第十三章内能与热机
第十三章 内能与热机
物体的内能__
1.内能
定 义:物体内所有分子由于无规则运动而具有的__动能__,以及__分子势能__的总和,叫做物体的内能。内能的单位是焦耳(J)。
说 明:物体内能的大小和物体的温度、质量和物态有关。物体温度升高内能__增加__,温度降低,内能__减少__。
2.内能的改变
方 式:做功和热传递。
说 明:对物体做功,物体内能会__增加__,物体对外做功,物体内能会__。热传递的条件是物体之间存在__。
3.热量
定 义:热传递过程中,传递的__内能__的多少叫热量,单位是焦耳(J)。 说 明:热传递的实质是内能的转移。
注 意:不能说物体含有或具有多少热量,因为热量是只有在热传递过程中才表现出多少的一种能量,只能说物体吸收或放出多少热量。
类型之一 理解内能的概念
[2014·桂林]关于物体的内能,下列说法中错误的是( A )
A .物体的内能是不能改变的
B .热传递可以改变物体的内能
C .做功可以改变物体的内能
D .内能是物体所有分子动能和分子势能的总和
【解析】 物体温度降低(或升高) 时,它的内部分子运动变缓慢(或剧烈) ,所以内能就减少(或增加) ,故A 错误;改变物体内能的方式有做功和热传递,故B 、C 正确;内能是物体内部所有分子动能和分子势能的总和,一切物体
都具有内能,故D 正确,故选A 。
【点悟】物体内能的大小和物体的温度、体积、质量和物态有关,不要把温度当作决定内能的唯一因素。
类型之二 识别改变内能的两种方式
如图13-1-1所示,在一个配有活塞的厚壁玻璃筒里放一小团硝化棉,用力把活塞迅速下压,棉花就会立即燃烧。根据该实验现象,下列结论正确的是( A
)
图13-1-1
A .该实验说明做功可以改变物体内能
B .活塞下压过程中,气体的内能减小
C .气体容易被压缩,是因为气体分子间距离较小
D .该实验说明热传递可以改变物体的内能
【解析】 活塞下压对气体做功,气体内能增加,温度升高,使硝化棉燃烧,故A 正确,B 、D 错误;气体容易被压缩,是因为气体分子间距离较大,分子间的作用力表现为引力,故C 错误,故选A 。
【点悟】 做功和热传递是改变内能的两种方式,内能是增加还是减少取决于做功和热传递的方向。不是所有形式的做功都能改变物体内能,如克服重力做功,改变了重力势能,但不能改变内能。
1.下列关于温度、热量和内能的说法中,正确的是( C )
A .物体温度升高,一定吸收了热量
B .物体放出热量时,温度一定降低
C .物体温度升高,内能一定增加
D .物体内能增加时,温度一定升高
【解析】 物体温度升高,不一定是吸热,也可能是对其做功。物体放热,温
度不一定降低,如晶体凝固过程。物体内能增加,不一定温度升高,如晶体熔化吸热,温度不变,但内能增加了。
2.[2014•揭阳]关于温度、热量和内能,下列说法正确的是( D )
A .物体的温度越高,所含热量越多
B .温度高的物体,内能一定大
C .0 ℃的冰块,内能一定为零
D .温度相同的两物体间不会发生热传递
3.炮弹里火药燃烧产生的高温高压气体炸开弹壳后温度降低,是用____的方法减少了气体的内能;食物放进冰箱后温度降低,是用__热传递__的方法减少了食物的内能。
1.如图13-1-2所示实验,试管口木塞冲出过程 ( D
)
图13-1-2
A .试管口出现的白雾是水蒸气
B .试管口出现白雾说明水蒸气内能增加
C .水蒸气对木塞做功,水蒸气的内能增加
D .水蒸气对木塞做功,水蒸气的内能减少
2.[2014·长沙]我国北方的冬季气温很低,到处都是冰天雪地,人们有时会将冰雪融化取水。把冰雪放在水壶里加热取水的过程中,下列说法正确的是
( D )
A .冰在0 ℃时,内能为零
B .这是通过做功的方式改变物体的内能
C .在加热过程中,壶内的温度一直在上升
D .水的温度越高,水分子运动越剧烈
