14.3 热机的效率 同步课堂-2025-2026学年人教版物理九年级上学期

14.3热机的效率 讲解目录 【知识点1】热机的效率公式与计算 1 【知识点2】气体的热值计算 3 【知识点3】比较不同燃料的热值大小 3 【知识点4】固体和液体的热值计算 5 【题型1】燃料的热值及单位 6 【题型2】热值、比热容和热量的综合计算 8 【题型3】热机的效率概念 8 【题型4】热机的效率与热量的计算 11 【题型5】热机的效率、热量及功的综合计算 12 【题型6】燃烧热的计算 14 【题型7】如何提高热机的效率 16 知识讲解 【知识点1】热机的效率公式与计算 （1）定义：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率，其表达式为：η=×100%．由于热机在工作过程中总有能量损失，所以热机的效率总小于1． （2）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，因此热机的效率是描述热机性能的一个重要指标。 热机效率会以条件出现，也会考查热机效率的计算，通常在综合计算中考查。 例：如图，是一台以柴油为动力的双履带消防机器人，质量为1000kg，静止时履带与地面接触总面积为0.4m2。在某段平直公路上，机器人以3m/s的速度匀速行驶3min，其受到的阻力为2000N，通过这段路程共消耗0.09kg柴油（q柴油=4.0×107J/kg；g取10N/kg）。求： （1）机器人3min通过的路程； （2）机器人静止时，对水平地面产生的压强； （3）机器人在这段路程中消耗柴油用于牵引力做功的效率。 分析：（1）利用速度计算公式求得机器人3min通过的路程； （2）利用G=mg可求出机器人的重力，在水平地面上，机器人对地面的压力等于机器人的重力，根据p=得到机器人静止在水平地面时对地面产生的压强； （3）根据题意和二力平衡条件求出机器人受到的牵引力，利用W=Fs求得牵引力做功，利用Q放=mq求得柴油燃烧放出的热量，进一步求得机器人在这段路程中消耗柴油用于牵引力做功的效率。 解析：解：（1）机器人3min通过的路程 s=vt=3m/s×3×60s=540m （2）机器人静止时对地面的压力 F=G=mg=1000kg×10N/kg=1×104N 对水平地面产生的压强 （3）机器人匀速行驶，受到的牵引力和阻力是一对平衡力，所以，牵引力的大小 F′=f=2000N 牵引力做的功 W=F′s=2000N×540m=1.08×106J 柴油完全燃烧释放的热量 Q放=mq=0.09kg×4.0×107J/kg=3.6×106J 牵引力做功的效率 答：（1）机器人3min通过的路程为540m； （2）机器人静止时，对水平地面产生的压强为2.5×104Pa； （3）机器人在这段路程中消耗柴油用于牵引力做功的效率为30%。点评：本题考查了速度公式、压强公式以及功率公式，注意当机器人匀速直线运动时，牵引力与阻力是一对平衡力。 对于热机效率可与机械效率进行对比理解，热机效率是衡量热机性能好坏的一个重要参数，要提高热机的效率就是要提高热机用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，并且热机的效率总小于1． 【知识点2】气体的热值计算 气体：q=；Q=qV。 考查气体的热值运算，常考查计算放出的热量。 例：小量家的燃气热水器将2kg的水从40℃加热到100℃，消耗了0.02m3的天然气，水吸收的热量是______J，燃气热水器的热效率是______。[c水=4.2×103J/（kg•℃），q天然气=3.5×107J/m3] 分析：（1）根据Q吸=c水m水（t-t0）求出水吸收的热量； （2）根据Q放=q天然气V求得燃烧0.02m3的天然气放出的热量，再利用η=×100%求得燃气热水器的热效率。 解析：解：小量家的燃气热水器将2kg的水从40℃加热到100℃，水吸收的热量为： Q吸=c水m水（t-t0）=4.2×103J/（kg•℃）×2kg×（100℃-40℃）=5.04×105J； 燃烧0.02m3的天然气放出的热量为： Q放=q天然气V=0.02m3×3.5×107J/m3=7×105J， 则燃气热水器的热效率为： η=×100%=×100%=72%。 故答案为：5.04×105；72%。 点评：此题考查了热量的计算及热机效率的计算，属于基础知识。 只有完全燃烧时，才能用Q=qm或Q=qV计算。 【知识点3】比较不同燃料的热值大小 准备实验器材：‌需要准备铁架台、‌石棉网、‌烧杯、‌温度计各两只，‌以及适量的水和两种不同的燃料（‌如酒精和汽油）‌。‌ 设置实验装置：‌按照实验装置图依次将燃料盒、‌石棉网、‌烧杯、‌温度计自下而上固定好。‌ 控制变量：‌确保两种燃料的质量相同，‌燃烧的时间相同，‌加热相同质量的同种液体。‌ 进行实验：‌在两个烧杯中倒入质量相同、‌初温相同的水；‌在燃料盒中倒入质量相等的适量酒精和汽油；‌分别点燃酒精和汽油，‌加热烧杯内的水，‌直到燃料燃尽。‌记录数据：‌燃料燃尽后，‌记录两烧杯内水升高的温度△t。‌ 分析结果：‌比较两装置中烧杯内水升高的温度△t，‌升高的温度越高，‌表明水吸收的热量越多，‌进而表明燃料的放热能力越强。‌ 考查比较不同燃料的热值大小的实验，包括实验原理，实验器材，实验步骤，实验方法，数据分析，注意事项等内容。 例：如图甲、乙是小明和小华“探究不同物质吸热情况”和“比较不同燃料燃烧时的放热能力”的实验装置。 （1）甲、乙两组实验中均用到的实验探究方法有______和______。 （2）甲、乙两组实验中，杯中物质的质量应______（选填“相等”或“不相等”）；______（选填“甲”或“乙”）组实验中燃料的质量应相等。 （3）甲组实验中，当温度计示数相同时，可以根据______来比较吸热的多少；乙组实验中，当燃料燃尽时，可以根据______来比较燃料放出热量的多少。 分析：探究“探究不同物质吸热情况”，需要用相同的加热装置，燃烧相同的燃料（根据转换法，确保相同时间放出的热量相同），加热相同的时间，比较质量和初温相同的液体升高的温度； 为比较不同燃料燃烧时的放热能力，要用不同的燃料，加热质量相同的同种液体，液体升温越高，则燃料放出的热量越多； 这两个实验都用到了控制变量法和转换法。 解析：解：甲装置是比较不同物质吸热升温的现象，需要利用相同的热源（确保相同时间放出的热量相同），对质量和初温相同的不同物质加热，这用到了控制变量法；通过加热时间来比较不同物质吸收热量的多少，利用了转换法； 乙装置是为了比较不同燃料燃烧时的放热能力，需要用相同质量的不同燃料，加热质量相同的同一种液体，用到了控制变量法；通过液体升高的温度来比较不同燃料放出热量的多少，利用了转换法； 可见：（1）甲、乙两组实验中均用到的实验方法有控制变量法和转换法； （2）甲、乙两组实验中，杯中物质的质量应相等；甲组实验中燃料的质量应相等； （3）甲组实验中，当温度计示数相同时，可以根据加热时间来比较吸热的多少；乙组实验中，当燃料燃尽时，可以根据液体升高的温度来比较燃料放出热的多少。 故答案为：（1）控制变量法；转换法；（2）相等；乙；（2）加热时间；液体升高的温度。 点评：本题研究“不同物质吸热升温的现象”和“不同燃料燃烧的放热能力”，考查转换法和控制变量法及两实验的相同与不同之处。 理解实验原理以及实验步骤，掌握控制变量法的应用。 【知识点4】固体和液体的热值计算 固体和液体：q=；Q=qm。 气体：q=；Q=qV。 考查固体和液体的热值运算，常考查计算放出的热量。 例：某家庭用燃气热水器将质量为100kg、温度为10℃的自来水加热到60℃，消耗的天然气质量为2kg（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3.5×107J/kg，求在此过程中： （1）自来水吸收的热量； （2）该热水器工作时的效率。 分析：（1）利用吸热公式Q吸=cm（t-t0）求水吸收的热量； （2）由Q放=mq可求出天然气完全燃烧放出的热量；水吸收的热量跟天然气完全燃烧放出的热量之比等于该热水器工作时的效率。 解析：解：（1）水吸收的热量：Q吸=cm（t-t0）=4.2×103J/（kg•℃）×100kg×（60℃-10℃）=2.1×107J； （2）天然气完全燃烧放出的热量：Q放=mq=2kg×3.5×107J/m3=7×107J； 该热水器工作时的效率：η=×100%=×100%=30%。 