資源簡介

第7講　內能的利用
命題分析　
廣東省近五年中考物理命題分析
考點 2023 2022 2021 2020 2019
熱機及效率 省題5 省題9 省題3 未考查 省題9
熱值 __ 省題8 省題10 省題22
熱機效率 __ __ __ __
能量的轉化和守恒 省題23 省題9 省題10 __
【課程標準】
3．3.1　從能量轉化的角度認識燃料的熱值。
3．3.3　了解熱機的工作原理。知道內能的利用在人類社會發展史中的重要意義。
例　了解熱機對社會發展所起的作用和對環境的影響。
3．5.1　知道能量守恒定律。列舉日常生活中能量守恒的實例。有用能量轉化與守恒的觀點分析問題的意識。
3．5.2　從能量的轉化和轉移的角度認識效率。
3．5.3　列舉能量轉化和轉移具有方向性的常見實例。
考點一　熱機及效率
一、熱機
1．熱機概念：利用內能做功的機械。
2．熱機原理：化學能內能機械能。
3．熱機的種類：蒸汽機、內燃機、汽輪機、噴氣發動機等。
4．內燃機：燃料直接在發動機汽缸內燃燒產生動力的熱機。內燃機包括汽油機和柴油機。
二、汽油機
1．沖程：內燃機的活塞在汽缸內往復運動時，從汽缸的一端運動到另一端的過程，叫做一個沖程。
2．汽油機的四個沖程：
沖程 名稱 吸氣沖程 壓縮沖程 做功沖程 排氣沖程
示意圖
工作 過程 進氣門打開，排氣門關閉，活塞向下運動，汽油和空氣的混合物進入汽缸 進氣門和排氣門都關閉，活塞向上運動，燃料混合物被壓縮 在壓縮沖程結束時，火花塞產生電火花，使燃料猛烈燃燒，產生高溫高壓的氣體。高溫高壓的氣體推動活塞向下運動，帶動曲軸轉動，對外做功 進氣門保持關閉，排氣門打開，活塞向上運動，把廢氣排出汽缸
能量 轉化 — 機械能轉化為內能 內能能轉化為機械能 廢氣帶走很多內能
三、汽油機和柴油機的比較
比較內容 汽油機 柴油機
不 同 點 構造 汽缸頂部有火花塞 汽缸頂部有噴油嘴
燃料 汽油 柴油
吸氣沖程 吸入的是汽油和空氣的混合物 只吸入空氣
壓縮程度 對空氣的壓縮程度低 對空氣的壓縮程度高
點燃方式 點燃式 壓燃式
效率 較低20%～30% 較高30%～45%
應用實例 小型汽車、摩托車 載重汽車、火車、輪船
相 同 點 工作過程：都是分為吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程 壓縮沖程：都是機械能轉化為內能 做功沖程：都是內能轉化為機械能 一個工作循環：活塞往復運動2次，曲軸運動2周，對外做功1次
(1)單缸四沖程內燃機中每個工作循環曲軸轉2周，活塞上下往復2次，做功1次。(　√　)
(2)在四個沖程中只有做功沖程是燃氣對活塞做功，其他三個沖程是依靠飛輪的慣性來完成的。(　√　)
(3)壓縮沖程將內能轉化為機械能。(　×　)
(4)做功沖程將內能轉化為機械能。(　√　)
(5)柴油機汽缸頂部是噴油嘴，吸氣沖程吸入汽缸的是汽油和空氣的混合物。(　×　)
例1　(2021·廣東)關于四沖程汽油機的工作過程，下列說法正確的是(　　)
A．吸氣沖程：只吸入空氣 B．壓縮沖程：缸內溫度降低
C．做功沖程：氣體推動活塞做功 D．排氣沖程：內能轉化為機械能
分析　四沖程汽油機一個工作循環有四個沖程，分別是吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程。其中只有做功沖程對外做功，將內能轉化為機械能，汽車獲得動力；壓縮沖程將機械能轉化為內能。
答案　C
解析　汽油機在吸氣沖程中吸入的是汽油和空氣的混合物，故A錯誤；在壓縮沖程，活塞對氣體做功，將機械能轉化為內能，氣體的內能變大，溫度升高，故B錯誤；做功沖程中，高溫高壓氣體對活塞做功，高溫高壓氣體的內能轉化為活塞的機械能，故C正確；排氣沖程中沒有能量的轉化，故D錯誤。
