資源簡介

中小學教育資源及組卷應(yīng)用平臺
第十四章 內(nèi)能的利用
第2節(jié) 熱機的效率
要點一、燃料的熱值
1.燃料燃燒時的能量轉(zhuǎn)化
燃料的燃燒是一種化學反應(yīng)，燃燒過程中，儲存在燃料中的化學能被釋放出來，加熱物體，轉(zhuǎn)變成物體的內(nèi)能，即化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
2.燃料的熱值
(1)定義：把某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質(zhì)量之比，叫作這種燃料的熱值，熱值用字母q表示。
(2)單位：焦每千克，符號是J／kg。
要點詮釋：
(1)熱值的物理意義：
表示燃料燃燒時放熱的本領(lǐng)。
(4)理解熱值的定義時注意三個關(guān)鍵詞：
①某種燃料
②完全燃燒
③與其質(zhì)量之比
熱值是個比值，它與釋放的熱量和質(zhì)量無關(guān)，僅與燃料的種類有關(guān)。
生活物理
不同燃料燃燒的效果
圖為一個家庭若只用某種燃料做飯時，該燃料一個月的用量，由圖可知獲得相同熱量，需要的各種燃料的質(zhì)量不同。
燃料的熱值只與燃料的種類有關(guān)。
物理脫口秀
熱值
燃料特性日熱值，
物理意義要理清。
質(zhì)量體積不管用，
大小只由種類定。
要點二：燃料燃燒的簡單計算
根據(jù)熱值的定義我們可以推導出質(zhì)量為(或體積為V)的某種燃料完全燃燒時放出的熱量的計算公式。
(1)固體和液體
(2)氣體
【注意】
(1)運算時單位一定要統(tǒng)一!
(2)只有燃料完全燃燒時，才能用或進行計算。
要點三、熱機的效率
1.燃料的燃燒
(1)燃料不完全燃燒時能量的流向
燃料很難完全燃燒，放出的熱量往往比按熱值計算出的要小，而且有效利用的熱量又比放出的熱量要小，例如用煤燒水時煤的利用率如圖所示。
(2)內(nèi)燃機燃料燃燒釋放的能量的流向
(3)燃料燃燒的熱效率
①定義：有效利用的熱量與燃料完全燃燒放出的熱量之比叫作熱效率。
三類熱機的效率
②表達式
生活物理
三類熱機的效率
蒸汽機的效率只有6％~15％
汽油機的效率為20％~30％
柴油機的效率為30％~45％
2.熱機的效率
(1)定義：用來做有用功的那部分能量，與燃料完全燃燒放出的能量之比，叫作熱機的效率。
(2)公式：，其中有表示用來做有用功的能量，總表示燃料完全燃燒放出的能量。
(3)物理意義：熱機的效率表示使用熱機時對燃料的利用率的高低，因此熱機的效率是描述熱機性能的一個重要指標。
3.提高熱機效率的方法
3.3.1了 解內(nèi)能和熱量。從能量轉(zhuǎn)化的角度認識燃料的熱值。
(1) 調(diào)查當?shù)亟陙泶妒?、取暖、交通等方面燃料結(jié)構(gòu)的變化，從經(jīng)濟與環(huán)保的角度開展討論。
(2)燃料的種類很多，如木柴、煤、汽油、酒精、天然氣等，查閱資料并比較相同質(zhì)量的不同燃料完全燃燒時放出熱量的多少。
【例題1】某汽油機工作時的能量損失情況是：汽缸散熱損失30%，廢氣帶走35%，機械摩擦及其它損耗總和為10%。已知汽油熱值為4.6×107J/kg。下列說法中正確的是（　　）
A．該汽油機工作的效率是25%，工作時汽油燃燒釋放能量的75%轉(zhuǎn)化為機械能
B．若該汽油機消耗2kg汽油，獲得的機械能為2.3×107J
C．若該汽油機消耗2kg汽油，損失的能量為3.22×107J
D．經(jīng)過不斷改進和創(chuàng)新，汽油機的效率可以提高到100%
【分析】
（1）熱值：1kg某種燃料完全燃燒放出的熱量，叫做這種燃料的熱值，公式：Q=mq；熱值的物理意義：熱值表示一定質(zhì)量的燃料在完全燃燒時所放出的熱量的多少，同種燃料的熱值相同，不同種燃料的熱值不同；