3.[2014•龙岩]如图13-1-3所示,通过做功改变物体内能的是 ( D
)
图13-1-3
4.[2014·贵阳]2013年上海科技活动节推出了一处节能环保、可调节室温的江水源热泵技术。如图3-1-4所示是其夏天工作时的流程,当江水循环到冷凝器时,利用江水与冷凝器存在的温度差,通过__热传递__的方式带走室内热量,从而实现降温。
图13-1-4
5.[2014·衡阳]冬天手冷时,我们经常将两只手相互搓搓使手暖和,这是利用__做功__的方式使手的内能增加;也可以用“暖手宝”焐手,这是利用__热传递__的方式增加手的内能。
6.将肉片直接放入热油锅里爆炒,会将肉炒焦或炒糊,大大失去鲜味。厨师预
先将适量的淀粉拌入肉片中,再放到热油锅里爆炒,炒出的肉片既鲜嫩味美又营养丰富,对此现象说法不正确的是 ( C )
A .在炒肉片过程中,肉片的温度升高,内能增加
B .附着在肉片外的淀粉糊有效防止了肉片里水分的蒸发
C .在炒肉片过程中,肉片内能增加主要通过做功实现的
D .附近能闻到肉香体现了分子在不停地做无规则的运动
【解析】 在炒肉片过程中,肉片内能增加主要通过热传递来实现的。
7.爆米花是将玉米放入铁锅内,边加热边翻动一段时间后,“砰”的一声变成玉米花。下列说法正确的是 ( B )
A .玉米粒主要通过翻动铁锅对其做功,使其内能增加
B .玉米粒主要通过与铁锅间的热传递,使其内能增加
C .玉米粒内水分受热膨胀对粒壳做功爆开,内能不变
D .玉米粒内水分受热膨胀对粒壳做功爆开,内能增加
【解析】 玉米粒内水分受热膨胀对粒壳做功爆开,内能减少。
8.如图13-1-5是探究改变物体内能的实验:瓶子里装有一些水,用力打气,在瓶塞未跳起前,瓶内气体的内能将__增加__,原因是__压缩瓶内气体做功,内能增加__;继续打气,当瓶塞跳起时,观察到瓶内有白雾产生,说明瓶内气体对外做功时内能减小了。根据此现象,某同学认为:所有物体在对外做功时,它的内能都会减小。他的观点正确吗?请你从能量转化或转移的角度进行分析,并列举一实例。
图13-1-5
【答案】观点不正确。因为物体在对外做功时,不一定是自身的内能转化为其他形式的能。例如:河水对水轮机做功,是河水的机械能转移到水轮机上,河水的内能并没有减小。
科学探究:物质的比热容__
第1课时 比热容
比热容
探 究:物质吸收热量的多少与__物质的质量__、__物质温度升高的多少__、__有关,探究时要运用控制变量法。
定 义:单位质量的物质温度升高1 ℃所吸收的热量为该物质的比热容,符号是c 。比热容的单位是__J/(kg·℃)__。
注 意:比热容是物质的一种特性。物质的比热容是一定的,不随物体吸收或放出的热量多少、质量、升高或降低的温度而改变,但与物质状态有关。 应 用: 水的比热容较大,常用水来调节气温、取暖、做冷却剂、散热等。
类型之一 理解比热容
[2014•上海]关于比热容,下列说法中错误的是( D )
A .比热容可用来鉴别物质
B .水的比热容较大,可用作汽车发动机的冷却剂
C .沙的比热容较小,所以沙漠地区昼夜温差较大
D .一桶水的比热容比一杯水的比热容大
【解析】 比热容是物质的一种特性,不同物质比热容一般不同,比热容可用来鉴别物质,故A 正确;水的比热容较大,降温时放出的热量比较多,可用作汽车发动机的冷却剂,故B 正确;沙的比热容较小,吸收或放出相同的热量,温度变化大,所以沙漠地区昼夜温差较大,故C 正确;比热容是物质的一种特性,与质量没有关系,一桶水的比热容和一杯水的比热容相同,D 错误,故选D 。
类型之二 比热容的应用
[2014·内江]初春育水稻秧苗时,为了不使秧苗受冻,正确的做法是( B )
A .早晨多灌水,傍晚多排水
B .早晨多排水,傍晚多灌水
C .早晨和傍晚都要多灌水
D .早晨和傍晚都不要灌水
