<tB,则t0-tB<t0-tA,结合
④式得cB>2cA。故选C。
3.
D 解析:当将金属球放入甲容器
中时,金属球放出的热量与水吸收的
热量相等,即Q金=Q水;设金属球的
质量为m金、比热容为c金,水的质量
为m水、比热容为c水,则有c金m金·
(60℃-50℃)=c水m水(50℃-20℃),
化简得
c水m水
c金m金=
1
3
;当将金属球放入
乙容器中时,乙容器中的水放出的热
量与 金 属 球 吸 收 的 热 量 相 等,即
Q水'=Q金',由于甲、乙容器中水的质
量相等,又是同一个金属球,达到热平
衡时 两 者 共 同 的 温 度 为t,则 有
c水m水·(70℃-t)=c金m金 (t-
50℃),解得t=55℃,故D正确。
4.
42% 解析:水吸收的热量Q吸=
cm(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×
1kg×(60℃-20℃)=1.68×105J;
天然气完全燃烧放出的热量Q放=
Vq=0.01m3×4.0×107J/m3=4×
105J;此次燃气灶烧水的效率η=
Q吸
Q放 × 100% =
1.68×105J
4×105J ×
100%=42%。
5.
B 解析:由题意可知,油和水的质
量相等,都为m=50g=0.05kg,水的
比热容c水=4.2×103J/(kg·℃),
2min内水的温度由t0=20℃上升到
t=50℃,则水吸收的热量Q吸水 =
c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×
0.05kg×(50℃-20℃)=6.3×103J,
2min内油吸收的热量与水吸收的热
量相等,即2min内油吸收的热量
Q吸油=Q吸水=6.3×103J,故A错误;
由题意可知,酒精的热值q=3×
107J/kg,加热2min消耗的酒精的质
量m酒精=1g=1×10-3kg,则完全燃
烧1g酒精放出的热量Q放=m酒精q=
1×10-3kg×3×107J/kg=3×104J,
则酒精灯的加热效率η=
Q吸水
Q放 ×
100%=6.3×10
3J
3×104J ×100%=21%
,
故B正确;相同质量和相同初温的油
和水吸收相同的热量,末温越低表示
物质的吸热能力越强,油的末温比水
的高,说明油的吸热能力更弱,故C
错误;物质的吸热能力即比热容,是物
质的一种特性,与物质的种类和状态
有关,与其吸收热量的多少无关,故D
错误。
6.
解析:(1)
1个标准大气压下水的沸
点为100℃,把壶内水烧开,水需要吸
收的热量Q吸=c水m(t-t0)=4.2×
103J/(kg·℃)×2.5kg×(100℃-
20℃)=8.4×105J。(2)
煤燃烧放出
的热 量 Q放 =
Q吸
η
=8.4×10
5J
50% =
1.68×106J,普通煤炉至少燃烧煤的质
量m煤=
Q放
q煤 =
1.68×106J
3×107J/kg
=0.056kg。
(3)
炉壁间的水吸收的热量Q吸'=
c水m'(t'-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×
2kg×(40℃-20℃)=1.68×105J,
在消耗等量煤烧开壶内初温相同、等
量水的过程中,煤燃烧放出的热量不
变,壶内水吸收的热量不变,则吸收的
总的热量Q吸总=Q吸+Q吸'=8.4×
105J+1.68×105J=1.008×106J,此
双加热煤炉的烧水效率η'=
Q吸总
Q放 ×
100%=1.008×10
6J
1.68×106J×100%=60%
。
7.
做功 2
8.
B 解析:①
消耗的燃油完全燃烧
放出的热量Q放=mq=1kg×4.2×
107J/kg=4.2×107J,故①正确;
②
该汽车牵引力所做的功W=Fs=
1.8×103N×7×103m=1.26×107J,
该汽车牵引力做功的功率P=Wt =
1.26×107J
5×60s+50s=3.6×10
4 W =
36kW,故②正确;③
该汽车发动机的
效率η=
W
Q放×100%=
1.26×107J
4.2×107J×
100%=30%,故③正确。故选B。
9.