（2）熱機的效率：用來做有用功的那部分能量和燃料完全燃燒放出的能量之比，叫做熱機的效率，其表達式為：η=×100%，由于熱機在工作過程中總有能量損失，所以熱機的效率總小于1；熱機在工作過程中造成能量損失的因素有：①燃料很難全部燃燒；②排出的廢氣帶走能量；③熱機部件要散熱；④克服運轉(zhuǎn)機件之間的摩擦消耗能量；提高熱機效率的方法：①盡量讓燃料充分燃燒；②設(shè)法利用廢氣的能量；③減少能量損失；④保證良好的潤滑。
【解答】
A、該汽油機工作的效率是1-30%-35%-10%=25%，工作時汽油燃燒釋放能量的25%轉(zhuǎn)化為機械能，故A錯誤；
B、若該汽油機消耗2kg汽油，產(chǎn)生的熱量為：Q總=mq=2kg×4.6×107J/kg=9.2×107J，由η=×100%得，獲得的機械能為：W=Q有用=ηQ總=25%×9.2×107J2.3×107J=2.3×107J，故B正確；
C、若該汽油機消耗2kg汽油，損失的能量為：Q損耗=Q總-Q有用=9.2×107J-2.3×107J=6.9×107J，故C錯誤；
D、由于熱機在工作過程中總有能量損失，所以熱機的效率總小于1，汽油機的效率不可以提高到100%，故D錯誤。
故選：B。
【例題2】古語“人要實，火要虛”，其意思是，人要腳踏實地，才能事業(yè)有成；可燃物要架空一些才能燃燒更旺?！盎鹨摗钡哪康氖牵ā　。?br/>A．提高可燃物的熱值 B．增大可燃物的比熱容
C．提高可燃物的利用率 D．不會產(chǎn)生廢氣，不會造成環(huán)境污染
【分析】
（1）燃料的熱值是燃料的一種特性，只與燃料的種類有關(guān)，與燃料的質(zhì)量、放出熱量的多少以及是否充分燃燒無關(guān)；
（2）比熱容是物質(zhì)的一種特性，只與物質(zhì)的種類和狀態(tài)有關(guān)；
（3）“火要虛”是燃物要架空一些，才能燃燒更旺、燃燒才更充分，這樣就可以提高燃料的利用率。
（4）可燃物在燃燒時都會產(chǎn)生廢氣，廢氣大多都會對環(huán)境造成污染。
【解答】
A、燃料的熱值是燃料的一種特性，只與燃料的種類有關(guān)，所以燃燒更旺不能提高可燃物的熱值，故A錯誤；
B、比熱容是物質(zhì)的一種特性，只與物質(zhì)的種類和狀態(tài)有關(guān)，所以燃燒更旺不能增大可燃物的比熱容，故B錯誤；
C、火要虛”是燃物要架空一些，才能燃燒更旺、燃燒才更充分，這樣就可以提高燃料的利用率，故C正確；
D、可燃物在燃燒時都會產(chǎn)生廢氣，廢氣大多都會對環(huán)境造成污染，故D錯誤。
故選：C。
【例題3】圖示為車發(fā)動機的 沖程，若飛輪的轉(zhuǎn)速為2400r/min,在1s內(nèi)，汽油機做功 次；若車的總質(zhì)量為1.5t,勻速直線行駛9km,所受阻力為車重的0.1倍，完全燃燒汽油1L，該發(fā)動機的工作效率是 %。（ρ汽油=0.8×103kg/m3，q汽油=4.5×107J/kg,g取10N/kg）。
【分析】（1）從圖示判斷它屬于哪個沖程。（2）先算出每秒鐘飛輪的轉(zhuǎn)數(shù)，再根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)2圈，做功1次進行推算。（3）先計算完全燃燒汽油1L汽油放出的熱量，再計算出它做的有用功，然后用效率公式進行計算。
【解答】解：（1）從圖示可知，進氣門和排氣門關(guān)閉，活塞向上，故它是壓縮沖程。
（2）飛輪的轉(zhuǎn)速為2400r/min,在1s內(nèi)，飛輪轉(zhuǎn)40r,因為飛輪轉(zhuǎn)2圈，做功1次，故該汽油機1s內(nèi)做功20次；
（3）完全燃燒汽油1L汽油放出的熱量：