答：（1）水吸收的热量为2.1×107J； （2）该热水器工作时的效率是30%。 点评：本题主要考查了燃料完全燃烧放热公式Q放=mq、Q吸=cm（t-t0）和效率公式η=的掌握和运用，要求掌握公式的正确应用。 只有完全燃烧时，才能用Q=qm或Q=qV计算。 题型专练 【题型1】燃料的热值及单位 【典型例题】关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（    ） A.燃料完全燃烧时，它的热值最大 B.煤燃烧时放出的热量，一定比计算值小 C.没有燃烧的燃料，热值等于零 D.燃料燃烧时，产生的温度越高，放出的热量越多 【举一反三1】在东北农村欢度新春佳节是很有年味的，比如“宰年猪、庆新年”。如图是小王家在院内支起铁锅，用木柴烧水烹猪肉的场景，下列说法正确的是(　　) A.木材烧得很旺时木材的热值会变大 B.水蒸气推动锅盖的过程与汽油机做功冲程能量转化相同 C.水和猪肉增加的内能等于木柴燃烧放出的热量 D.锅内猪肉温度升高是因为肉含有的热量增加了 【举一反三2】我们平时在买煤球时，总要问一下这种煤“耐不耐烧”，这里所说的“耐”在物理学上是指煤的(　　) A.内能 B.比热容 C.热值 D.热量 【举一反三3】我国自主研制的氢能源列车主要是利用氢燃料(　　) A.热值大 B.热值小 C.密度大 D.密度小 【举一反三4】2023年10月26日，搭载“神舟十七号”载人飞船的长征二号F遥十七运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空，长征二号F遥十七运载火箭以氢做燃料是因为氢的          大；火箭升空时，燃料燃烧产生的内能转化为火箭的          能。 【举一反三5】阅读短文，回答问题： 从火车到火箭 生产的发展需要强大的动力17世纪，人类发明了热机，最早的热机是蒸汽机，在锅炉里把水烧成水蒸气，水蒸气在气缸里推动活塞做功。原始的蒸汽机不便于使用… 交通运输的发展迫切需要轻便的热机。于是，内燃机应运而生，内燃机分为汽油机、柴油机两大类。汽油机是1876年发明的，柴油机是1892年发明的。内燃机行驶时不需要携带很多的水和煤，不但轻便，效率也提高了… 早期的飞机是由内燃机提供动力的。从上世纪40年代开始，飞机上越来越多的使用喷气发动机，它向后高速喷出气体，从而获得前进的动力。在功率相同时，喷气发动机比内燃机更轻便… 根据材料内容，请在答题卡上回答下列问题： （1）在功率相同时，喷气发动机、内燃机、蒸汽机的质量大小依次           （选填“增大”或“减小”）； （2）在结构上柴油机的顶部是喷油嘴，汽油机的顶部是           ； （3）汽油机工作过程中燃料的化学能先转化为内能，内能再转化为           ； （4）现代火箭用液态氢作为燃料，是因为液态氢具有较大的           。 【举一反三6】2024年10月30日凌晨4时27分，搭载神舟十九号载人飞船的长征二号F遥十九运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射升空，火箭起飞时，采用液态氢作为燃料，原因是液态氢的__________(选填“比热容”或“热值”)大。燃料燃烧时，把燃料的__________能转化为内能，产生大量高温高压的燃气，燃气对火箭做功，燃气的内能会__________(选填“增大”“减小”或“不变”)。 【题型2】热值、比热容和热量的综合计算 【典型例题】自热火锅是当下一种时尚快餐，它里面的发热包能将500g水从10℃加热至沸腾（标准大气压下）。如果用酒精灯给500g水加热升高同样温度，至少需要酒精           g。［，］ 【举一反三1】将装有3kg水的热水壶放在天然气燃气灶上，在标准大气压下，将水从初温为20℃加热至沸腾，天然气表的示数由110.35m3变为110.40m3，则消耗的天然气完全燃烧放出的热量是__________J，该燃气灶的效率是多少_________。[已知天然气的热值为3.0×107J/m3，水的比热容为4.2×103J/(kg•℃)] 【举一反三2】小洪同学家原来用液化石油气烧水，每天约用60 ℃的热水100 kg。她参加“探究性学习”活动后，在老师指导和同学帮助下，制作了一台简易的太阳能热水器。 (1)若这台热水器夏天平均每天可将100 kg的水从20 ℃加热到60 ℃，这些水吸收的热量为多少？(c水=4.2×103 J/(kg·℃)) (2)若液化石油气燃烧放出的热量有70%被水吸收，她家改用太阳能热水器后，平均每天可节约液化石油气多少千克？(液化石油气的热值为8.0×107 J/kg) (3)请你说出使用太阳能热水器的优点．(至少说出一点) 【举一反三3】小榕一家去露营时，用卡式炉烧水泡茶。其配备的卡式炉气罐中装有质量为0.25kg的丁烷，其热值约为4.8×107J/kg，若这些丁烷完全燃烧可以放出热量约为多少？ 【题型3】热机的效率概念 【典型例题】关于热机的效率，下列说法正确的是(　　) A.蒸汽机的效率通常高于喷气发动机 B.热机效率一定小于100% C.汽车排放的尾气，是城市环境污染的重要来源．目前有些新型燃料汽车，实现了“零排放”，它们的效率达到100% D.在完全无摩擦的道路上，汽车发动机可达到100% 【举一反三1】关于热机的效率，下列说法中正确的是(　　) A.热机的效率可以等于1 B.燃料完全燃烧放出的热量不可能全部用来做功 C.减少热损失对提高热机效率无影响 D.设法利用废气的能量也不能提高热机效率 【举一反三2】如图是内燃机的能流图，则内燃机的效率可表示为(　　) A.η＝×100% B.η＝×100% C.η＝×100% D.η＝×100% 【举一反三3】关于热机效率，下列说法正确的是(　　) A.两台热机，做有用功多的那台效率高 B.热机的效率总小于1，只因为废气带走了余热 C.热机的效率总小于1，说明使用热机的过程能量不守衡 D.某热机的效率为35%，说明其用来做有用功的那部分能量占燃料完全燃烧放出的热量的35% 【举一反三4】关于热机，下列说法中正确的是（　　） A.热机的效率越高说明热机做功越快 B.新能源汽车的电动机的效率可达100% C.在做功同样多的情况下，消耗的燃料越多，热机的效率越高 D.做功冲程既存在化学能转化为内能，也存在内能转化为机械能 【举一反三5】一台单缸四冲程汽油机，飞轮转速为3600r/min，则1s对外做功__________次，运行时各种能量的损耗为：汽缸散热损失占15%，废气带走的能量占40%，摩擦等机械损耗占10%，则它的热机效率为_________。 【举一反三6】如图是热机的__________冲程，汽车尾气中的“汽油味”越浓燃料燃烧得越不充分，这会__________(选填“降低”或“提高”)热机的效率。 【举一反三7】运载火箭是一种能够将人造卫星、载人飞船等有效载荷送入太空预定轨道的航天运输工具。 (1)运载火箭在穿越大气层时，保护卫星等有效载荷的整流罩与大气摩擦后温度升高，内能_________，这是通过__________的方式改变内能的。 (2)运载火箭发动机中的燃料燃烧时热值__________。 (3)随着科学技术的进步，运载火箭发动机的效率是否能达到100%_________。 【举一反三8】老师用如图一所示实验装置，加热试管使水沸腾，发现试管上方的小风车，开始不停地转动；由此引出以下问题，请利用所学的知识回答。 （1）图一实验中能量转化方式与图二中汽油机的         （“甲”、“乙”、“丙”或“丁”）冲程相同； （2）汽油机的点火方式为         ； （3）图三是汽油机的能量流向图，这台汽油机的效率η＝         。 【题型4】热机的效率与热量的计算 【典型例题】两台汽油机，甲做的功是乙的1.5倍，甲的效率是25%，乙的效率是30%，那么甲与乙消耗的汽油的质量之比是(　　) A.9∶5 B.5∶9 C.5∶6 D.6∶5 【举一反三1】小丽为了测试汽车发动机的效率，开车以60km/h的平均速度行驶了120km，用去汽油30L，已知汽油的密度为0.7×103kg/m3，热值为4.6×107J/kg，发动机的功率为34.5kW，则该汽车发动机的效率为(　　) A.25.7% B.28.8% C.36.5% D.38% 【举一反三2】2023年5月30日，在酒泉基地发射的“神舟十六号”载人飞船升空过程中，燃料舱内的液态氢的热值__________(选填“变大”“不变”或“变小”)；一台四冲程汽油机，完全燃烧2kg的汽油可以转化为2.3×107J的机械能，2kg汽油完全燃烧放出的热量为__________J，该汽油机的热机效率是_________。