解析:(1)
由公式v=st
得s=vt=
50km/h×0.5h=25km=2.5×
104m。由 图 像 可 知,汽 车 速 度 为
50km/h时,所受阻力为4000N,由
于汽车匀速直线行驶,牵引力等于阻
31
力。汽车牵引力做的功W牵=Fs=
4000N×2.5×104m=1×108J。
(2)
燃料完全燃烧放出的总热量Q=
mq=8kg×4.5×107J/kg=3.6×
108J。(3)
电能增加 W电 =5.12×
108J×10%=5.12×107J。内燃机的
效率 η =
W牵+W电
Q × 100% =
1×108J+5.12×107J
3.6×108J ×100%=42%
。
第十四章整合拔尖
[高频考点突破]
典例1 b 煤油 2.52×104
解析:时间相等时,两种物质吸收的热
量相等,由图乙可以看出,a图线物质
的温度升高得快,b图线物质温度升
高得慢;由Q吸=cmΔt可知,在质量
相等、初温相同、吸热也相同的情况
下,温度升高快的物质比热容小,所以
a图线物质比热容小,b图线物质的
比热容大,即b图线对应的物质为水;
由图可知,两种物质的初温都是20℃,
水吸热5min后的末温是40℃,则水
吸收的热量Q水=c水m水(t水-t0)=
4.2×103J/(kg·℃)×0.3kg×
(40℃-20℃)=2.52×104J,a物质
吸热5min的末温是60℃,因为两种
物质吸收的热量相等,所以 Q水 =
Qa=cama(ta-t0)=ca×0.3kg×
(60℃-20℃);解得ca=2.1×
103J/(kg·℃),由表格可知,另一种
物质为煤油;煤油在0~5min内吸收
的热量Qa=2.52×104J。
[跟踪训练] 1.
2.52×104 1.4×
103 解析:由图可知,水在0~16min
内的初温t0=10℃,末温t=40℃,
16min内水吸收的热量Q吸水=c水m
(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×
0.2kg×(40℃-10℃)=2.52×104J;
另一种液体加热8min吸收的热量
Q吸=12Q吸水=
1
2×2.52×10
4J=
1.26×104J;由Q吸 =c液m液 (t液 -
t液0)得1.26×104J=c液×0.3kg×
(50℃-20℃),解得c液 =1.4×
103J/(kg·℃)。
典例2 (1)
热传递 (2)
AC
(3)
9
10q
(4)
3.5×103 解析:(1)
物
体向周围散热,物体的内能转移到周
围温度较低的物体上,内能减小,这种
改变内能的方式是热传递。(2)
q是
表示散热快慢的物理量,速度是表示
物体运动快慢的物理量,功率是表示
做功快慢的物理量,这三者的物理意
义最接近。故选AC。(3)
当物体的
温度为30℃,周围环境温度为20℃
时,根据牛顿冷却定律q=k(t物-t环)
可得物体的散热系数k= qt物-t环 =
q
30℃-20℃=
q
10℃
,当物体温度降低
到29℃时,散热快慢q'=k(t物'-
t环)= q10℃×
(29℃-20℃)=910q
。
(4)
水从30℃降到25℃放出的热量
Q放=c水m水(t0水-t水)=c水ρ水V水×
(30 ℃ - 25 ℃) = 4.2 ×
103J/(kg·℃)×1.0×103kg/m3×
V水×5℃,盐水从30℃降到25℃放
出的 热 量 Q放'=c盐水m盐水(t0盐水 -
t盐水)=c盐水ρ盐水V盐水 × (30 ℃ -
25℃)=c盐水 ×1.1×103kg/m3×
V盐水×5℃;由题图乙可知,水和盐水
的降温时间分别为24min和22min,
V水=V盐水,故它们放出的热量之比
Q放
Q放'=
24
22
,可 求 得 盐 水 的 比 热 容
c盐水=3.5×103J/(kg·℃)。
[跟踪训练] 2.
(1)
热 传 递
(2)
c2m2(t2-t1)+Q
c1m1 +t2
(3)
如图
所示 (4)
3.2%(3.1%~3.3%之间)
(第2题)
解析:(1)
刹车制动时,刹车块和车轮
上的鼓轮摩擦,摩擦生热,这是利用做
功的方式改变了物体的内能。热量传
给制动液后,制动液温度升高,内能增
大,这是利用热传递的方式改变了物
体的内能。(2)
水吸收的热量Q吸=
c2m2·(t2-t1),铜块放出的热量
Q放=c1m1(t-t2),Q放=Q吸+Q,
c2m2(t2-t1)+Q=c1m1(t-t2),铜
块的 初 温 即 制 动 液 的 沸 点t=
c2m2(t2-t1)+Q
c1m1 +t2
。(3)
根据表
中数据在坐标系中描出相应的坐标
点,用平滑的曲线连接即得沸点与含
水量的关系图像。(4)
观察图像可
知,含水量大约为3.2%(3.1%~
3.3%之间)时,制动液的沸点达到
140℃,这种制动液就必须更换。
典例3 B 解析:由图可知,活塞向
上运动,进气门和排气门都关闭,因此
是压缩冲程,故 A错误;完全燃烧
5kg的汽油放出的热量Q放=mq汽油=
5kg×4.6×107J/kg=2.3×108J,由
η=
W有
Q放 ×100%
可得,有用功W有=
Q放η=2.3×108J×30%=6.9×
107J,故B正确;飞轮每转两圈对外
做功一次,所以1min转动1800r,汽
油机对外做功900次,则该汽油机1s
内做功15次,故C错误;汽油机消耗
的燃料越少,其效率不一定越高,故D
错误。
[跟踪训练] 3.
做功 4.8×105
0.03 4000 解析:柴油机的压缩冲
41