第14章 内能的利用知识点总结
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第十四章 内能的利用
第1节 热机
01 基础题)
知识点1 热机
1．如图所示的四种交通工具，不用热机作为动力机械的是(A)
A B C D
2．如图，在试管内装一些水，用带玻璃管的胶塞塞住，在玻璃管口放一个制作的小风车．加热试管使水沸腾，细心观察你会发现__小风车转动__，在此过程中燃料的__化学__能最终转化为风车的__动__能．
知识点2 汽油机和柴油机
3．(*_**小型汽车上的四冲程汽油机中，主要把机械能转化为内能的冲程是(B)
A．吸气冲程 B．压缩冲程
C．做功冲程 D．排气冲程
4．(*_**四冲程汽油机的工作示意图如下，其中使汽车获得动力的冲程是 (C)
A B C D
5．下列关于汽油机和柴油机的主要区别，说法错误的是(C)
A．柴油机的汽缸顶部有喷油嘴，汽油机的顶部有火花塞
B．柴油机比汽油机笨重
C．在做功冲程中，柴油机的点火方式是点燃式，汽油机的点火方式是压燃式
D．柴油机吸入汽缸的是空气，汽油机吸入汽缸的是汽油和空气的混合物
6．(*_**为了纪念物理学家瓦特在蒸汽机改良中的杰出贡献，人们把他的名字命名为物理量__功率__的国际单位；如图是电火花发生器，点燃塑料盒内的酒精气体能将盒盖喷出很远，此过程中的能量转化方式与汽油机的__做功__冲程相似．
7．单缸四冲程汽油机的工作示意图如图所示．则汽油机一个工作循环中四个冲程的排列顺序是__乙丁甲丙__．
8．热机是把内能转化为__机械__能的装置．如图是__柴油机__(填“汽油机”或“柴油机”)的构造示意图，此时为__压缩__冲程．
02 中档题)
9．(*_**汽油机在做功冲程中，高温气体迅速膨胀而做功，此时气体的温度和内能的变化情况是(D)
A．温度降低，内能增大 B．温度不变，内能不变
C．温度升高，内能增大 D．温度降低，内能减小
10．下列流程图用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及的主要能量转化情况，下列对图中①②③④的补充正确的是(B)
→ → →
A．①做功冲程 ②内能转化为机械能 ③压缩冲程 ④机械能转化为内能
B．①压缩冲程 ②机械能转化为内能 ③做功冲程 ④内能转化为机械能
C．①做功冲程 ②机械能转化为内能 ③压缩冲程 ④内能转化为机械能
D．①压缩冲程 ②内能转化为机械能 ③做功冲程 ④机械能转化为内能
11．如图是四冲程汽油机工作状态示意图，下列说法正确的是(C)
A．该图表示汽油机的压缩冲程
B．该冲程是将汽油和空气的混合物进行压缩
C．该冲程主要是靠飞轮的惯性完成
D．该冲程中汽缸内气体温度升高，分子运动更剧烈
12．柴油机和汽油机在一个工作循环中完全相同的冲程是(D)
A．吸气、压缩 B．压缩、排气
C．吸气、压缩、排气 D．排气
13．(*_**图甲中，迅速向下压活塞，能量的转化情况是__机械能转化为内能__．图乙内燃机的工作过程中与图甲能量转化情况相同的是__B__(填图中的代号)．
A B C D
甲 乙
14．(**_*若汽油机飞轮转速为3 000 r/min，那么，1 s内完成__100__个冲程，活塞往复__50__次，燃气推动活塞做功__25__次．
03 拓展题)
15．科学家发明了一款单缸六冲程内燃机，它每一个工作循环的前四个冲程与单缸四冲程内燃机相同，如图时刻是内燃机的__做功__冲程，活塞下降时，燃气内能__减少__(填“减少”或“增加”)．在第四冲程结束后，立即向汽缸内喷水，水在高温汽缸内迅速汽化成高温、高压水蒸气，推动活塞再次做功，水蒸气温度__降低__(填“升高”“降低”或“不变”)，这样燃烧同样多的燃料获得了更多的机械能．为进入下一个工作循环，这款内燃机的第六冲程是__排气__冲程．
16．一台四冲程汽油机，转速为2 000 r/min，每次做功冲程对外做功为3 000 J，则10 min内汽油机对外做功为__3×107__J，这台汽油机的功率为__50__kW.