(已知汽油的热值为4.6×107J/kg) 【举一反三3】某物理兴趣小组的同学，用煤炉给 10 kg的水加热，同时绘了如下图所示的加热过程中水温随时间变化的图线，若在6min内完全燃烧了 0.2 kg的煤，煤的热值为3×107J/kg。6min内煤完全燃烧产生的热量________ J；在烧水过程中，(选填“0～2 min”“2～4 min”或“4～6 min”)热效率最高。(水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃) 【举一反三4】小明买了一款大众轿车，发现尾部标有TSI，“SI”二个字母是红色的。大众轿车的TSI技术指机器双增压(涡轮和机械增压)分层喷射技术，属于大功率、低转速大扭矩的发动机。涡轮增压的原理是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，发动机的输出功率就得到了较大的提升。 “I”字母是红色的是1.4TSI，“SI”二个字母是红色的是1.8TSI，“TSI”三个字母是红色的是2.0TSI。这辆汽车的最低油耗可达0.2 kg/(kW·h)，已知汽油的热值为4.6×107 J/kg。(温馨提示：最低油耗是指燃烧最少的汽油获得最大有用功的能量；0.2 kg/(kW·h)表示获得1 kW·h能量消耗0.2 kg汽油)。 求：(1)0.2 kg的汽油完全燃烧时放出的热量； (2)该汽车发动机的效率。(结果保留整数) 【题型5】热机的效率、热量及功的综合计算 【典型例题】有甲、乙两台汽油机，在相同的时间内，它们所做的有用功之比是5∶4，消耗汽油的质量之比是3：2，那么它们的效率之比是(　　) A.15∶8 B.8∶15 C.6∶5 D.5∶6 【举一反三1】甲、乙两台汽油机使用相同的汽油，若在同一时间内，甲、乙两汽油机做的有用功之比为3∶2，甲的效率是25%，乙的效率是20%，则在同样的时间内，甲、乙两汽油机消耗汽油的质量之比为(　　) A.2∶5 B.5∶2 C.5∶6 D.6∶5 【举一反三2】某品牌汽车燃油机的能量流程图如图所示，若汽车行驶过程中消耗燃油4kg，(燃油的热值为3.15×107J/kg)，该热机的效率约为__________，假如这些燃油完全燃烧，牵引力做的功是_______________J。 【举一反三3】有一辆氢能源汽车以30kW的功率在平直的公路上匀速行驶1.4h，消耗了2.7kg氢燃料，该氢能源汽车发动机的效率是__________。 【举一反三4】油电混合动力汽车是新型节能汽车。这种汽车以高速匀速行驶时，内燃机启动，此时在向车轮输送能量的同时也给动力蓄电池组充电。已知某型号混合动力汽车所用的动力蓄电池可储存的最大电能是1.0×108J。若测试人员驾驶该车在平直公路上以80km/h的测试车速匀速行驶0.5h，内燃机消耗燃油2.5kg，蓄电池组的电能增加了最大电能的10%；从汽车的使用说明书知道，汽车行驶时所受阻力f和车速v的关系如图所示。则： (1)该汽车测试行驶中牵引力做了多少功？ (2)该汽车测试行驶中若燃油完全燃烧可放出多少热量？ (3)该汽车内燃机的效率是多大？(燃油的热值为4.6×107J/kg) 【举一反三5】2024年2月29日，如图是万众期待的山海炮房车。若在一段平直的路上匀速行驶33km，此过程消耗柴油质量为5kg，牵引力为2×103N，柴油的热值为3.3×107J/kg，g取10N/kg。求： (1)该房车在此过程中牵引力所做的功； (2)柴油完全燃烧放出的热量； (3)此房车行驶过程中热机的效率。 【题型6】燃烧热的计算 【典型例题】汽油的热值为4.6×107J/kg，则燃烧2kg的汽油放出的热量不可能为(　　) A.4.8×107J B.3.9×107J C.5.8×107J D.9.8×107J 【举一反三1】用如图1所示的同一个实验装置分别加热质量均为100g的甲、乙两种液体(其中一种是水)。用测得的数据绘制了温度随时间变化的图像(如图2)，乙从20℃加热至沸腾刚好消耗了4g酒精(q酒精＝3×107J/kg)。若单位时间内甲吸收的热量与乙吸收的热量相等，c水＝4.2×103J/(kg•℃)，则下列说法正确的是(　　) A.c乙＝2.4×103J/(kg•℃) B.乙液体是水 C.酒精完全燃烧放出的热量为1.2×108J D.0～8min乙吸收的热量为3.36×104J 【举一反三2】我们把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表是一些燃料的热值。下列选项正确的是(　　) A.0.5kg的汽油的热值是2.3×107J/kg B.热值为3.0×107J/kg的燃料一定是酒精 C.燃料越接近完全燃烧，燃料的热值就越大 D.0.5kg的汽油完全燃烧放出的热量是2.3×107J 【举一反三3】“低碳环保”是当今世界环境主题，天然气是一种低污染燃料，在我县已普遍使用。天然气热值为4×107J/m3，完全燃烧0.42m3的天然气所释放的热量为__________J，若完全被水吸收，能使__________kg的水温度升高20℃。[c水＝4.2×103J/(kg•℃)] 【举一反三4】可燃冰清洁无污染，储量巨大，是一种非常理想的新型能源。若可燃冰的热值为4.2×108J/m3，完全燃烧2m3的可燃冰可放出的热量是__________J，若这些热量的40%被水吸收，可把_________kg的水从20℃加热至60℃。[c水＝4.2×103J/(kg•℃)] 【举一反三5】小红观察到家里的迷你磁炉外包装上印有“体积小方便携带、高火力效率高”等字样，她内心产生了疑问：“该款磁炉的效率到底有多高？”于是她准备实际测试一下炉子的效率，她测量了2kg的水倒入锅中，测得初温为20℃，当水温加热到100℃时停止加热，测得燃烧了30g的丁烷气体，水的比热容是4.2×103J/(kg•℃)，这种丁烷气体的热值是3.5×107J/kg。试求： (1)30g丁烷气体完全燃烧放出的热量是多少？ (2)水吸收的热量是多少？ (3)炉子烧水的效率是多少？ 【举一反三6】如图所示为某折叠卡式炉，采用丁烷气体作为燃料。水壶装入2kg初温为25℃的水，用卡式炉加热至100℃，消耗了25g丁烷气体(水的比热容为4.2×103J/(kg•℃)，丁烷的热值为4.8×107J/kg)。求： (1)水吸收的热量； (2)丁烷完全燃烧放出的热量； (3)卡式炉的加热效率。 【题型7】如何提高热机的效率 【典型例题】如图所示，汽油机处于工作过程中的某个冲程，转速是1200r/min。下列有关说法正确的是(　　) A.此冲程是压缩冲程 B.此冲程能量转化是机械能转化为内能 C.增加汽油机的工作时间，能提高它的效率 D.若该汽油机飞轮的转速为1200r/min，则在1s内汽油机对外做了10次功 【举一反三1】下列有关热学知识的分析，正确的是(　　) A.使燃料充分燃烧可以增加有效利用的能量，从而提高热机效率 B.海波在熔化过程中持续吸热，温度不变，但内能减小 C.燃料燃烧得越充分，这种燃料的热值就越大 D.热传递过程中，温度由高温物体传向低温物体 【举一反三2】图是某内燃机工作时的能量流向图，该内燃机的热机效率是（　　） A.25% B.35% C.40% D.75% 【举一反三3】现在有的小汽车采用涡轮增压发动机，它和普通发动机相比，能利用废气的能量压缩空气，增加汽缸的进气量，这样燃料燃烧__________，发动机效率更 __________(选填“高”或“低”) 。 【举一反三4】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。 【举一反三5】如图是课本中的两个热学实验： （1）如果要探究物质吸热升温情况，应该选择图         ；该实验中通过比较         来比较物质吸收热量的多少； （2）在比较不同燃料热值的时，不需要控制         相同 A．