例2　(2023·江門蓬江區模擬)如圖所示，圖甲是汽油機的________沖程，與它改變內能方式相同的是圖________所示的演示實驗；行駛時汽油機的飛輪的轉數可以達到3 600 r/min，則每秒做功的次數為________。
答案　做功　丙　30
解析　圖甲中，兩氣門都關閉，活塞下行，汽缸容積變大，是做功沖程，此沖程將內能轉化為機械能；圖乙是用力將活塞壓下，活塞對空氣做功，空氣的內能增大，溫度升高，達到了棉花的著火點，棉花就會燃燒。是通過對物體做功來增大物體內能的，即是將機械能轉化為內能的過程；圖丙對試管中的水加熱，加快水的汽化，使試管中水的內能增大，體積膨脹，對外做功，使塞子飛出去，內能轉化為塞子的機械能，與做功沖程原理相同。飛輪轉速是3 600 r/min＝60 r/s，表示每秒飛輪轉動60圈，要經過120個沖程，對外做功30次。
名師點撥　四沖程順序是：吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程。判斷沖程：①先看門，兩門關閉則為壓縮沖程或做功沖程，一門打開則為吸氣沖程或排氣沖程；再看活塞，活塞向上為壓縮沖程或排氣沖程，活塞向下則為吸氣沖程或做功沖程。②有火花的為做功沖程；做功沖程內能轉化為機械能。 提醒：(1)四沖程內燃機的一個工作循環中，活塞往復運動2次，曲軸運動2周，對外做功1次。汽油機僅在做功沖程獲得動力，其他三個沖程靠慣性完成。 (2)熱機壓縮沖程和做功沖程能量轉化的方向。
考點二　熱值和熱機效率及其計算
一、熱值
1．概念：某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質量之比，用符號q表示。
2．單位：固體、液體熱值的單位是焦每千克，符號是J/kg；氣體燃料熱值單位為J/m3。
3．特點：熱值是燃料的一種屬性，只與燃料的種類有關，與燃料的形狀、體積、質量和是否完全燃燒無關。
4．公式：固體、液體Q＝mq，質量單位為kg，熱量單位為J；氣體Q＝qV，體積單位為m3，熱量單位為 J。
5．物理意義：熱值在數值上等于1 kg某種燃料完全燃燒放出的熱量。
如木炭的熱值為3.4×107 J/kg，其物理意義是每千克的木炭完全燃燒放出的熱量為3.4×107 J。
二、熱機的效率
1．概念：在熱機里，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。
2．公式：η＝＝或η＝＝
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。
3．熱機能量損失的主要途徑：廢氣帶走能量，散熱損失，機器損失。
4．提高熱機效率的途徑：
①使燃料充分燃燒，盡量減小各種能量損失；
②機件間保持良好的潤滑，減小摩擦；
③在熱機的各種能量損失中，廢氣帶走的能量最多，設法利用廢氣的能量，是提高燃料利用率的重要措施。
(1)燃料的熱值越大，燃燒放出的熱量越多。(　×　)
(2)熱機做的功越多，熱機的效率越高。(　×　)
(3)一杯酒精用掉一半，其質量變為一半，密度、比熱容和熱值都不變。(　√　)
(4)燃料燃燒越充分，熱值越大。(　×　)
例3　(2022·廣東節選)班級廚藝展示活動中，用煤氣爐烹飪食物。活動結束，剩余煤氣的熱值________(選填“變大”“變小”或“不變”)。
分析　熱值在數值上等于1 kg某種燃料完全燃燒放出的熱量。熱值是燃料的一種特性，與質量、是否完全燃燒無關，只與燃料的種類有關。
答案　不變