17．阅读下面短文，回答下列问题：
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，水蒸气在汽缸里推动活塞做功．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……
(1)在功率相同时，蒸汽机、内燃机、喷气发动机的重力依次__减小__(填“增大”或“减小”)．
(2)在结构上汽油机的顶部是火花塞，柴油机的顶部是__喷油嘴__．
(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__机械能__．
(4)汽油机常用水冷却发动机是利用水的__比热容较大__的特性；它完成吸气冲程时，吸入汽缸里的物质是__空气和汽油的燃料混合物__．
第2节 热机的效率
01 基础题)
知识点1 燃料的热值
1．(*_**木炭的热值为3.4×107 J/kg，它表示1 kg木炭(D)
A．具有3.4×107 J的热量
B．具有3.4×107 J的内能
C．完全燃烧对外做功3.4×107 J
D．完全燃烧放出热量3.4×107 J
2．(*_**下列关于热值的说法正确的是(D)
A．2 kg煤的热值大于1 kg煤的热值
B．燃料热值越大，燃烧放出的热量越多
C．燃料燃烧不完全时热值变小
D．燃料的热值是燃料本身的特性，与其他因素无关
3．(**_*一个成年人参加一次长跑，身体消耗的能量为6.6×106 J，这些能量需要完全燃烧0.55 kg的干木柴才能得到，则干木柴的热值为__1.2×107__J/kg；干木柴用掉一半后，剩XX木柴的热值将__不变__(填“变大”“变小”或“不变”)．
4．(**_*合理分类和利用垃圾可以变废为宝，在一定条件下，1吨垃圾能榨出170 kg燃料油，若燃料油的热值为4.0×107 J/kg，则这些燃料油完全燃烧释放出的热量为__6.8×109__J，燃烧时燃料油的化学能转化为__内__能．
5．煤气的热值为3.9×107 J/m3，完全燃烧后放出7.8×103 J的热量，则燃烧煤气的体积为__2×10－4__m3.沼气的热值为1.9×107 J/m3，对比可知，完全燃烧相同体积的煤气和沼气，煤气放出的热量更__多__(填“多”或“少”)．
知识点2 热机的效率
6．甲内燃机比乙内燃机的效率高，表示(D)
A．甲内燃机做功多
B．甲燃料的热值比乙燃料的热值大
C．工作时间相同，甲内燃机耗油较少
D．甲内燃机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较大
7．(*_**如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(B)
A．25% B．35% C．40% D．75%
8．热机效率是热机性能的一个重要指标．有一热机，若一部分燃料完全燃烧时，放出的能量为8×103 J，其中用来做有用功的那部分能量为3×103 J，该热机的效率是__37.5%__．
【易错点：提高热机效率的措施】
9．(*_**为节约能源，需提高热机的效率，下列措施中不能提高热机效率的是(D)
A．尽量使燃料充分燃烧
B．尽量减少热机部件间的摩擦
C．尽量减少废气带走的热量
D．尽量增加热机的工作时间
02 中档题)
10．(*_**古语道：“人要实，火要虚．”此话的意思是说做人要脚踏实地，才能事业有成；可燃物要架空一些，才能燃烧更旺．“火要虚”的目的是(D)
A．增大可燃物的热值
B．降低可燃物的着火点
C．能使可燃物完全燃烧
D．提高了可燃物的利用率
11．(*_**关于热机效率的说法正确的是(D)
A．热机的功率大，热机效率一定高
B．用热值大的燃料，就能提高热机效率
C．热机做的有用功越多，热机效率越高
D．减少各种热损失，可以提高热机效率