【解析】 初春培育水稻秧苗时,为了不使秧苗受冻,傍晚多灌水,当夜晚温度降低时,因为水的比热容大,水放出热量,水的温度降低的比较少,不至于使秧苗受冻。在早晨把稻田内的水排出,稻田接受太阳光的照射,泥土的比热容小,泥土吸收热量,温度升高快,有利于秧苗的生长。故选B 。
1.[2014•广州]如图13-2-1所示,两个相同规格的电加热器加热质量、初温都相同的不同液体。若液体吸收的热量等于电加热器放出的热量,加热时间相同且液体均未沸腾,则( A
)
图13-2-1
A .两杯液体吸收的热量相等
B .温度较高的液体比热容较大
C .温度较低的液体吸收的热量较多
D .温度较高的液体吸收的热量较多
【解析】 相同规格的电加热器相同时间内放出的加热量相等,液体未沸腾,液体吸收的热量相等,与液体变化的温度没有关系,故选项A 正确,选项C 、D 错误;根据Q 吸=cm Δt 可知,在质量、吸收热量相同的条件下,变化的温
度Δt 越大,比热容越小,故B 错误,故选 A 。
2.[2014•南京]下表是一些物质的比热容[J/(kg•℃)]:
根据表中数据,下列判断正确的是( C )
A .物质的比热容与物质的状态无关
B .100 g水的比热容是50 g水的比热容的两倍
C .质量相等的铝块和铜块吸收相同的热量,铜块温度变化较大
D .寒冬季节,放在室外盛有水的水缸会破裂,主要是因为水的比热容较大
3.[2014•徐州]把常温下装满水的玻璃杯与一个空玻璃杯同时放入冰箱冷藏室中.过一会儿,发现空玻璃杯比装满水的玻璃杯要冷得多,这种现象产生的主要原因是水的( C )
A .凝固点低 B .凝固点高
C .比热容大 D .比热容小
4.以下四种现象中,与水的比热容没有关系的是( C )
A .汽车的发动机用循环流动的水来冷却
B .内陆地区的气温变化比沿海地区大
C .夏天往室内洒水可使室内温度降低
D .生活中往往用热水取暖
1.两个相同的烧杯装有质量和初温都相同的水和食用油,用相同的电加热器分别给它们加热相同的时间,则下列说法中正确的是
A .水吸收的热量多 B .水上升的温度较高
D .它们上升的温度相同 ( C ) C .它们吸收的热量相同
【解析】 用相同的电加热器分别给它们加热相同的时间,水和食用油吸收的热量相同,故A 错误,C 正确;质量相同的水和食用油,因为水的比热容大于食用油的比热容,吸收相同的热量后,由Q 吸=cm Δt 可知,水的温度升
高的少,故B 、D 都错误。
2. 小明从下表提供的信息中,得出以下几个结论,其中错误的是
( B )
A. 汽车发动机用水来冷却效果比较好
B .液体的比热容都比固体大
C .同种物质在不同状态下比热容值不同 D .质量相等的铜和铅,升高相同的温度,铜吸收的热量多
3.冬天,我们常用热水袋取暖,这主要是因为水具有
A .较多的热量 B.较大的密度
C .较高的温度 D .较大的比热容
( D ) ( D ) 4.关于比热容,下列说法中,正确的是
A .物体的比热容跟物体吸收或放出的热量有关
B .物体的比热容跟物体的温度有关
C .物体的质量越大,它的比热容就越大 D .物体的比热容与物体吸、放热及温度和质量都没有关系
【解析】 比热容是物质特性之一,是反映物质吸、放热本领的物理量,它与物质质量、温度、吸收或放出的热量无关,但与物质状态有关。
5.[2014·遵义]遵义市正在加快水利设施建设,计划建成中桥水库,实施新桥、大沙河等五座水库下闸蓄水;加快麻沟、大沙坝等15座水库的建设;实施23项中小河流治理工程,使全市的水资源得到有效的利用和保护。修建水库蓄水不仅能使生活用水得到保障,还能起到调节气温的作用,这是由于水在蒸发时要__吸收__热量,且水的比热容较__大__的缘故。
【解析】 修建水库蓄水不仅能使生活用水得到保障,还能起到调节气温的作用,这是由于水的表面积变大,蒸发变快,由于蒸发是吸热的,故水在蒸发是吸取热量;同时根据Q =cm Δt ,由于水的比热容比沙石的大,在质量相同、吸收(或放出) 相同热量时,水的温度变化较小,所以修建水库蓄水不仅能使生活用水得到保障,还能起到调节气温的作用。