例4　(2021·廣東)如圖為火箭發射的場景，火箭的燃料使用了液態氫，主要是因為它的________大，火箭發射升空時，燃料的化學能轉化為________能，再轉化為火箭的機械能，這個過程中火箭的機械能________(選填“守恒”或“不守恒”)。
分析　(1)運載火箭采用液態氫作為火箭的燃料，原因是液態氫具有較高的熱值，完全燃燒相同質量的氫時，可以釋放出更多的熱量；并且所需的液態氫的體積小，便于儲存和運輸。(2)燃料燃燒將化學能轉化為內能；火箭是熱機的一種，工作原理是將內能轉化為機械能；燃燒后產生的氣體對火箭做功，又將內能轉化為火箭的機械能，使得火箭的機械能增大，所以機械能不守恒。
答案　熱值　內　不守恒
例5　(2022·廣州)下列選項可能符合汽車熱機能量流向的是(　　)
分析　(1)熱機是利用內能來做功的機器。(2)熱機的效率是指用來做有用功的那部分能量和燃料完全燃燒所放出的總能量的比值。熱機的效率比較低，汽車熱機的效率通常為20%～30%左右。
答案　D
例6　(科學思維)(2023·佛山禪城區二模)近幾年廠家通過對燃氣灶爐頭進行改造，可以讓燃氣灶的熱效率達到60%以上。小可為了測出家中使用天然氣的熱值，將裝有2 kg水的水壺放到天然氣灶上去加熱，當水從20 ℃加熱至70 ℃時，天然氣表的數字變化了0.02 m3，這個過程水吸收了________ J熱量。若他家的天然氣灶的效率約為60%，則天然氣燃燒放出了________ J熱量，天然氣的熱值約為________ J/m3。[水的比熱容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)]
答案　4.2×105　7×105　3.5×107
解析　水吸收的熱量：Q吸＝c水m水(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×(70 ℃－20 ℃)＝4.2×105 J。
由η＝可知，天然氣完全燃燒放出的熱量：Q放＝＝＝7×105 J，
則天然氣的熱值：q天然氣＝＝＝3.5×107 J/m3。
名師點撥　人們獲得能量的六種方式及其效率的計算方法： (1)煤爐：化學能→內能，η熱＝＝。 (2)電熱器：電能→內能，η熱＝＝。 (3)太陽能熱水器：太陽能→內能，η光熱轉換＝＝。 (4)光伏電池：太陽能→電能，η＝＝。 (5)熱機：化學能→機械能，η＝＝。 (6)火力發電：化學能→電能，η＝＝。
考點三　能量的轉化和守恒
1．能量的轉化：在一定條件下，各種形式的能量是可以相互轉化的。
2．能量守恒定律：能量既不會憑空消失，也不會憑空產生，它只會從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到其他物體，而在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。
3．做功改變內能是能量的轉化過程，而熱傳遞改變內能是能量的轉移過程。
4．能量的轉化和轉移具有一定的方向性。
例7　(2022·廣東)如圖表示四沖程汽油機處于__________沖程。汽車尾氣帶走的能量________(選填“能”或“不能”)自動匯集回來轉化成燃料的化學能，這反映了能量的轉化具有________。
分析　(1)掌握各沖程的特點是解題的關鍵。由進氣門和排氣門的關閉和打開情況、活塞的上行和下行情況來判斷是汽油機工作時處于哪個沖程。(2)大量向外散失的能量不會再自動匯集回來，說明能量轉化和轉移具有方向性。
答案　排氣　不能　方向性
例8　(2023·揚州)請補全下面知識結構圖。
(1)__________；(2)__________；(3)__________。
答案　(1)轉移　(2)做功　(3)彈性勢能
