内容正文:
内能及其利用
一、热量、比热容
1.热量:在热传递过程中,传递的热的多少叫作热量。热量的单位是焦耳。
2.比热容
(1)定义:一定质量的某种物质,在温度升高(或降低)时吸收(或放出)的热量与它的质量和升高(或降低)的温度乘积之比,用符号c表示。
知识梳理 夯基础
(2)单位:焦每千克摄氏度,符号是 。
(3)应用:利用水的比热容大的性质,作冷却剂、取暖剂;调节气温。
(4)热量计算:Q吸= ;Q放= 。
二、分子动理论
1.物质的构成:常见的物质是由 、 等构成的。人们通常以 m为单位来量度分子。
J/(kg·℃)
cm(t0-t)
cm(t-t0)
分子
原子
10-10
2.扩散现象:不同的物质在互相接触时彼此 对方的现象。扩散现象等大量事实表明,一切物质的分子都在 ,分子间存在 。
3.分子热运动:分子的运动跟 有关,温度越高,运动越 。
4.分子间的作用力:分子间同时存在着 和 。
进入
不停地做无规则的运动
间隙
温度
剧烈
引力
斥力
三、内能
1.定义:构成物体的所有分子,其热运动的 与 的总和。
2.单位: ,符号是 。
3.影响因素:同一物体,在相同物态下,温度越高,分子热运动越 ,内能越 。温度降低,内能减少。物体的内能还与物质的质量、状态、种类等有关。
4.特点:一切物体,不论温度高低,都具有内能。
动能
分子势能
焦耳
J
剧烈
大
5.改变内能的方式
热
传
递 ①发生的条件:两个物体要有 ;
②判断方法:由 温物体转移到 温物体或从物体的 温部分转移到 温部分;
③实质:能的 ,即能的形式在转移的前后没有变化。
生活实例:用热水袋取暖、晒太阳、烧水、哈气取暖等
做功 外界对物体做功,物体的内能 ;物体对外界做功,物体的内能 。
做功实质上是能量的 。
生活实例:钻木取火、搓手取暖等
温度差
高
低
高
低
转移
增加
减少
转化
转化
四、能量的转化和守恒
1.能量的转移和转化:自然界中,能量不但可以从一个物体转移到另一个物体,而且在一定条件下,各种形式的能量之间还可以相互 。
2.能量守恒定律:能量既不会凭空消灭,也不会凭空产生,它只会从一种形式 为其他形式,或者从一个物体转移到其他物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量 。
转化
保持不变
内能
五、热机
1.定义:利用 做功的机械。
2.热机的种类:蒸汽机、内燃机(分为汽油机和柴油机两大类)、汽轮机、喷气发动机等。
3.汽油机的工作冲程
示意图
气门、
活塞变化 打开,排气门关闭,活塞向 运动 进气门、排气门都 ,活塞向 运动 进气门、排气门都 ,活塞向 运动 进气门 ,排气门 ,活塞向 运动
进气门
下
关闭
上
关闭
下
关闭
打开
上
吸气
冲程名称 冲程 冲程 冲程 冲程
能量转化 转化为
转化为
压缩
做功
排气
机械能
内能
内能
机械能
归纳总结:内燃机的四个冲程叫作一个工作循环,在一个工作循环中,活塞往复运动2次,曲轴(或飞轮)转动2周,对外做功1次。
特别提醒:汽油机吸气冲程吸入气缸的是汽油和空气的混合物;柴油机吸气冲程吸入气缸的只有空气。做功冲程中柴油机内的气体压强大于汽油机内的气体压强。
六、热值
1.定义:某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量(或体积)之比,用符号q表示。
2.单位: 。
3.应用:氢的热值大,火箭选用液态氢作为燃料。
4.热量计算:Q= (适合于固体、液体燃料);Q= (适合于气体燃料)。
J/kg(或J/m3)
mq
Vq
七、热机的效率
2.提高热机效率的措施
(1)让燃料燃烧得更充分。
(2)在设计和制造热机时,要不断改进和创新,以减少各种能量损失,提高效率。
(3)设法利用废气的能量。
图说物理 扣教材
1.如图甲所示,抽掉玻璃板后,两个瓶子内的气体会混合在一起,这是
现象,它说明分子在不停地 ;如图乙所示,两个铅柱没有被重物拉开,主要是由于铅柱的分子之间有 。
扩散
做无规则的运动
引力