12．(**_* 在一标准大气压下，体积为0.3 m3、热值为3.6×107 J/m3的煤气完全燃烧，放出的热量的40%被温度为70 ℃、质量为30 kg的水吸收，则水的末温为__100__ ℃.科学研究表明1 g 100 ℃的水汽化成同温度的水蒸气需要吸收2.25×103 J的热量．水开始沸腾后持续观察沸腾现象，同时发现水的质量减少了8 g，求此过程水汽化成水蒸气所吸收的热量__1.8×104__J．[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)]
13．(*_**小亮家有一个容积为2 L的水壶，水壶里装有初温为25 ℃的水，在一个标准大气压下小亮用天然气炉具对水进行加热．[已知天然气的热值q＝8.4×107 J/m3 ，水的比热容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)]则：
(1)烧开1 L水，水需要吸收多少热量？
(2)若天然气炉具的效率是30%，则烧开1 L水需要完全燃烧多少天然气？
解：(1)由题意可知水的体积V水＝1 L＝1×10－3 m3
由ρ＝可得水的质量：
m水＝ρ水V水＝1.0×103 kg/m3×1×10－3 m3＝1 kg
一个标准大气压下水的沸点是100 ℃
则水吸收的热量：
Q吸＝c水m水(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×1 kg×(100 ℃－25 ℃)＝3.15×105 J
(2)由η＝得天然气放出的热量：
Q放＝＝＝1.05×106 J
由Q放＝Vq得需要燃烧天然气的体积：
V天然气＝＝＝1.25×10－2 m3
14．(*_**混合动力汽车具有节能、低排放等优点，是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5.12×108 J，由内燃机提供能量，汽车以50 km/h的速度匀速行驶了0.5 h，同时蓄电池的电能增加了10%，求：
(1)汽车牵引力做的功；
(2)若所用燃料的热值为4.5×107 J/kg，测试过程中消耗了8 kg燃料(假设燃料完全燃烧)，则燃料燃烧放出的总热量是多少？
(3)内燃机的效率．
解：(1)由图可知，汽车以50 km/h的速度匀速行驶时，汽车牵引力：
F＝f＝4 000 N
通过的距离：
s＝vt＝50 km/h×0.5 h＝25 km＝2.5×104 m
汽车牵引力做的功：
W＝Fs＝4 000 N×2.5×104 m＝1×108 J
(2)燃料燃烧放出的总热量：
Q＝qm＝4.5×107 J/kg×8 kg＝3.6×108 J
(3)蓄电池内能增加量：
ΔE＝10%×5.12×108 J＝5.12×107 J
内燃机的效率：
η＝＝＝42%
15．(*_**阅读短文，回答问题：
大量燃烧煤是造成雾霾的主要因素之一．数据显示，我国直接燃烧煤炭产生的二氧化硫占全国总量的86%，产生的PM2.5占总量的50%以上，把工业锅炉、居民取暖等用煤改为用电或用气，可以大幅改善空气质量．针对燃煤取暖对空气污染的这一问题，许多城市启动了“煤改电”“煤改气”工程，即用清洁能源替代燃煤．燃气锅炉取暖时，燃气锅炉的“热效率”是指锅炉将燃气转换成热能的能力，也就是燃气在锅炉中燃烧放出的热量与等质量的燃气完全燃烧时放出的热量之比．“热交换率”是指水在锅炉中被加热吸收的热量与锅炉内燃气燃烧放出热量之比．燃气锅炉烟囱口的废气温度越高，说明该锅炉的“热交换率”越低，大量的热能没有被水吸收而随着烟气被白白地排到了室外空气中．降低燃气锅炉烟囱口的废气温度是提高锅炉“热交换率”的有效途径．
(1)燃气在锅炉中燃烧时，将__化学__能转化为__内__能．
(2)可以通过__降低__(填“升高”或“降低”)锅炉烟囱口的废气温度，来提高燃气锅炉的“热交换率”．
(3)燃气锅炉与工业锅炉相比，有哪些优点：__“热交换率”高，能有效利用能源；减少废气排放量，对空气质量影响小__．
小专题(一) 热量的综合计算
类型1 热量的综合计算