解析　(1)熱傳遞的實質是內能的轉移；(2)做功的實質是能量之間的相互轉化；(3)動能與勢能之間的相互轉化包括動能和重力勢能之間的轉化，以及動能和彈性勢能之間的轉化。
例9　(物理觀念)(2023·廣州)某路燈照明系統的太陽能電池白天將太陽能轉化為電能，對蓄電池充電，晚上蓄電池對路燈供電，對如圖方框中能量形式判斷正確的是(　　)
A．甲是“電能” B．乙是“太陽能”
C．丙是“電能” D．丁是“機械能”
答案　C
解析　太陽能電池白天將太陽能轉化為電能，對蓄電池充電，將電能轉化為化學能；晚上蓄電池對路燈供電(放電)，路燈工作時將電能轉化為光能和內能。其能量轉化過程如下：太陽能→電能→化學能→電能→光能和內能。故選C。
名師點撥　能量的轉移或轉化是有方向性的，熱傳遞過程中內能自發地從高溫物體轉移到低溫物體；能量在轉移和轉化過程中存在損失，但能量的總量保持不變；判斷能量轉化時，要看消耗了什么能量，得到了什么能量，消耗的能量轉化為得到的能量。
考點一　熱機及效率
1.(綜合能力)(2023·仙桃改編)一臺單缸四沖程汽油機的飛輪轉速為1 200 r/min，如圖所示為它工作循環中的一個沖程。下列說法正確的是(　　)
A．汽油不是來源于化石能源 B．該沖程為做功沖程
C．該汽油機每秒對外做功20次 D．熱機的功率越大，效率就越高
答案　B
解析　汽油來源于石油，石油是經過幾百萬年的演變形成的化石能源，所以汽油來源于化石能源，故A錯誤；由題圖可知，進氣門和排氣門都關閉，火花塞點火，高溫高壓的燃氣推動活塞向下運動，該沖程為做功沖程，故B正確；汽油機的飛輪轉速為1 200 r/min＝20 r/s，即飛輪每秒轉20圈，由于汽油機一個工作循環完成4個沖程，飛輪和曲軸轉2圈，對外做功1次，所以該汽油機每秒對外做功10次，故C錯誤；功率是指熱機做功的快慢，效率是用來做有用功的能量與燃料完全燃燒放出的總能量的比值，效率和功率沒有必然的聯系，故D錯誤。
2．(2023·深圳模擬)如圖甲為航母上簡化的蒸汽彈射裝置，能帶動艦載機在兩秒內達到起飛速度，如圖乙為四沖程汽油機的工作示意圖。下列判斷不正確的是(　　)
A．汽油用掉一半之后，汽油的熱值變成原來的一半
B．汽油機的壓縮沖程是機械能轉化為內能
C．從能量轉化角度講，蒸汽彈射裝置工作時與圖c所示的原理相似
D．圖甲中汽缸內的蒸汽體積膨脹，從而推動活塞使艦載機獲得牽引力
答案　A
解析　題圖a是吸氣沖程、題圖b是壓縮沖程、題圖c是做功沖程、題圖d是排氣沖程。汽油用掉一半后，質量減半，但燃料種類不變、熱值不變，故A錯誤；汽油機的壓縮沖程是機械能轉化為內能，故B正確；題圖c中汽油機兩氣門都關閉，火花塞點火和活塞向下移動，是汽油機的做功沖程，也是內能轉化為機械能的過程，與蒸汽彈射裝置工作時的原理相似，故C正確；汽缸內蒸汽體積膨脹，對外做功，其內能減小，同時推動活塞，使艦載機獲得巨大的牽引力，該過程中內能轉化為機械能，故D正確。
3．(科學思維)(2023·茂名高州市模擬)內燃機的一個工作循環是由四個沖程組成的，若一臺內燃機的飛輪轉速是1 800 r/min，則它每秒完成________個沖程，對外做功________次。內燃機極大地改善了人類的交通運輸方式，但同時也帶來許多環境污染問題，內燃機工作時________沖程排放的廢氣會對大氣造成污染。
答案　60　15　排氣
解析　內燃機的飛輪轉速是1 800 r/min＝30 r/s，由于在一個工作循環中，要完成4個沖程，活塞往復運動2次，飛輪和曲軸轉2周，對外做功1次，所以它每秒完成60個沖程，對外做功15次；內燃機工作時排氣沖程排放的廢氣會對大氣造成污染。
考點二　熱值和熱機效率及其計算
4．(2021·深圳改編)下列說法正確的是(　　)
A．在壓縮沖程中，柴油機比汽油機壓縮程度高