2.如图甲所示,在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团脱脂棉,迅速压下活塞,发现脱脂棉燃烧。压下活塞的过程中,玻璃筒内空气的内能
(选填“增大”“减小”或“不变”),温度 (选填“升高”“降低”或“不变”),这是通过 的方式改变物体的内能。如图乙所示,烧瓶内水上方存在着无色透明的水蒸气,用打气筒往瓶里打气,当瓶塞跳起时,可以看到瓶内出现白雾,这是瓶内气体对外做功后,内能 (选填“增大”“减小”或“不变”),温度 (选填“升高”“降低”或“不变”),水蒸气 (填物态
变化名称)形成了小水珠。
增大
升高
做功
减小
降低
液化
3.沿海地区昼夜温差比沙漠要小得多,这是因为水的 ;相同质量的海水与沙子吸收相同的热量, 的温度升高得少。
比热容较大
海水
4.如图是汽油机工作过程某冲程示意图,此图表示的是 冲程,该冲程是由 能转化为 能;如果该汽油机曲轴的转速为 1 200 r/min,则它每秒完成 个冲程,对外做功 次。
做功
内
机械
40
10
5.小球在弹跳过程中,要克服空气阻力 ,弹跳的高度越来越 ,机械能转化为内能,机械能 ,但能量的总量 。
做功
低
减小
保持不变
考点突破 炼方法
考点一 温度、内能、热量的理解(2025省考第8题C、D,2024省考第11题)
例1 (2025湖南模拟)如图所示,将冰块放在室温下,冰块正在不断熔化,关于此过程,下列说法正确的是( )
A.冰块的温度不变,其内能不变
B.空气和冰块之间在进行热传递
C.冰块的温度升高,所含的热量增加
D.冰块改变内能的方式与钻木取火是相同的
B
变式1 关于热量、温度、内能之间的关系,下列说法正确的是( )
A.物体吸收了热量,温度可能不变
B.物体温度升高,一定是吸收了热量
C.温度为0 ℃的物体没有内能
D.物体内能减少时,一定对外做功
A
变式2 小明同学积极响应“双减”政策,开展劳动实践活动,利用双休日时间大秀厨艺。关于厨房中的物理知识,下列说法正确的是( )
A.用铁锅烧肉是因为铁的比热容大
B.炒菜时菜香扑鼻说明分子在不停地做无规则运动
C.用高压锅炖煮食物熟得快,是因为锅内水的沸点会随气体压强增大而
降低
D.刚出锅的馒头入嘴时很烫,是因为馒头含有的热量很高
B
考点二 热学图像
方法技巧 看懂图像的方法
(1)看轴:认清图像中横、纵坐标所表示的物理量。
(2)看线:看懂图像变化的趋势——图像中直线、折线及曲线各表达什么物理过程和规律。
(3)看点:找准关键点——图线上的端点、顶点及转折点所表示的物理
含义。
例2 如图甲所示,将质量相等的冰和蜡烛分别装在两个相同的试管中,放入装有水的烧杯中加热。绘制出温度随时间变化的图像如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.图甲中的实验装置,安装时应按照“由上到下”的顺序
B.图甲中两试管放在同一烧杯中加热,可以控制相同时间内冰和蜡烛吸收的热量相同
C.由图乙可知,A图线对应物质的内能先增大后不变再增大
D.由图乙可知,B图线对应的物质是冰
B
变式3 质量均为0.5 kg的水和另一种液体在相同时间内放出的热量相等,它们的温度随时间变化的关系如图所示。已知水的比热容c水=4.2×
103 J/(kg·℃),c水>c液。下列说法中( )
①甲物质是水
②0~12 min乙温度降低了20 ℃
③0~12 min甲放出了8.4×104 J的热量
④乙物质的比热容为2.1×103 J/(kg·℃)
A.只有①②正确 B.只有②④正确
C.只有①③正确 D.只有①④正确
D
变式4 为了比较A、B两种液体的吸热能力,小亮用完全相同的加热装置对质量分别为100 g和400 g的A、B两液体进行加热,根据实验数据绘制的温度随时间变化的图像如图所示。根据图像信息,下列说法正确的是
( )
A.A、B两液体在0~8 min内吸收的热量之比为2∶1
B.A、B两液体的比热容之比为1∶2
C.B液体的吸热能力比A液体的强
D.A液体比B液体更适合作发动机的冷却液
D
考点三 热学计算
规律总结 (1)物体吸热、放热公式:Q=cmΔt。