燃料的种类　　B．被加热的液体的种类 C．燃料的质量　　D．被加热的液体的质量 学科网（北京）股份有限公司 $ 14.3热机的效率 讲解目录 【知识点1】热机的效率公式与计算 1 【知识点2】气体的热值计算 3 【知识点3】比较不同燃料的热值大小 3 【知识点4】固体和液体的热值计算 5 【题型1】燃料的热值及单位 6 【题型2】热值、比热容和热量的综合计算 9 【题型3】热机的效率概念 11 【题型4】热机的效率与热量的计算 15 【题型5】热机的效率、热量及功的综合计算 17 【题型6】燃烧热的计算 21 【题型7】如何提高热机的效率 25 知识讲解 【知识点1】热机的效率公式与计算 （1）定义：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率，其表达式为：η=×100%．由于热机在工作过程中总有能量损失，所以热机的效率总小于1． （2）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，因此热机的效率是描述热机性能的一个重要指标。 热机效率会以条件出现，也会考查热机效率的计算，通常在综合计算中考查。 例：如图，是一台以柴油为动力的双履带消防机器人，质量为1000kg，静止时履带与地面接触总面积为0.4m2。在某段平直公路上，机器人以3m/s的速度匀速行驶3min，其受到的阻力为2000N，通过这段路程共消耗0.09kg柴油（q柴油=4.0×107J/kg；g取10N/kg）。求： （1）机器人3min通过的路程； （2）机器人静止时，对水平地面产生的压强； （3）机器人在这段路程中消耗柴油用于牵引力做功的效率。 分析：（1）利用速度计算公式求得机器人3min通过的路程； （2）利用G=mg可求出机器人的重力，在水平地面上，机器人对地面的压力等于机器人的重力，根据p=得到机器人静止在水平地面时对地面产生的压强； （3）根据题意和二力平衡条件求出机器人受到的牵引力，利用W=Fs求得牵引力做功，利用Q放=mq求得柴油燃烧放出的热量，进一步求得机器人在这段路程中消耗柴油用于牵引力做功的效率。 解析：解：（1）机器人3min通过的路程 s=vt=3m/s×3×60s=540m （2）机器人静止时对地面的压力 F=G=mg=1000kg×10N/kg=1×104N 对水平地面产生的压强 （3）机器人匀速行驶，受到的牵引力和阻力是一对平衡力，所以，牵引力的大小 F′=f=2000N 牵引力做的功 W=F′s=2000N×540m=1.08×106J 柴油完全燃烧释放的热量 Q放=mq=0.09kg×4.0×107J/kg=3.6×106J 牵引力做功的效率 答：（1）机器人3min通过的路程为540m； （2）机器人静止时，对水平地面产生的压强为2.5×104Pa； （3）机器人在这段路程中消耗柴油用于牵引力做功的效率为30%。点评：本题考查了速度公式、压强公式以及功率公式，注意当机器人匀速直线运动时，牵引力与阻力是一对平衡力。 对于热机效率可与机械效率进行对比理解，热机效率是衡量热机性能好坏的一个重要参数，要提高热机的效率就是要提高热机用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，并且热机的效率总小于1． 【知识点2】气体的热值计算 气体：q=；Q=qV。 考查气体的热值运算，常考查计算放出的热量。 例：小量家的燃气热水器将2kg的水从40℃加热到100℃，消耗了0.02m3的天然气，水吸收的热量是______J，燃气热水器的热效率是______。[c水=4.2×103J/（kg•℃），q天然气=3.5×107J/m3] 分析：（1）根据Q吸=c水m水（t-t0）求出水吸收的热量； （2）根据Q放=q天然气V求得燃烧0.02m3的天然气放出的热量，再利用η=×100%求得燃气热水器的热效率。 解析：解：小量家的燃气热水器将2kg的水从40℃加热到100℃，水吸收的热量为： Q吸=c水m水（t-t0）=4.2×103J/（kg•℃）×2kg×（100℃-40℃）=5.04×105J； 燃烧0.02m3的天然气放出的热量为： Q放=q天然气V=0.02m3×3.5×107J/m3=7×105J， 则燃气热水器的热效率为： η=×100%=×100%=72%。 故答案为：5.04×105；72%。 点评：此题考查了热量的计算及热机效率的计算，属于基础知识。 只有完全燃烧时，才能用Q=qm或Q=qV计算。 【知识点3】比较不同燃料的热值大小 准备实验器材：‌需要准备铁架台、‌石棉网、‌烧杯、‌温度计各两只，‌以及适量的水和两种不同的燃料（‌如酒精和汽油）‌。‌ 设置实验装置：‌按照实验装置图依次将燃料盒、‌石棉网、‌烧杯、‌温度计自下而上固定好。‌ 控制变量：‌确保两种燃料的质量相同，‌燃烧的时间相同，‌加热相同质量的同种液体。‌ 进行实验：‌在两个烧杯中倒入质量相同、‌初温相同的水；‌在燃料盒中倒入质量相等的适量酒精和汽油；‌分别点燃酒精和汽油，‌加热烧杯内的水，‌直到燃料燃尽。‌记录数据：‌燃料燃尽后，‌记录两烧杯内水升高的温度△t。‌ 分析结果：‌比较两装置中烧杯内水升高的温度△t，‌升高的温度越高，‌表明水吸收的热量越多，‌进而表明燃料的放热能力越强。‌ 考查比较不同燃料的热值大小的实验，包括实验原理，实验器材，实验步骤，实验方法，数据分析，注意事项等内容。 例：如图甲、乙是小明和小华“探究不同物质吸热情况”和“比较不同燃料燃烧时的放热能力”的实验装置。 （1）甲、乙两组实验中均用到的实验探究方法有______和______。 （2）甲、乙两组实验中，杯中物质的质量应______（选填“相等”或“不相等”）；______（选填“甲”或“乙”）组实验中燃料的质量应相等。 （3）甲组实验中，当温度计示数相同时，可以根据______来比较吸热的多少；乙组实验中，当燃料燃尽时，可以根据______来比较燃料放出热量的多少。 分析：探究“探究不同物质吸热情况”，需要用相同的加热装置，燃烧相同的燃料（根据转换法，确保相同时间放出的热量相同），加热相同的时间，比较质量和初温相同的液体升高的温度； 为比较不同燃料燃烧时的放热能力，要用不同的燃料，加热质量相同的同种液体，液体升温越高，则燃料放出的热量越多； 这两个实验都用到了控制变量法和转换法。 解析：解：甲装置是比较不同物质吸热升温的现象，需要利用相同的热源（确保相同时间放出的热量相同），对质量和初温相同的不同物质加热，这用到了控制变量法；通过加热时间来比较不同物质吸收热量的多少，利用了转换法； 乙装置是为了比较不同燃料燃烧时的放热能力，需要用相同质量的不同燃料，加热质量相同的同一种液体，用到了控制变量法；通过液体升高的温度来比较不同燃料放出热量的多少，利用了转换法； 可见：（1）甲、乙两组实验中均用到的实验方法有控制变量法和转换法； （2）甲、乙两组实验中，杯中物质的质量应相等；甲组实验中燃料的质量应相等； （3）甲组实验中，当温度计示数相同时，可以根据加热时间来比较吸热的多少；乙组实验中，当燃料燃尽时，可以根据液体升高的温度来比较燃料放出热的多少。 故答案为：（1）控制变量法；转换法；（2）相等；乙；（2）加热时间；液体升高的温度。 点评：本题研究“不同物质吸热升温的现象”和“不同燃料燃烧的放热能力”，考查转换法和控制变量法及两实验的相同与不同之处。 理解实验原理以及实验步骤，掌握控制变量法的应用。 【知识点4】固体和液体的热值计算 固体和液体：q=；Q=qm。 气体：q=；Q=qV。 考查固体和液体的热值运算，常考查计算放出的热量。 例：某家庭用燃气热水器将质量为100kg、温度为10℃的自来水加热到60℃，消耗的天然气质量为2kg（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3.5×107J/kg，求在此过程中： （1）自来水吸收的热量； （2）该热水器工作时的效率。 分析：（1）利用吸热公式Q吸=cm（t-t0）求水吸收的热量； （2）由Q放=mq可求出天然气完全燃烧放出的热量；水吸收的热量跟天然气完全燃烧放出的热量之比等于该热水器工作时的效率。 