1．(*_**十九大报告中指出：“绿水青山就是XX银山”．为了减少环境污染，XX省对部分农村地区改用液化气．用某燃气灶完全燃烧0.15 kg液化气，给质量为20 kg、初温为10 ℃的水加热．已知该燃气灶的效率为40%，液化气的热值为q＝4.2×107 J/kg，水的比热容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)．求：
(1)0.15 kg液化气完全燃烧时放出的热量是多少？
(2)一标准大气压下，可使水的温度升高到多少？
解：(1)液化气完全燃烧放出的热量：
Q放＝m气q＝0.15 kg×4.2×107 J/kg＝6.3×106 J
(2)根据η＝得水吸收的热量：
Q吸＝ηQ放＝40%×6.3×106 J＝2.52×106 J
由Q吸＝c水m水Δt得：
Δt＝＝＝30 ℃
水的末温：t2＝t1＋Δt＝10 ℃＋30 ℃＝40 ℃
2．(*_**某物理兴趣小组的同学，用煤炉给10 kg的水加热，同时他们绘制了如图所示的加热过程中水温随时间变化的图线．若在6 min内完全燃烧了0.2 kg的煤，水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，煤的热值约为3×107 J/kg.求：
(1)煤完全燃烧产生的热量；
(2)经过6 min时间加热，水所吸收的热量；
(3)煤炉烧水时的热效率．
解：(1)煤完全燃烧产生的热量：
Q放＝qm煤＝3×107 J/kg×0.2 kg＝6×106 J
(2)由图可知，经过6 min时间加热后水温由20 ℃达到80 ℃，则水吸收的热量：
Q吸＝cm水(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×10 kg×(80 ℃－20 ℃)＝2.52×106 J
(3)煤炉烧水时的热效率：
η＝＝＝42%
3．(**_*太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置，下表是小明家的太阳能热水器某天在阳光照射下的相关信息：
太阳
照射
时间/h
装水
量/kg
吸热板
面积/m2
水升
高的
温度/℃
水的比
热容/J·
(kg·
℃)－1
太阳
辐射
功率/J·
(m2·h)－1
10
100
2.5
50
4.2×103
1.68×106
其中太阳辐射功率是指1 h内投射到1 m2太阳能板面积上的太阳能．求：
(1)水在10 h内吸收的热量；
(2)如果水吸收的热量用天然气来提供，需要完全燃烧多少体积的天然气；(天然气的热值为8.4×107 J/m3，天然气完全燃烧放出的热量全部被水吸收)
(3)该太阳能热水器的能量转化效率．
解：(1)水吸收的热量(有用能量)：Q吸＝cmΔt＝4.2×103 J/(kg·℃)×100 kg×50 ℃＝2.1×107 J
(2)由题知，Q放＝qV＝Q吸＝2.1×107 J，需要天然气的体积：V＝＝＝0.25 m3
(3)10 h太阳能热水器吸收的太阳能(总能量)：
Q太阳能＝P0St＝1.68×106 J/(m2·h)×2.5 m2×10 h＝4.2×107 J
太阳能热水器的能量转化效率：
η＝＝＝50%
类型2 热机的综合计算
4．(*_**随着人们生活水平的日益提高，小汽车越来越多地走进了百姓人家．一辆使用汽油为燃料的小汽车，以72 km/h 的速度在水平路面上匀速行驶时，发动机的实际功率为23 kW.若小汽车行驶的距离为100 km，汽油的热值q＝4.6×107 J/kg，小汽车发动机的效率为25%.求小汽车在这段路程中：
(1)运动的时间；
(2)发动机所做的功；
(3)消耗汽油的质量；
(4)若将小汽车在该次行驶过程中损失的热量用来加热水，可将多少质量为20 ℃的冷水加热到40 ℃？(结果保留整数)
解：(1)速度v＝72 km/h＝20 m/s
由v＝得运动时间：t＝＝＝5 000 s
(2)发动机所做的功：
W＝Pt＝23×1 000 W×5 000 s＝1.15×108 J
(3)由η＝得汽油完全燃烧释放的热量：
Q放＝＝＝4.6×108 J
消耗汽油的质量：m汽油＝＝＝10 kg
(4)由题知，水吸收的热量：