例3 社会发展 汽车的燃油为汽油,每辆汽车每年耗油约2.1 t,若不计热量损失,这些燃料完全燃烧可供1×106 kg的水温度升高 ℃;汽车内燃机的效率平均值取30%,如果能把内燃机的效率提高1%,全球10亿辆汽车每年可以节约 kg燃油,从而减少全球的碳排放,为环保做出贡献。已知c水=4.2×103 J/(kg·℃),q汽=4.6×107 J/kg。
23
6.77×1010
变式5 某学校需要把1 000 kg的水从20 ℃加热到80 ℃,已知q天然气=4×
107 J/m3,c水=4.2×103 J/(kg·℃)。求:
(1)这些水吸收的热量。
解析:(1)根据吸热的计算公式可得,
这些水吸收的热量为
Q吸=c水mΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×1 000 kg×(80 ℃-20 ℃)=
2.52×108 J。
答案:(1)2.52×108 J
(2)若用天然气加热,不计热量损失,需要完全燃烧多少天然气。
答案:(2)6.3 m3
变式6 小红一家到某基地露营时,用火炉将质量为2 kg、初温为20 ℃的水加热到60 ℃,燃烧了100 g木炭。已知c水=4.2×103 J/(kg·℃),
q木炭=3.4×107 J/kg。求:
(1)水吸收的热量。
答案:(1)3.36×105 J
解析:(1)水吸收的热量Q吸=c水m水(t-t0)
=4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×(60 ℃-20 ℃)=3.36×105 J。
(2)该火炉烧水的热效率。
答案:(2)9.9%
(3)火炉烧水效率低,可能的原因是什么。
答案:(3)燃料很难完全燃烧,放出的热量往往比按热值计算出的要少。高温的烟气带走了相当一部分热量,还有一部分热量直接散失掉了。
核心实验 培素养
实验 比较不同物质吸收热量的情况
例 为了比较水和煤油吸热本领的大小,某同学做了如图甲所示的实验,在两个相同的烧杯中,分别装有水和煤油,用相同的电加热器分别对它们加热相同的时间。
甲
液体名称 质量/g 初温/℃ 末温/℃ 加热时间/min 吸收的热量
水 200 20 28 1 Q
28 36 1 Q
36 43 1 Q
煤油 200 20 36 1 Q
36 52 1 Q
52 68 1 Q
(1)该实验除了图甲中的实验器材外,还需要用到的实验器材有秒表和
。
(2)实验中选择相同规格的电加热器,可以认为在相同时间内水和煤油
相同,然后比较 的方法来完成探究实验。
天平
吸收的热量
升高的温度
基础设问
(3)从表中的数据可以得到:
①相同质量的水(或煤油),它们吸收相同的热量后升高的温度几乎是
的;
②相同质量的水和煤油,它们吸收相同的热量后升高的温度是 的。
(4)由(3)中①②两个结论发现,不同物质吸热的本领大小不同,为了描述物质吸热本领大小,引入了一个物理量,它就是 。
相同
不同
比热容
(5)春城昆明冬无严寒,夏无酷暑。造成这种气候的原因之一是“滇池”对气温起到了调节作用,因为水的 较大,当水吸收或放出相同的热量时,温度变化较小。
(6)分析实验数据可知,此实验是通过比较 (选填“加热时间”或“温度变化”)来判断吸热能力强弱的,所以停止加热后, 温度下降得快。
(7)该实验用到的研究方法有转换法和 。
比热容
温度变化
煤油
控制变量法
(8)根据实验数据可得煤油的比热容为 J/(kg·℃)。[c水=
4.2×103 J/(kg·℃)]
(9)如图乙所示是该同学绘制的“吸收热量—时间”和“温度—时间”图像,能正确描述该实验真实情况的图像是 (填字母)。
2.1×103
C
乙
(10)本实验中用电加热器代替传统的酒精灯加热,这样做的好处是
。
(11)该实验主要利用 (选填“热传递”或“做功”)的方式来增加水和煤油的内能。
电加热器热损失少,效率高(合理即可)
热传递
拓展设问
(12)该同学认为原方案有较多缺点,因此改进了方案并设计了如图丙所示的装置。与原方案相比,该方案具有的优点是
(答出一个即可)。
用同一热源加热,确保
相同时间内提供的热量相等(或只需要加热一次,节能、省时间)
丙
聚焦湖南 明考向