6.已知冰的比热容是c 冰=2.1×103 J/(kg·℃) ,用稳定的热源给冰均匀加热,下
列图像中,能正确描述冰熔化规律的是 ( C )
图13-2-2
【解析】 冰是晶体,熔化时温度保持不变,所以图像中有一部分水平线段,并且整个图像处于上升趋势。所以A 、D 项错误。B 、C 项的区别是冰熔化前后图像倾斜程度不一样,冰熔化成水后,水的比热容比冰大,升温慢,图像的后一部分倾斜程度小,所以C 项正确。
7.[2014·盐城]小明在学习“物质的比热容”时,取相同质量的水和沙子,用相同的酒精灯加热,测得它们升高的温度如下表,并在图13-2-3乙中作出沙子升高的温度随时间变化的图像。
图13-2-3
(1)用温度计测量水的初温如图甲所示,其读数为℃。
(2)实验中选用相同的酒精灯加热,可以认为相同时间内水和沙子__吸收的热量__相同。
(3)请利用表中数据在图乙中作出表示水升高的温度随时间变化规律的图线。
【答案】 水升高的温度随时间变化规律的图线如图:
第7题(3)答图
(4)沙子在1.0~1.5 min 内升高的温度有明显异常,其主要原因是__不均匀__。
(5)小明再用50 g水和100 g水做实验,以吸收的热量Q 为纵坐标,升高的温度Δt 为横坐标,分别画出50 g 水和100 g 水的Q -Δt 图像。它们都是过原点的直线,即Q =k Δt 。进一步分析,发现这两条直线的k 值与对应水的__质量__之比相等。
第2课时 热量的计算
热量的计算
公 式:Q =__cm Δt __。
说 明:c 为物质比热容,m 为物体的质量,Δt 为温度的变化量。 注 意:运用公式计算时,各物理量的单位要统一。
类型之一 热量的计算
[2014·邵阳]某热水器内装有100 kg的水,将这些水从20 ℃加热到70 ℃,水吸收的热量为[已知c 水=4.2×103 J/(kg•℃)]( B )
A .2.1×106 J B .2.1×107 J
C .8.4×106 J D .8.4×107 J
【解析】 知道水的质量、水的比热容、水的初温和末温,利用吸热公式Q 吸=cm Δt 求水吸收的热量。
Q 吸=cm Δt
=4.2×103 J/(kg•℃) ×100 kg×(70 ℃-20 ℃)
=2.1×107 J
故选B 。
类型之二 温度变化量的计算
[2014·绥化]用两个相同的“热得快”,分别给质量、初温都相同的甲、乙两种液体同时加热,两液体的温度随时间变化关系的图像如图13-2-4所示。根据图像可知,甲液体的比热容__小于__乙液体的比热容(填“大于”“小于”或“等于”) 。如果乙液体是水,那么质量为500 g,初温为20 ℃的乙液体吸收1.89×105 J的热量,乙液体的温度升高了℃(气压为1个标准大气压) 。
图13-2-4
【解析】 (1)由图像可以看出:在相等时间内,液体甲温度变化量大,则甲液体温度升高较快;而两个加热器相同、加热时间相等时,两种液体吸收的热量相等,由公式Q 吸=cm Δt 可知,在质量相等、初温相同、吸热也相同的情
况下,温度升高快的液体比热容小,所以甲的比热容小,乙的比热容大
(2) 根据Q 吸=cm (t -t 0) 得
Q 吸1.89×105 Jt =cm t 0=20℃=110 ℃>100 ℃, 4.2×10 J/(kg·℃)×0.5 kg
∴乙液体的温度升高到100 ℃,Δt =100 ℃-20℃=80 ℃。
一太阳能热水器装水80 kg,集热管每分钟吸收太阳能约为7×104 J,不计热量损失,水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃) 。则该热水器每小时能使水温升高多少摄氏度?