B．同一種物體比熱容一定相同
C．物體吸熱時，溫度一定升高
D．燃料的熱值越大，熱量越多
答案　A
解析　柴油機在點火方式上屬于壓燃式，所以在壓縮沖程中，柴油機比汽油機壓縮程度高，故A正確；同一種物體在狀態不同時，比熱容不同，故B錯誤；晶體熔化吸熱，但溫度保持不變，全部熔化后，繼續吸熱，溫度又會上升，故C錯誤；燃料燃燒后放出的熱量的多少與燃料的熱值、燃料的質量、燃燒情況有關，只根據熱值無法判定熱量的多少，故D錯誤。
5.(2023·株洲)如圖，在試管內裝些水，用橡膠塞塞住管口，將水加熱一段時間后，橡膠塞被沖出。則(　　)
A．管內水蒸氣的內能不變 B．管內水蒸氣對橡膠塞做了功
C．水所含的熱量增加 D．燈中剩余酒精的熱值變小
答案　B
解析　對試管加熱，水吸收熱量，溫度升高，內能增大，故A錯誤；水吸熱迅速地汽化，產生大量的水蒸氣，水蒸氣對橡膠塞做功，將橡膠塞推出去，水蒸氣的內能轉化為橡膠塞的機械能，內能減小，故B正確；熱量是一個過程量，不能說物體含有多少熱量，故C錯誤；熱值是燃料的一種特性，與質量無關，只與燃料的種類和狀態有關，所以剩余的酒精熱值不變，故D錯誤。
6.(創新實驗)(2019·廣州)(1)完全燃燒1.4 g酒精釋放的熱量是完全燃燒0.7 g酒精釋放熱量的________倍。0.7 g酒精完全燃燒釋放的熱量是2.1×104 J。這些熱量全部被100 g的液體A吸收，液體的溫度升高了50 ℃；完全燃燒1.4 g酒精釋放的熱量全部被200 g的液體A吸收，液體的溫度升高了Δt＝________ ℃(不考慮散熱)。
(2)現用如圖所示裝置加熱200 g的液體A，燃燒了1.4 g酒精，液體升高的溫度小于Δt，有哪些原因會導致這個結果？_________________________________________________。
答案　(1)2　50　(2)加熱過程中的各種熱損失(或燃料沒有完全燃燒)
解析　(1)熱值是燃料的一種特性，根據Q＝mq可知，1.4 g是0.7 g的2倍，所以完全燃燒1.4 g酒精釋放的熱量是完全燃燒0.7 g酒精釋放熱量的2倍；液體A的比熱容不變，完全燃燒1.4 g酒精釋放的熱量是完全燃燒0.7 g酒精釋放熱量的2倍，完全燃燒1.4 g酒精加熱液體A的質量是完全燃燒0.7 g酒精加熱液體A的質量的2倍，根據Q＝cmΔt可知，液體A升高的溫度相同，為50 ℃。
(2)液體升高的溫度小于Δt的原因：加熱過程中的各種熱損失，或燃料沒有完全燃燒。
7．(科學思維)(2023·蘭州)一輛燃油汽車沿平直公路勻速行駛了108 km，所用時間為1 h，消耗汽油10 kg，汽車在行駛過程中所受阻力恒為1 380 N(汽油的熱值q汽油＝4.6×107 J/kg)。求：
(1)汽車行駛的速度；
(2)牽引力的功率；
(3)汽車發動機的效率。
解：(1)汽車行駛的速度v＝＝＝108 km/h＝30 m/s；
(2)汽車沿平直公路勻速行駛，受力平衡，根據二力平衡條件可知，牽引力F＝f＝1 380 N，
牽引力做的功W＝Fs＝1 380 N×108×103 m＝1.490 4×108 J，
牽引力的功率為P＝＝＝41 400 W；
(3)消耗的汽油完全燃燒放出的熱量Q放＝mq汽油＝10 kg×4.6×107 J/kg＝4.6×108 J，
汽車發動機的效率η＝＝＝32.4%。
答：(1)汽車行駛的速度為30 m/s；
(2)牽引力的功率為41 400 W；
(3)汽車發動機的效率為32.4%。
考點三　能量的轉化和守恒
8．(2022·深圳)2022年6月5日10時44分，搭載神舟十四號載人飛船的長征二號F遙十四運載火箭在酒泉衛星發射中心點火發射。以下說法不正確的是(　　)
A．火箭發射前內能為零