解析：解：（1）水吸收的热量：Q吸=cm（t-t0）=4.2×103J/（kg•℃）×100kg×（60℃-10℃）=2.1×107J； （2）天然气完全燃烧放出的热量：Q放=mq=2kg×3.5×107J/m3=7×107J； 该热水器工作时的效率：η=×100%=×100%=30%。 答：（1）水吸收的热量为2.1×107J； （2）该热水器工作时的效率是30%。 点评：本题主要考查了燃料完全燃烧放热公式Q放=mq、Q吸=cm（t-t0）和效率公式η=的掌握和运用，要求掌握公式的正确应用。 只有完全燃烧时，才能用Q=qm或Q=qV计算。 题型专练 【题型1】燃料的热值及单位 【典型例题】关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（    ） A.燃料完全燃烧时，它的热值最大 B.煤燃烧时放出的热量，一定比计算值小 C.没有燃烧的燃料，热值等于零 D.燃料燃烧时，产生的温度越高，放出的热量越多 【答案】B 【解析】热值是燃料的一种特性，与燃料种类有关，与燃料的质量和燃烧程度无关，故AC错误； 煤燃烧时，由于不能完全燃烧，放出的热量一般比计算值小，故B正确； 燃料燃烧时放出的热量与燃烧程度和燃烧的质量有关，与燃料燃烧时的温度高低无关，故D错误。故选B。 【举一反三1】在东北农村欢度新春佳节是很有年味的，比如“宰年猪、庆新年”。如图是小王家在院内支起铁锅，用木柴烧水烹猪肉的场景，下列说法正确的是(　　) A.木材烧得很旺时木材的热值会变大 B.水蒸气推动锅盖的过程与汽油机做功冲程能量转化相同 C.水和猪肉增加的内能等于木柴燃烧放出的热量 D.锅内猪肉温度升高是因为肉含有的热量增加了 【答案】B 【解析】热值只与燃料的种类有关，与燃料的质量、是否完全燃烧、以及放出热量的多少等因素无关，木材烧得很旺时，其热值不变，故A错误； 水蒸气推动锅盖的过程，是水蒸气对外做功，将内能转化为机械能的过程。这与汽油机的做功冲程相似，在汽油机的做功冲程中，也是将内能转化为机械能，故B正确； 由于烧水烹猪肉的过程中，会有热量散失到空气中，因此水和猪肉增加的内能实际上要小于木柴燃烧放出的热量，故C错误； 热量是一个过程量，不能说物体“含有”多少热量，只能说物体“吸收”或“放出”了多少热量，故D错误。 【举一反三2】我们平时在买煤球时，总要问一下这种煤“耐不耐烧”，这里所说的“耐”在物理学上是指煤的(　　) A.内能 B.比热容 C.热值 D.热量 【答案】C 【解析】燃料的好坏取决于燃料热值的大小，因此我们平时所说的煤“耐不耐烧”是指煤的热值大小。 【举一反三3】我国自主研制的氢能源列车主要是利用氢燃料(　　) A.热值大 B.热值小 C.密度大 D.密度小 【答案】A 【解析】我国自主研制的氢能源列车主要是利用氢燃料热值大，和相同质量的其它燃料相比，完全燃烧放出的热量多，故A符合题意，B、C、D不符合题意。 【举一反三4】2023年10月26日，搭载“神舟十七号”载人飞船的长征二号F遥十七运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空，长征二号F遥十七运载火箭以氢做燃料是因为氢的          大；火箭升空时，燃料燃烧产生的内能转化为火箭的          能。 【答案】热值 机械 【解析】火箭发射过程燃烧燃料，将燃料的化学能转化为内能，再将内能转化为火箭的机械能，需要巨大的能量，氢燃料的热值大，相同质量的氢燃料燃烧时能获得巨大的能量。 火箭也属于热机的一种，发射火箭时，实现了燃气的内能转化为火箭的机械能。 【举一反三5】阅读短文，回答问题： 从火车到火箭 生产的发展需要强大的动力17世纪，人类发明了热机，最早的热机是蒸汽机，在锅炉里把水烧成水蒸气，水蒸气在气缸里推动活塞做功。原始的蒸汽机不便于使用… 交通运输的发展迫切需要轻便的热机。于是，内燃机应运而生，内燃机分为汽油机、柴油机两大类。汽油机是1876年发明的，柴油机是1892年发明的。内燃机行驶时不需要携带很多的水和煤，不但轻便，效率也提高了… 早期的飞机是由内燃机提供动力的。从上世纪40年代开始，飞机上越来越多的使用喷气发动机，它向后高速喷出气体，从而获得前进的动力。在功率相同时，喷气发动机比内燃机更轻便… 根据材料内容，请在答题卡上回答下列问题： （1）在功率相同时，喷气发动机、内燃机、蒸汽机的质量大小依次           （选填“增大”或“减小”）； （2）在结构上柴油机的顶部是喷油嘴，汽油机的顶部是           ； （3）汽油机工作过程中燃料的化学能先转化为内能，内能再转化为           ； （4）现代火箭用液态氢作为燃料，是因为液态氢具有较大的           。 【答案】(1)增大 (2)火花塞 (3)机械能 (4)热值 【解析】（1）在功率相同时，蒸汽机最重，内燃机次之，喷气发动机最轻，在功率相同时，喷气发动机、内燃机、蒸汽机的质量大小依次增大。 （2）柴油机和汽油机在构造上的主要区别是：柴油机顶部有喷油嘴，汽油机的顶部是火花塞。 （3）汽油机工作过程中，燃料燃烧时，燃料的化学能转化为内能，然后高温高压燃气对外做功，将内能转化为机械能。 （4）火箭采用液态氢作为火箭的燃料，具有较高的热值，完全燃烧相同质量的氢时，可以释放出更多的热量。 【举一反三6】2024年10月30日凌晨4时27分，搭载神舟十九号载人飞船的长征二号F遥十九运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射升空，火箭起飞时，采用液态氢作为燃料，原因是液态氢的__________(选填“比热容”或“热值”)大。燃料燃烧时，把燃料的__________能转化为内能，产生大量高温高压的燃气，燃气对火箭做功，燃气的内能会__________(选填“增大”“减小”或“不变”)。 【答案】热值　化学　减小 【解析】火箭一般使用液态氢作为燃料，原因是液态氢具有较大的热值，与其它燃料相比，完全燃烧相同质量的液态氢时，可以释放出更多的热量。 燃料燃烧时，把燃料的化学能转化为内能，产生大量高温高压的燃气，燃气对火箭做功，将内能转化为火箭的机械能，使得火箭的机械能增大，燃气的内能减小。 【题型2】热值、比热容和热量的综合计算 【典型例题】自热火锅是当下一种时尚快餐，它里面的发热包能将500g水从10℃加热至沸腾（标准大气压下）。如果用酒精灯给500g水加热升高同样温度，至少需要酒精           g。［，］ 【答案】6.3 【解析】标准大气压下，水的沸点为100°C，水温度的变化量为 提供给水的热量至少为 当酒精完全燃烧放出的热量全部被水吸收时，需要的燃烧的酒精的质量最少，即 则至少需要酒精的质量为 【举一反三1】将装有3kg水的热水壶放在天然气燃气灶上，在标准大气压下，将水从初温为20℃加热至沸腾，天然气表的示数由110.35m3变为110.40m3，则消耗的天然气完全燃烧放出的热量是__________J，该燃气灶的效率是多少_________。[已知天然气的热值为3.0×107J/m3，水的比热容为4.2×103J/(kg•℃)] 【答案】1.5×106　67.2% 【解析】通过天然气表可知，消耗的天然气的体积： ， 消耗的天然气完全燃烧放出的热量： ； 在标准大气压下，水的沸点为100℃，即水的末温为100℃，即温度的变化量： Δt＝t末﹣t初＝100℃﹣20℃＝80℃， 水吸收的热量： ， 则燃气灶的效率： 。 【举一反三2】小洪同学家原来用液化石油气烧水，每天约用60 ℃的热水100 kg。她参加“探究性学习”活动后，在老师指导和同学帮助下，制作了一台简易的太阳能热水器。 (1)若这台热水器夏天平均每天可将100 kg的水从20 ℃加热到60 ℃，这些水吸收的热量为多少？(c水=4.2×103 J/(kg·℃)) (2)若液化石油气燃烧放出的热量有70%被水吸收，她家改用太阳能热水器后，平均每天可节约液化石油气多少千克？(液化石油气的热值为8.0×107 J/kg) (3)请你说出使用太阳能热水器的优点．(至少说出一点) 【答案】(1) 1.68×107 J　(2)0.3 kg　(3)对环境无污染 【解析】(1)水吸收的热量： Q吸＝cmΔt＝4.2×103 J/(kg·℃)×100 kg×(60 ℃－20 ℃)＝1.68×107 J；(2)Q吸＝Q放×70%, Q放＝＝＝2.4×107 J, 又因为Q放＝m气q气， 即m气＝＝＝0.3 kg；(3)太阳能热水器是将太阳能转化为内能，被水吸收，温度升高，供人使用，对环境无污染。 