Q放=mq=ρVq=4.5×107J/kg×1×10-3m3×0.8×103kg/m3=3.6×107J；
汽車所受的拉力：
F=f=0.1G=0.1mg=0.1×1.5×103kg×10N/kg=1.5×103N；
汽車做的有用功：
W有=Fs=1.5×103N×9000m=1.35×107J；
該發(fā)動機的工作效率是：
η=
故答案為：壓縮；20；37.5。
【例題4】如圖是我國自主研發(fā)的水陸兩棲飛機“鯤龍-600”，它可以承擔大型滅火、水上救援等任務(wù)。若該兩棲飛機以10m/s的速度勻速直線飛行60s,消耗航空燃油50kg,發(fā)動機的效率為40%，已知q燃油=4.2×107J/kg。求：
（1）它在此過程中飛行的路程。
（2）50kg的航空燃油完全燃燒放出的熱量。
（3）飛機發(fā)動機的功率。
【分析】（1）利用s=vt,求在此過程中飛行的路程；
（2）利用Q放=mq,求50kg的航空燃油完全燃燒放出的熱量
（3）利用W=ηQ放，計算發(fā)動機做的功，再根據(jù)P=，計算功率。
【解答】解：（1）它在此過程中飛行的路程：s=vt=10m/s×60s=600m；
（2）50kg的航空燃油完全燃燒放出的熱量：Q放=mq燃油=50 kg×4.2×107 J/kg=2.1×109J；
（3）飛機發(fā)動機做的功：W=ηQ放=40%×2.1×109 J=8.4×108 J；
飛機發(fā)動機的功率：P= =1.4×107 w。
故答案為：（1）600m;（2）2.1×109J;（3）1.4×107 W。
1. 自勞動課成為中小學一門獨立課程以來，小明已學會了多種菜肴的烹飪方法，下列與烹飪有關(guān)的說法，正確的是（　?。?br/>A．鍋把手上刻有花紋可以增大摩擦 B．燃氣的熱值大小與是否完全燃燒有關(guān)
C．菜被炒熟是做功改變了它的內(nèi)能 D．油和水很難融合表明分子間沒有間隙
2. 汽油的熱值為4.6×107J/kg,某汽車水平公路上勻速行駛了100km,該行駛過程中汽車的效率為25%，汽車所受阻力恒定，共消耗了質(zhì)量為4kg的汽油，則汽車所受阻力為（　?。?br/>A．120N B．230N C．125N D．460N
3. 如圖-1所示的某品牌插秧機使用北斗導航，農(nóng)民只需在作業(yè)前進行相關(guān)設(shè)定，即可實現(xiàn)24小時無人值守自動作業(yè)。如圖-2是插秧機單缸四沖程發(fā)動機工作過程中的某個沖程。下列有關(guān)說法錯誤的是（　　）
A．若插秧機發(fā)動機的轉(zhuǎn)速是4800r/min,則該發(fā)動機每秒鐘對外做功80次
B．發(fā)動機用水作冷卻劑是因為水的比熱容較大
C．經(jīng)過精心保養(yǎng)的發(fā)動機的效率也無法達到100%
D．圖-2中發(fā)動機處于壓縮沖程
4. 近幾年來，我國大力推廣新能源汽車，2020年3月長沙市正式由比亞迪公司提供了300多臺純電動出租車，某款電動汽車（如圖）以60km/h的速度勻速行駛了90km,所受的牽引力為720N，耗電18kW h,請解答下列問題：
（1）電動汽車以60km/h的速度勻速行駛90km需要多少時間？
（2）有一款與它外形，重量均相同的汽油車，在相同路面上以60km/h的速度行駛90km,其效率為25%，需要消耗多少kg汽油？（q汽油=4.5×107J/kg）
（3）請你談?wù)劶冸妱悠嚨膬?yōu)點或者缺點。
5. 油電混合動力汽車是新型節(jié)能汽車。這種汽車在內(nèi)燃機啟動時，可以給車提供動力，同時也給動力蓄電池組充電。已知某型號混合動力汽車所用的蓄電池能夠儲存的最大電能是1.0×108J，若該車以80km/h的車速勻速直線行駛了0.5h,此時所受阻力f大小為900N。蓄電池組的電能也增加了最大電能的10%，內(nèi)燃機共消耗燃油2.5kg。（q油=4.0×107J/kg）則：