1.新考法 (2025湖南)如图所示的实验中,浓氨水和无色酚酞溶液没有直接接触,但观察到纸花变红,这一现象表明( )
A.分子间存在引力
B.分子间存在斥力
C.分子可以用肉眼观察
D.分子在不停地做无规则运动
D
2.(2025常德模拟)“沙炒栗子”是一种深受大众喜爱的美食,下列有关说法正确的是( )
A.用沙子翻炒是利用沙子的比热容较大
B.栗子飘出诱人的香味,是因为分子间有引力
C.栗子被翻炒升温主要是通过做功的方式使内能增加
D.翻炒时栗子爆裂开,栗子壳内的水蒸气对外做功,内能会减小
D
3.(2024长沙)冬至时节煮饺子,小明发现其中蕴含了很多物理知识。下列说法正确的是( )
A.冷冻饺子中的分子不运动
B.冷冻饺子升温过程中内能不变
C.煮熟的饺子香气四溢是扩散现象
D.煮熟的饺子冷却是通过做功的方式改变内能
C
4.(2025天心区校级模拟)下列现象中,不能用比热容解释的是( )
A.汽车发动机冷却液的主要成分是水
B.在发烧病人的额头上擦酒精降温
C.傍晚,往春播的秧苗田里灌水保温
D.我国西北沙漠地区昼夜温差较大
B
5.(2024湖南)有关能量的转移、转化和利用,下列说法正确的是( )
A.电烤炉取暖,是电能转移到人体
B.钻木取火,是内能转化为机械能
C.中医提倡的热水泡脚,是通过热传递的方式增大脚部的内能
D.用嘴对着手哈气取暖,主要是通过做功的方式增大手的内能
C
6.(2024湖南)2024年4月25日,搭载着神舟十八号载人飞船的长征二号F遥十八运载火箭(如图)在酒泉卫星发射中心成功发射。下列说法正确的是( )
A.火箭的燃料燃烧得越充分,热值越大
B.火箭发动机工作过程中的热机效率是100%
C.火箭“体内”的液氢燃料温度低至-253 ℃,内能为0
D.火箭搭载着飞船升空的过程中,飞船的重力势能越来越大
D
7.(2025长沙模拟)四冲程内燃机工作时,将内能转化成机械能的冲程是
( )
A.吸气冲程 B.压缩冲程
C.做功冲程 D.排气冲程
C
8.(2025岳阳模拟)随着人工智能的快速发展,在未来,自动驾驶汽车成功普及以后,大城市的交通拥堵现象将会得到极大改善、交通事故数量将减少。某款无人驾驶汽车在一段平直的公路上匀速行驶了一段距离后,消耗汽油4 kg。若汽油机的效率为30%,q汽油=4.5×107 J/kg,c水=4.2×
103 J/(kg·℃)。问在这段运动过程中:
(1)4 kg汽油完全燃烧放出的热量是多少?
解析:(1)4 kg汽油完全燃烧放出的热量为
Q放=q汽油m=4.5×107 J/kg×4 kg=1.8×108 J。
答案:(1)1.8×108 J
(2)发动机排出的废气带走的能量占汽油完全燃烧放出热量的42%,标准大气压下,这些废气的能量全部被初温为15 ℃,质量为300 kg的水吸收,水的温度会升高到多少?
答案:(2)75 ℃
(3)如果汽车匀速运动时受到的阻力为1 000 N,消耗4 kg汽油,汽车能够行驶的路程是多少?
答案:(3)54 km
1.公式:η=。
(2)热值计算公式:q=。
(3)η=。
解析:(2)由题意可知,不计热量损失,天然气完全燃烧放出的热量为
Q放=Q吸=2.52×108 J,根据Q放=Vq,可得,
加热这些水所需要天然气的体积为V===6.3 m3。
解析:(2)该火炉烧水的热效率
η===9.9%。
解析:(2)由题可知废气带走的能量为
Q=Q放η=1.8×108 J×42%=7.56×107 J,
即水吸收的热量为Q吸=Q=7.56×107 J,
由Q吸=cmΔt可知水升高的温度为Δt===60 ℃,
则水的末温t=t0+Δt=15 ℃+60 ℃=75 ℃。
解析:(3)已知汽油机的效率为η′=30%,
汽车做的有用功为W=Q放η′=1.8×108 J×30%=5.4×107 J,
汽车匀速运动时受到的阻力与汽车的牵引力是对平衡力,由二力平衡的条件可知,
汽车的牵引力为F=f=1 000 N,
根据W=Fs可知,汽车通过的路程为s===5.4×104 m=54 km。
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