【举一反三3】小榕一家去露营时，用卡式炉烧水泡茶。其配备的卡式炉气罐中装有质量为0.25kg的丁烷，其热值约为4.8×107J/kg，若这些丁烷完全燃烧可以放出热量约为多少？ 【答案】1.2×107J 【解析】丁烷完全燃烧放出的热量为： Q放＝mq＝0.25kg×4.8×107J/kg＝1.2×107J。 【题型3】热机的效率概念 【典型例题】关于热机的效率，下列说法正确的是(　　) A.蒸汽机的效率通常高于喷气发动机 B.热机效率一定小于100% C.汽车排放的尾气，是城市环境污染的重要来源．目前有些新型燃料汽车，实现了“零排放”，它们的效率达到100% D.在完全无摩擦的道路上，汽车发动机可达到100% 【答案】B 【解析】用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，在工作过程中，损失的能量越少，热机的效率越高；蒸汽机的燃料是在机器的外部燃烧，热损失最多，效率最低，故A错误；热机在工作时不可避免的要克服机械部件间的摩擦做额外功，机械效率不会达到100%，故B正确；目前有些新型燃料汽车，实现了“零排放”，减少了污染，提高了效率，但效率不会达到100%，故C错误；在完全无摩擦的道路上，汽车发动机的效率可以提高，但不可能达到100%，故D错误。 【举一反三1】关于热机的效率，下列说法中正确的是(　　) A.热机的效率可以等于1 B.燃料完全燃烧放出的热量不可能全部用来做功 C.减少热损失对提高热机效率无影响 D.设法利用废气的能量也不能提高热机效率 【答案】B 【解析】热机工作时，不可避免的要克服机械部件间的摩擦做额外功，同时要散失大部分能量，所以热机效率一定小于1，故A错误； 燃料完全燃烧放出的热量，一部分要用来克服机械部件间的摩擦做额外功，要散失大部分，所以不可能全部用来做功转化为机械能，故B正确； 减少热损失，可以减少额外功而提高热机效率，故C错误； 设法利用废气的能量，可以增大有用功，在消耗燃料相同时，可以提高热机效率，故D错误。 【举一反三2】如图是内燃机的能流图，则内燃机的效率可表示为(　　) A.η＝×100% B.η＝×100% C.η＝×100% D.η＝×100% 【答案】B 【解析】由内燃机的能流图可以得到： 燃料完全燃烧放出的热量为E，有用机械能即有用功为E2, 所以内燃机的效率可表示为η＝×100%。 【举一反三3】关于热机效率，下列说法正确的是(　　) A.两台热机，做有用功多的那台效率高 B.热机的效率总小于1，只因为废气带走了余热 C.热机的效率总小于1，说明使用热机的过程能量不守衡 D.某热机的效率为35%，说明其用来做有用功的那部分能量占燃料完全燃烧放出的热量的35% 【答案】D 【解析】热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，做的有用功多，热机效率不一定高，故A错误；热机工作时总是有能量的损失，所以热机效率始终小于1，用来做有用功的那部分能量与气缸散热损失的能量、废气带走的能量、摩擦等机械损耗的能量之和等于燃料燃烧释放的能量，总能量保持不变，故B、C错误；某热机的效率为35%，说明其用来做有用功的那部分能量占燃料完全燃烧放出的热量的35%，故D正确。 【举一反三4】关于热机，下列说法中正确的是（　　） A.热机的效率越高说明热机做功越快 B.新能源汽车的电动机的效率可达100% C.在做功同样多的情况下，消耗的燃料越多，热机的效率越高 D.做功冲程既存在化学能转化为内能，也存在内能转化为机械能 【答案】D 【解析】热机的效率，也称为热机的有效效率，是指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。而功率是指做功的快慢。因此热机的效率与做功的快慢无关。故A错误； 因为有摩擦力的存在和电流的热效应，所以电动机的效率无法达到100%，故B错误； C．在做功相同的情况下，消耗的燃料越少，热机的效率越高，故C错误； 做功冲程是将燃料燃烧时产生的内能转化为机械能，而燃料燃烧是将燃料的化学能转化为内能，故D正确。 【举一反三5】一台单缸四冲程汽油机，飞轮转速为3600r/min，则1s对外做功__________次，运行时各种能量的损耗为：汽缸散热损失占15%，废气带走的能量占40%，摩擦等机械损耗占10%，则它的热机效率为_________。 【答案】30　35% 【解析】飞轮转速为3600r/min＝60r/s，即飞轮1s转动60r，飞轮转动2r对外做功1次，则1s对外做功30次。 运行时各种能量的损耗为：汽缸散热损失占15%，废气带走的能量占40%，摩擦等机械损耗占10%，则它的热机效率为：η＝1－15%－40%－10%＝35%。 【举一反三6】如图是热机的__________冲程，汽车尾气中的“汽油味”越浓燃料燃烧得越不充分，这会__________(选填“降低”或“提高”)热机的效率。 【答案】压缩　降低 【解析】图中两侧气门关闭，活塞向上运动，将机械能转化为内能，所以是压缩冲程。 “汽油味”越浓燃料燃烧得越不充分，说明燃料的利用率降低，热机的效率降低。 【举一反三7】运载火箭是一种能够将人造卫星、载人飞船等有效载荷送入太空预定轨道的航天运输工具。 (1)运载火箭在穿越大气层时，保护卫星等有效载荷的整流罩与大气摩擦后温度升高，内能_________，这是通过__________的方式改变内能的。 (2)运载火箭发动机中的燃料燃烧时热值__________。 (3)随着科学技术的进步，运载火箭发动机的效率是否能达到100%_________。 【答案】(1)增加　做功(2)不变(3)不能 【解析】(1)运载火箭在穿越大气层时，保护卫星等有效载荷的整流罩与大气摩擦后温度升高，内能增加，这是通过做功的方式改变内能的。 (2)运载火箭发动机中的燃料燃烧时热值不变，因为热值是燃料的一种特性，只决定于燃料的种类，与质量和燃烧情况等无关。 (3)随着科学技术的进步，运载火箭发动机的效率是否能达到100%？不能，因为由于热机在工作过程中总有能量损失，所以热机的效率总小于1。 【举一反三8】老师用如图一所示实验装置，加热试管使水沸腾，发现试管上方的小风车，开始不停地转动；由此引出以下问题，请利用所学的知识回答。 （1）图一实验中能量转化方式与图二中汽油机的         （“甲”、“乙”、“丙”或“丁”）冲程相同； （2）汽油机的点火方式为         ； （3）图三是汽油机的能量流向图，这台汽油机的效率η＝         。 【答案】 （1）丁 （2）点燃式 （3）35% 【题型4】热机的效率与热量的计算 【典型例题】两台汽油机，甲做的功是乙的1.5倍，甲的效率是25%，乙的效率是30%，那么甲与乙消耗的汽油的质量之比是(　　) A.9∶5 B.5∶9 C.5∶6 D.6∶5 【答案】A 【解析】甲、乙两台汽油机的效率分别是25%，30%，则二者效率之比为5∶6； 由热机效率公式η100%可得： Q总甲； Q总乙； 所以9∶5； 又因为Q＝mq，即甲、乙两机消耗的汽油质量之比是9∶5。 【举一反三1】小丽为了测试汽车发动机的效率，开车以60km/h的平均速度行驶了120km，用去汽油30L，已知汽油的密度为0.7×103kg/m3，热值为4.6×107J/kg，发动机的功率为34.5kW，则该汽车发动机的效率为(　　) A.25.7% B.28.8% C.36.5% D.38% 【答案】A 【解析】汽车行驶的速度v＝60km/h， 由v可得，汽车行驶时间： t2h＝7200s， 发动机对汽车做的功： W＝Pt＝34.5×103W×7200s＝2.484×108J， 汽油完全燃烧放出的热量： Q放＝mq＝ρVq＝0.7×103kg/m3×30×10﹣3 m3×4.6×107J/kg＝9.66×108J； 汽车发动机的效率： η25.7%。 【举一反三2】2023年5月30日，在酒泉基地发射的“神舟十六号”载人飞船升空过程中，燃料舱内的液态氢的热值__________(选填“变大”“不变”或“变小”)；一台四冲程汽油机，完全燃烧2kg的汽油可以转化为2.3×107J的机械能，2kg汽油完全燃烧放出的热量为__________J，该汽油机的热机效率是_________。