Q吸＝Q－W＝4.6×108 J－1.15×108 J＝3.45×108 J
由Q吸＝cmΔt得水的质量：
m＝＝≈4 107 kg
5．汽油发动机每一个工作循环活塞经历四个冲程，带动曲轴转动两圈．一台汽油机活塞面积是50 cm2，活塞行程是25 cm，做功冲程燃气产生的平均压强为8×105 Pa.若飞轮的转速是2 000 r/min，效率为30%，求：(汽油的热值为4.6×107 J/kg)
(1)做功冲程中，燃气对活塞的平均压力是多少？
(2)做功冲程中，平均压力做多少功？
(3)汽油机在1 h内要消耗多少千克汽油？
解：(1)由p＝可得，燃气对活塞的平均压力：
F＝pS＝8×105 Pa×50×10－4 m2＝4 000 N
(2)做功冲程中，平均压力做的功：
W＝Fs＝4 000 N×25×10－2 m＝1 000 J
(3)因飞轮的转速是2 000 r/min，即飞轮1 min转2 000 r，对外做功1 000次，所以，1 h内汽油机对外做功60×1 000＝60 000次，
汽油机在1 h内做的总功：
W总＝60 000×1 000 J＝6×107 J
由η＝可得，汽油完全燃烧放出的总能量：
Q放＝＝＝2×108 J
由Q放＝mq得，消耗汽油的质量：
m＝＝≈4.35 kg
6．(人教教材P26T3变式)全球汽车保有量在迅速增长，截至2011年，全球处于使用状态的汽车数量已突破10亿辆．每辆汽车每年耗油1.8 t，汽车内燃机的效率平均值取29%，燃油的热值取4.6×107 J/kg.
(1)燃油的热值为4.6×107 J/kg，表示1 kg燃油在__完全燃烧__时放出的热量为4.6×107 J.
(2)全球10亿辆汽车每年燃烧燃油完全放出的热量为多少？
(3)如果能把内燃机效率提高1%，全球每年可以节约多少吨燃油．
解：(2)每辆汽车每年消耗燃油的质量：
m＝1.8 t＝1 800 kg
这些燃油完全燃烧放出的热量：
Q放＝qm＝4.6×107 J/kg×1 800 kg＝8.28×1010 J
10亿辆汽车每年燃烧燃油完全放出的热量：
Q总＝1.0×109×8.28×1010 J＝8.28×1019 J
(3)内燃机效率提高1%
所以η2＝η1＋1%＝29%＋1%＝30%
因为η＝
所以W有用＝ηqm
因为内燃机效率提高后有用功是相同的，
所以对每辆汽车有：η1qm1＝η2qm2
所以m2＝m1
则每辆汽车每年节约燃油：
Δm＝m1－m2＝m1－m 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 升高得较慢，__B__液体的比热容较大，若A的比热容是cA，若B的比热容是cB，则cA＝__0.5__cB(填数量关系)．
(3)另一小组使用相同装置在一个标准大气压下对a、b、c三种液体进行加热直至沸腾，温度随时间变化图象如图戊，则__a__和__b__有可能是同种液体，原因是__同种液体沸点相同__，但二者图象也有不同之处，原因可能是__质量不同__．
五、分析与计算(本大题共1小题，共9分)
15．(*_**某家庭用的燃气热水器，将20 kg的水从10 ℃加热到60 ℃，完全燃烧了0.21 m3的煤气．已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，煤气的热值为4×107 J/m3.试求：
(1)煤气完全燃烧放出的热量是多少？
(2)水吸收的热量是多少？
(3)该热水器烧水的效率是多少？
解：(1)煤气完全燃烧放出的热量：
Q放＝qV＝4×107 J/m3×0.21 m3＝8.4×106 J
(2)水吸收的热量：
Q吸＝cm(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×20 kg×(60 ℃－10 ℃)＝4.2×106 J
(3)该热水器烧水的效率：
η＝＝＝50%
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