（1）燃油燃燒時燃油的 能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；
（2）該汽車此次行駛中，若燃油完全燃燒可放出多少熱量？
（3）該汽車行駛中牽引力做了多少功？
（4）該汽車內(nèi)燃機的效率是多大？
6. 汽車已成為許多家庭的必備出行工具，為汽車加汽油是利用汽油燃燒為汽車提供動力；加冷卻液是為了冷卻發(fā)動機；冬季加防凍玻璃水是為了怕玻璃水結(jié)冰。請結(jié)合學過的物理知識任意選擇兩個問題回答：
（1）選擇汽油燃燒為汽車提供動力是因為它具有哪一特性；
（2）加冷卻液冷卻發(fā)動機是因為冷卻液具有哪一特性；
（3）冬季加防凍玻璃水是因為防凍玻璃水具有哪一特性；
（4）為保證交通安全，在設(shè)計和使用方面采取哪些有效措施，舉兩例。
1. 隨著汽車科技的不斷進步，混合動力汽車（簡稱：混動汽車）逐漸受到人們的青睞，目前廣泛使用的混動汽車主要部件有：汽油機、蓄電池、電動機等，它們單獨或組合向汽車提供動力?；靹悠囉写?lián)式和并聯(lián)式等種類。
串聯(lián)式混動汽車的工作流程如圖1甲所示，蓄電池可單獨向電動機提供電能驅(qū)動汽車；汽油機僅帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的電能一部分輸入電動機驅(qū)動汽車，另一部分還能通過發(fā)電機向蓄電池充電。
并聯(lián)式混動汽車的工作流程如圖1乙所示，汽油機和電動機分屬兩套獨立的工作系統(tǒng)，蓄電池通過電動機能單獨驅(qū)動汽車，汽油機也能直接給汽車提供動力，兩套系統(tǒng)還能同時工作驅(qū)動汽車。
（1）若某混動汽車勻速行駛10km用時0.2h,則其速度是多少km/h？
（2）若汽油機完全燃燒2kg汽油，釋放的熱量是多少J？（q汽油=4.6×107J/kg）
（3）如圖2所示是并聯(lián)式混動汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)透視圖。若系統(tǒng)提供的動力一定，油箱油量或蓄電池電量是否會影響汽車行駛路程的長短？請結(jié)合乙圖的工作流程，以其中一套工作系統(tǒng)為例，從能量轉(zhuǎn)化的角度結(jié)合功的相關(guān)知識分析說明。
（4）若兩種方式混動汽車的質(zhì)量相同，相同部件能量轉(zhuǎn)化的效率相同，油電系統(tǒng)同時工作，蓄電池僅處于放電狀態(tài)且放電情況相同。請對比甲、乙兩圖的工作流程分析，在汽車整體輸出能量相同的情況下，哪種方式混動汽車的效率低？為什么？。
2. 閱讀資料，根據(jù)材料內(nèi)容回答問題。
太空電梯
2023年春節(jié)，國產(chǎn)科幻電影《流浪地球2》以其獨具中華文化內(nèi)核的危機應(yīng)對、跌宕起伏的情節(jié)設(shè)計和制作精良的特效展示，獲得了口碑票房的雙豐收，是一部不可錯過的硬核科幻影視作品。其中，太空電梯是尚在科幻設(shè)想中的直達太空的交通工具，可以極大地方便人類進出太空活動，進行太空的開發(fā)與建設(shè)。
在電影中，太空電梯的轎廂使用了組合動力模式。在轎廂上升的初段依靠火箭動力驅(qū)動，利用四角的火箭發(fā)動機的推力，使得轎廂得以擺脫地心引力并以最短時間獲得最快速度進入高空。在加速過程中，轎廂可以獲得最高9個g的加速度，此時站在轎廂的地面會產(chǎn)生10倍于重力的壓力，因此乘坐人員必須經(jīng)過嚴格訓練并穿著抗荷服。在大氣密度不足以支撐航空發(fā)動機運行后，則依靠慣性繼續(xù)上升并減速至接駁口與牽引鎖連接，利用牽引力繼續(xù)上升，最終泊入相應(yīng)的航站。