(已知汽油的热值为4.6×107J/kg) 【答案】不变　9.2×107　25% 【解析】热值是燃料的一种特性，只决定于燃料的种类，与质量和燃烧情况等无关，因此在酒泉基地发射的“神舟十六号”载人飞船升空过程中，燃料舱内的液态氢的热值不变； 2kg汽油完全燃烧放出的热量为： Q放＝mq＝2kg×4.6×107J/kg＝9.2×107J； 该汽油机的热机效率为： η100%100%＝25%。 【举一反三3】某物理兴趣小组的同学，用煤炉给 10 kg的水加热，同时绘了如下图所示的加热过程中水温随时间变化的图线，若在6min内完全燃烧了 0.2 kg的煤，煤的热值为3×107J/kg。6min内煤完全燃烧产生的热量________ J；在烧水过程中，(选填“0～2 min”“2～4 min”或“4～6 min”)热效率最高。(水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃) 【答案】6×106　0～2 min 【解析】(1)煤完全燃烧产生的热量Q放＝mq＝0.2 kg×3×107 J/kg＝6×106 J；(2)图中所示在0～2 min时间内，水的温度升高最快，所以该时间段热效率最高． 【举一反三4】小明买了一款大众轿车，发现尾部标有TSI，“SI”二个字母是红色的。大众轿车的TSI技术指机器双增压(涡轮和机械增压)分层喷射技术，属于大功率、低转速大扭矩的发动机。涡轮增压的原理是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，发动机的输出功率就得到了较大的提升。 “I”字母是红色的是1.4TSI，“SI”二个字母是红色的是1.8TSI，“TSI”三个字母是红色的是2.0TSI。这辆汽车的最低油耗可达0.2 kg/(kW·h)，已知汽油的热值为4.6×107 J/kg。(温馨提示：最低油耗是指燃烧最少的汽油获得最大有用功的能量；0.2 kg/(kW·h)表示获得1 kW·h能量消耗0.2 kg汽油)。 求：(1)0.2 kg的汽油完全燃烧时放出的热量； (2)该汽车发动机的效率。(结果保留整数) 【答案】(1)9.2×106 J　(2)39% 【解析】(1)0.2 kg的汽油完全燃烧时放出的热量：Q放＝mq＝0.2 kg×4.6×107 J/kg＝9.2×106 J；(2)根据题意可知，完全燃烧0.2 kg汽油获得的能量为W＝1 kW·h＝3.6×106 J，汽车发动机的效率：η＝×100%＝×100%≈39%。 【题型5】热机的效率、热量及功的综合计算 【典型例题】有甲、乙两台汽油机，在相同的时间内，它们所做的有用功之比是5∶4，消耗汽油的质量之比是3：2，那么它们的效率之比是(　　) A.15∶8 B.8∶15 C.6∶5 D.5∶6 【答案】D 【解析】根据Q＝mq求出燃料完全燃烧放出的热量，则它们的效率之比为 。 【举一反三1】甲、乙两台汽油机使用相同的汽油，若在同一时间内，甲、乙两汽油机做的有用功之比为3∶2，甲的效率是25%，乙的效率是20%，则在同样的时间内，甲、乙两汽油机消耗汽油的质量之比为(　　) A.2∶5 B.5∶2 C.5∶6 D.6∶5 【答案】D 【解析】已知热机效率公式，那么； 两台汽油机使用相同的汽油，设汽油的热值为q，已知：Q总＝mq， 所以m， 那么甲、乙两台汽油机在t时间内消耗的汽油质量之比为： 【举一反三2】某品牌汽车燃油机的能量流程图如图所示，若汽车行驶过程中消耗燃油4kg，(燃油的热值为3.15×107J/kg)，该热机的效率约为__________，假如这些燃油完全燃烧，牵引力做的功是_______________J。 【答案】35%　4.41×107 【解析】某品牌汽车燃油机的能量流程图如图所示，该热机的效率约为： η＝100%－33%－25%－7%＝35%； 这些燃油完全燃烧，释放的热量为： ， 牵引力做的功为： 。 【举一反三3】有一辆氢能源汽车以30kW的功率在平直的公路上匀速行驶1.4h，消耗了2.7kg氢燃料，该氢能源汽车发动机的效率是__________。 【答案】40% 【解析】新能源汽车做的功为 W＝Pt＝30×103W×1.4×3600s＝1.512×108J， 2.7kg氢燃料完全燃烧放出的热量为 ， 该氢能源汽车发动机的效率是 。 【举一反三4】油电混合动力汽车是新型节能汽车。这种汽车以高速匀速行驶时，内燃机启动，此时在向车轮输送能量的同时也给动力蓄电池组充电。已知某型号混合动力汽车所用的动力蓄电池可储存的最大电能是1.0×108J。若测试人员驾驶该车在平直公路上以80km/h的测试车速匀速行驶0.5h，内燃机消耗燃油2.5kg，蓄电池组的电能增加了最大电能的10%；从汽车的使用说明书知道，汽车行驶时所受阻力f和车速v的关系如图所示。则： (1)该汽车测试行驶中牵引力做了多少功？ (2)该汽车测试行驶中若燃油完全燃烧可放出多少热量？ (3)该汽车内燃机的效率是多大？(燃油的热值为4.6×107J/kg) 【答案】(1)3.6×107J　　(2)1.15×108J　　(3)40% 【解析】(1)由图像可知，汽车以80km/h做匀速直线运动时受到的阻力为900N，因为汽车匀速直线运动时，受到的牵引力和阻力是一对平衡力，所以汽车受到的牵引力F＝f＝900N； 汽车在平直公路上以80km/h的速度匀速行驶0.5h，行驶的距离为： s＝vt＝80km/h×0.5h＝40km＝40000m， 该汽车测试行驶中牵引力做的功为： W＝Fs＝900N×40000m＝3.6×107J； (2)内燃机消耗燃油2.5kg，燃油放出的热量为： Q放＝q油m＝4.6×107J/kg×2.5kg＝1.15×108J； (3)蓄电池增加的电能为： W1＝ηW2＝1.0×108J×10%＝1.0×107J， 有效利用的能量为： W有＝W+W1＝3.6×107J+1.0×107J＝4.6×107J， 内燃机的效率为： η100%100%＝40%。 【举一反三5】2024年2月29日，如图是万众期待的山海炮房车。若在一段平直的路上匀速行驶33km，此过程消耗柴油质量为5kg，牵引力为2×103N，柴油的热值为3.3×107J/kg，g取10N/kg。求： (1)该房车在此过程中牵引力所做的功； (2)柴油完全燃烧放出的热量； (3)此房车行驶过程中热机的效率。 【答案】(1)6.6×107J　　(2)1.65×108J　　(3)40% 【解析】(1)该房车牵引力所做的功： W＝Fs＝2×103N×33×103m＝6.6×107J； (2)柴油完全燃烧放出的热量： ； (3)此房车行驶过程中热机的效率： 。 【题型6】燃烧热的计算 【典型例题】汽油的热值为4.6×107J/kg，则燃烧2kg的汽油放出的热量不可能为(　　) A.4.8×107J B.3.9×107J C.5.8×107J D.9.8×107J 【答案】D 【解析】燃烧2kg的汽油完全燃烧放出的热量Q＝mq＝2kg×4.6×107J/kg＝9.2×107J，汽油不完全燃烧放出的热量小于9.2×107J，不可能为9.8×107J。 【举一反三1】用如图1所示的同一个实验装置分别加热质量均为100g的甲、乙两种液体(其中一种是水)。用测得的数据绘制了温度随时间变化的图像(如图2)，乙从20℃加热至沸腾刚好消耗了4g酒精(q酒精＝3×107J/kg)。若单位时间内甲吸收的热量与乙吸收的热量相等，c水＝4.2×103J/(kg•℃)，则下列说法正确的是(　　) A.c乙＝2.4×103J/(kg•℃) B.乙液体是水 C.酒精完全燃烧放出的热量为1.2×108J D.0～8min乙吸收的热量为3.36×104J 【答案】D 【解析】根据图乙可知，质量相同的甲和乙升高相同的温度，甲的加热时间是乙的加热时间的2倍，则甲吸收的热量是乙吸收热量的2倍，则甲的吸热能力大于乙的吸热能力，因水的比热容较大，吸热能力强，所以甲为水；根据c可知，甲(水)的比热容是乙的比热容的2倍，乙的比热容为：c乙c甲4.2×103J/(kg•℃)＝2.1×103J/(kg•℃)，故A、B错误； 酒精完全燃烧放出的热量为：Q放＝m酒精q＝0.004kg×3×107J/kg＝1.2×105J，故C错误； 用相同的酒精灯加热，在相同的时间内，水吸收的热量等于乙吸收的热量，0～8min乙吸收的热量等于甲吸收的热量：Q乙＝Q水＝c水m水Δt＝4.2×103J/(kg•℃)×0.1kg×(100℃﹣20℃)＝3.36×104J，D正确。 