B．火箭的燃料熱值大
C．火箭燃料的化學能不可能全部轉化為機械能
D．加速升空過程中火箭的機械能增大
答案　A
解析　一切物體都有內能，故火箭發射前的內能不為零，故A錯誤；火箭燃料使用液態氫，是因為它的熱值大，完全燃燒相同質量的氫時，可以釋放出更多的熱量，故B正確；火箭燃料的化學能先轉化為內能，內能對外做功，轉化為機械能，在能量轉化的過程中，有能量的散失，故C正確；火箭在加速升空的過程中，火箭的質量不變，速度變大，動能增大；質量不變、高度增大，重力勢能增大，故火箭的機械能增大，故D正確。
9.(2021·廣州)如圖，太陽能汽車利用太陽能電池將太陽能轉化為電能，儲存在車上的蓄電池內，為汽車提供動力。下列說法正確的是(　　)
A．太陽能是一種不可再生能源
B．蓄電池為汽車提供動力時，將電能轉化為化學能
C．太陽能汽車不能將接收到的太陽能全部轉化為機械能
D．太陽能汽車將太陽能轉化為內能，再將內能轉化為動能
答案　C
解析　太陽能可以在自然界源源不斷地得到，屬于可再生能源，故A錯誤；蓄電池為汽車提供動力時，先將化學能轉化為電能，然后將電能轉化為機械能，故B錯誤；由于在能量的轉化或轉移的過程中存在能量的散失，所以太陽能汽車不能將接收到的太陽能全部轉化為機械能，故C正確；太陽能汽車將太陽能轉化為電能，再將電能轉化為其他形式的能，故D錯誤。
10．(科學態度與責任)關于能量守恒定律，下列說法正確的是(　　)
A．能量守恒定律只適用于機械能與內能之間的相互轉化
B．摩擦生熱是創造了熱，并不符合能量守恒定律
C．按照能量守恒定律，宇宙中能量的總量永遠不會增減
D．能量守恒定律只適用于能量轉化的過程
答案　C
11.(科學思維)(2023·揭陽普寧市二模)如圖所示，某同學用燃氣灶燒水給餐具消毒。已知密閉鍋內水的質量為5 kg，水的初溫為22 ℃，當水剛好燒開時，共消耗了0.06 m3的天然氣，該燃氣灶燒水的熱效率為70%。0.06 m3的天然氣完全燃燒所放出的熱量為________ J，以上過程中，水吸收的熱量為________ J，密閉的鍋內水燒開時的溫度為________ ℃。[水的比熱容為4.2×103 J/(kg·℃)，天然氣的熱值為4.0×107 J/m3]
答案　2.4×106　1.68×106　102
解析　0.06 m3的天然氣完全燃燒放出的熱量為：Q放＝Vq＝0.06 m3×4.0×107 J/m3＝2.4×106 J。
水吸收的熱量為：Q吸＝η Q放＝70%×2.4×106 J＝1.68×106 J。
根據Q吸＝cm(t－t0)可知，密閉的鍋內水燒開時的溫度為：
t＝＋t0＝＋22 ℃＝102 ℃。
12．(科學思維)(2020·廣州)某地區把多余電能E1送往制氫裝置產生氫氣，電能不足時，通過發電裝置把這部分氫氣燃燒釋放的能量轉化為電能E2送回電網。
(1)氫氣的熱值是1.4×108 J/kg,20 kg氫氣完全燃燒放出的熱量是________ J。
(2)下列屬于可再生能源的是________。
①風能　②煤　③太陽能
(3)E1________(選填“＞”“＝”或“＜”)E2。
答案　(1)2.8×109　(2)①③　(3)＞
解析　(1)20 kg氫氣完全燃燒放出的熱量Q放＝mq＝20 kg×1.4×108 J/kg＝2.8×109 J。
(2)可以從自然界源源不斷地得到的能源稱為可再生能源，故屬于可再生能源的是風能和太陽能。
(3)多余電能E1送往制氫裝置產生氫氣，電能不足時，通過發電裝置把這部分氫氣燃燒釋放的能量轉化為電能E2，由于能量在轉化過程中存在損失，故E1＞E2。

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