返回地面時，為了使轎廂免受與大氣摩擦產(chǎn)生的大量熱量的損害，電梯還設(shè)計了冰盾結(jié)構(gòu)，此時轎廂底部會先噴水，在太空的低溫環(huán)境下迅速形成冰盾，以冰層的擺化和升華帶走熱量，從而達到保護轎廂的作用。
要建造一部太空電梯，其實只需要三個主要結(jié)構(gòu)：基座、纜繩和空間站，但其工程難度最大的是纜繩的材料，至今仍未有實質(zhì)性的突破，相信在人類的共同努力下，會有一天突破瓶頸，建造一座直達太空的電梯。
（1）通常用液態(tài)氫等作為火箭的燃燒劑是因為液態(tài)氫具有 （選填“密度”“比熱容”或“熱值”）大的特性。
（2）轎廂沿著纜繩導軌直線加速升空的過程中，轎廂處于 （選填“平衡”或“非平衡”）狀態(tài)，以地面為參照物，轎廂是 （選填“靜止”或“運動”）的。
（3）返回地面時，轎廂與大氣劇烈摩擦，這個過程中 （填能量形式）轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
（4）假設(shè)電梯乘員體重為60kg,最快的加速上升過程中，人受到的支持力方向為 ，大小為 N（g取10N/k。
參考答案：
熱身訓練：1. A;2.D；3. A；
4. （1）電動汽車以60km/h的速度勻速行駛90km需要1.5h的時間；
（2）需要消耗5.76kg汽油；
（3）從節(jié)能環(huán)保的角度，純電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車污染小，高效率、噪聲低等優(yōu)點；
缺點：電池成本較高，電池的能量密度較低，充電后的行駛里程較短等問題；
5. （1）化學；（2）該汽車此次行駛中，若燃油完全燃燒可放出108J熱量；
（3）該汽車行駛中牽引力做了3.6×107J功；（4）該汽車內(nèi)燃機的效率是46%；
6. 答：（1）選擇汽油燃燒為汽車提供動力是因為汽油的熱值大，完全燃燒質(zhì)量相同的不同燃料，汽油燃燒放出的熱量多；
（2）用冷卻液來冷卻發(fā)動機，是因為冷卻液的比熱容大，相同質(zhì)量的冷卻液和其它物質(zhì)比較，升高相同的溫度時，冷卻液吸收的熱量多；
（3）冬季加防凍玻璃水是因為防凍玻璃水的凝固點低，不容易凝固；
（4）動能的大小與質(zhì)量、速度有關(guān)，為了安全，使用汽車時，不能超速、超載。
拓展閱讀：1. （1）若某混動汽車勻速行駛10km用時0.2h,則其速度是50km/h；
（2）若汽油機完全燃燒2kg汽油，釋放的熱量是9.2×107J；
（3）油箱的油量或蓄電池的電量通過能量轉(zhuǎn)化變?yōu)槠囁龅墓Γ土炕螂娏吭蕉啵龅墓驮蕉啵ㄟ^公式W=Fs,s=，F(xiàn)一定的情況下，W越多，s就越大，所以會影響。
（4）串聯(lián)式混動汽車的效率低，因為在混動汽車質(zhì)量相同，轉(zhuǎn)化效率相同的情況下，并聯(lián)式和申聯(lián)式都有蓄電池到電動機再到提供動力，這一部分轉(zhuǎn)化效率相同，但是串聯(lián)式在汽油機方面比并聯(lián)式多了些步驟，它是先到發(fā)電機再到電動機再到提供動力，而并聯(lián)式是汽油機直接提供動力，所以串聯(lián)式在能量轉(zhuǎn)化方面損耗更多，效率低；
2. （1）熱值；（2）非平衡；運動；（3）機械能；（4）豎直向上；6000。
21世紀教育網(wǎng) www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
21世紀教育網(wǎng)(www.21cnjy.com)

展開更多......

收起↑