【举一反三2】我们把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表是一些燃料的热值。下列选项正确的是(　　) A.0.5kg的汽油的热值是2.3×107J/kg B.热值为3.0×107J/kg的燃料一定是酒精 C.燃料越接近完全燃烧，燃料的热值就越大 D.0.5kg的汽油完全燃烧放出的热量是2.3×107J 【答案】D 【解析】热值是燃料的一种特性，其大小与其质量大小无关；所以0.5kg的汽油的热值还是4.6×107J/kg，故A错误； 由表中数据可知，焦炭和酒精的热值相同，为3.0×107J/kg，所以热值为3.0×107J/kg的燃料不一定是酒精，故B错误； 燃料越接近完全燃烧，燃料燃烧放出的热量越多；1kg(或1m3)某种燃料完全燃烧时放出的热量，叫热值，燃料不完全燃烧时放出的热量不是热值，故C错误； 0.5kg汽油完全燃烧放出的热量：Q放＝mq＝0.5kg×4.6×107J＝2.3×107J，故D正确。 【举一反三3】“低碳环保”是当今世界环境主题，天然气是一种低污染燃料，在我县已普遍使用。天然气热值为4×107J/m3，完全燃烧0.42m3的天然气所释放的热量为__________J，若完全被水吸收，能使__________kg的水温度升高20℃。[c水＝4.2×103J/(kg•℃)] 【答案】1.68×107　200 【解析】(1)完全燃烧0.42m3的天然气所释放的热量： Q放＝Vq＝0.42m3×4×107J/m3＝1.68×107J (2)若燃料燃烧放出的热量完全被水吸收，则水吸收的热量：Q吸＝Q放＝1.68×107J， 由Q吸＝cmΔt可得水的质量： m200kg。 【举一反三4】可燃冰清洁无污染，储量巨大，是一种非常理想的新型能源。若可燃冰的热值为4.2×108J/m3，完全燃烧2m3的可燃冰可放出的热量是__________J，若这些热量的40%被水吸收，可把_________kg的水从20℃加热至60℃。[c水＝4.2×103J/(kg•℃)] 【答案】8.4×108　2000 【解析】完全燃烧2m3的可燃冰可放出的热量：Q放＝Vq＝2m3×4.2×108J/m3＝8.4×108J； 根据题意可知，水吸收的热量：Q吸＝40%Q放＝40%×8.4×108J＝3.36×108J； 由Q吸＝cm(t﹣t0)可知，水的质量：m水2000kg。 【举一反三5】小红观察到家里的迷你磁炉外包装上印有“体积小方便携带、高火力效率高”等字样，她内心产生了疑问：“该款磁炉的效率到底有多高？”于是她准备实际测试一下炉子的效率，她测量了2kg的水倒入锅中，测得初温为20℃，当水温加热到100℃时停止加热，测得燃烧了30g的丁烷气体，水的比热容是4.2×103J/(kg•℃)，这种丁烷气体的热值是3.5×107J/kg。试求： (1)30g丁烷气体完全燃烧放出的热量是多少？ (2)水吸收的热量是多少？ (3)炉子烧水的效率是多少？ 【答案】(1)1.05×106J　　　(2)6.72×105J　　　(3)64% 【解析】(1)由题可知，丁烷气体完全燃烧放出的热量是 ； (2)水吸收的热量是 ； (3)炉子烧水的效率是 。 【举一反三6】如图所示为某折叠卡式炉，采用丁烷气体作为燃料。水壶装入2kg初温为25℃的水，用卡式炉加热至100℃，消耗了25g丁烷气体(水的比热容为4.2×103J/(kg•℃)，丁烷的热值为4.8×107J/kg)。求： (1)水吸收的热量； (2)丁烷完全燃烧放出的热量； (3)卡式炉的加热效率。 【答案】(1)水吸收的热量是6.3×105J； (2)丁烷完全燃烧放出的热量是1.2×106J； (3)卡式炉的加热效率是52.5%。 【解析】(1)水吸收的热量为 ； (2)丁烷完全燃烧放出的热量为 ； (3)卡式炉的加热效率为 。 【题型7】如何提高热机的效率 【典型例题】如图所示，汽油机处于工作过程中的某个冲程，转速是1200r/min。下列有关说法正确的是(　　) A.此冲程是压缩冲程 B.此冲程能量转化是机械能转化为内能 C.增加汽油机的工作时间，能提高它的效率 D.若该汽油机飞轮的转速为1200r/min，则在1s内汽油机对外做了10次功 【答案】D 【解析】如图所示，汽油机的进气门与排气门都关闭，活塞向下运动，火花塞点火，汽油机处于做功冲程，是内能转化为机械能，因为汽油机每个工作循环曲轴转2周，活塞上下往复2次，做功1次，若转速是1200r/min，则1s内汽油机对外做功10次；增加汽油机的工作时间，只能增加输出机械能，但不能提高它的利用率即效率。故A、B、C错误，D正确。 【举一反三1】下列有关热学知识的分析，正确的是(　　) A.使燃料充分燃烧可以增加有效利用的能量，从而提高热机效率 B.海波在熔化过程中持续吸热，温度不变，但内能减小 C.燃料燃烧得越充分，这种燃料的热值就越大 D.热传递过程中，温度由高温物体传向低温物体 【答案】A 【解析】尽量使燃料完全燃烧、尽量减少摩擦与辐射、尽量减少热量损失，都可以在燃料完全燃烧放出的热量相同时，增大用来做有用功的能量，可以提高热机的效率，故A正确； 海波是晶体，在熔化过程中持续吸热，温度不变，但内能增大，故B错误； 燃料的热值只与燃料的种类有关，与燃料燃烧得快慢、放出热量的多少、燃料的质量和燃料的燃烧程度无关，故C错误； 在热传递过程中，热量从高温物体传向低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，而不是温度，故D错误。 【举一反三2】图是某内燃机工作时的能量流向图，该内燃机的热机效率是（　　） A.25% B.35% C.40% D.75% 【答案】B 【解析】该内燃机的热机效率是 故B符合题意，A、C、D不符合题意。 故选B。 【举一反三3】现在有的小汽车采用涡轮增压发动机，它和普通发动机相比，能利用废气的能量压缩空气，增加汽缸的进气量，这样燃料燃烧__________，发动机效率更 __________(选填“高”或“低”) 。 【答案】更充分　高 【解析】涡轮增压发动机‌通过利用废气的能量来压缩空气，从而增加进气量，使燃料燃烧更充分，可以利用的能量更多，即做的有用功更多，发动机效率更高。 【举一反三4】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】(1)自下而上 质量 (2)加热时间 乙、丙 (3)大于 存在热量损失 (4)戊 【解析】（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。 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）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。 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）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）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。 【举一反三5】如图是课本中的两个热学实验： （1）如果要探究物质吸热升温情况，应该选择图         ；该实验中通过比较         来比较物质吸收热量的多少； （2）在比较不同燃料热值的时，不需要控制         相同 A．燃料的种类　　B．被加热的液体的种类 C．燃料的质量　　D．被加热的液体的质量 【答案】（1） 甲丙 加热时间 （2） A 【解析】（1）为了比较两种物质吸热能力，需要选用相同的酒精灯，加热不同的物体，让物体的质量和温度的变化相同，通过比较加热时间，进而判断两种比热容的大小关系，应选择甲和丙两图进行实验。 （2）为了比较燃料热值大小，要用相同质量的不同燃料，加热同一种液体（种类相同)，让液体的质量相同，通过温度计的示数高低得出吸热多少，进而判断热值大小，所以不需要控制的是燃料的种类，故A符合题意，BCD不符合题意。 学科网（北京）股份有限公司 $