【答案】 每小时水吸收的热量
Q =7×104 J×60 min=4.2×106 J,
4.2×106 JQ Δt =cm =12.5 ℃。 4.2×10 J/(kg·℃)×80 kg
【点悟】 利用Q =cm Δt 进行计算时,要注意Δt 是温度的变化量,即两个温度的差值。
1.水的比热容是煤油的比热容的两倍,若水和煤油的质量之比为1∶2,吸收的热量之比为2∶3,则水和煤油升高的温度之比为( C )
A .3∶2 B .2∶3
C .4∶3 D .3∶4
2.海滨城市气候宜人,昼夜温差小,这是由于海水的比热容比沙石的比热容__填“大”或“小”) 的缘故。近几年来,某市区增加了大量绿地,绿地
中的人工湖具有“吸热”功能,某人工湖的湖水质量约为2×107 kg,当水温升高2 ℃时,则湖水吸收的热量为__1.68×1011__J。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)]
3.某人锯木头每分钟锯21次,每次拉动0.4 m,平均用力150 N。则每分钟这个人做功__1__260__J,这些热量可使100 g的水温升高__3__℃。
Q 1. [2014•巴中]由Q =cm (t -t 0) 得c ,关于同一种物质的比热容,下m (t -t 0)
列说法正确的是 ( C )
A .若质量增大一倍,则比热容减小一半
B .若质量增大一倍,则比热容增大一倍
C .比热容与物体质量多少、温度变化大小、吸热或放热的多少都无关
D .若吸收的热量增大一倍,比热容增大一倍
【解析】 比热容是物质本身的一种特性,在状态和物质种类一定时,比热容大小与物体吸放热、温度变化大小、质量多少都没有关系,故A 、B 、D 不正确,故选C 。
2.用两个相同的电热器分别给质量相同的水和某种液体加热,每隔1 min 记录一次数据,如下表所示,则该液体的比热容为
A.0.9×103 J/(kg·℃)
C .3.6×103 J/(kg·℃) ( B )
B .1.8×103 J/(kg·℃) D. 1.2×103 J/(kg·℃)
【解析】 取两种液体都加热了1分钟为研究对象,用相同的电热器加热,在相同的时间内,吸收的热量是相等的,Q 水=Q 液,∵Q 水=c 水m (t 水-t 0) ,Q 液=c 液m (t 液-t 0)
∴c 水m (t 水-t 0) =c 液m (t 液-t 0) ,
即4.2×103 J/(kg·℃) ×m ×(26 ℃-20 ℃) =c 液m ×(34 ℃-20 ℃) ,
解得c 液=1.8×103 J/(kg·℃) 。
3.[2014·郴州]冬天,同学们喜欢用热水袋取暖,这是通过__热传递__的方式使手的内能增加;若热水袋中装有1 kg的水,当袋内的水温从60 ℃降低到40 ℃时,其中水放出的热量是__8.4×104____J。[已知水的比热容c
J(kg•℃)]。
【解析】 (1)热水袋取暖,是利用热传递的方式增加手的内能的;
(2)Q 放=cm (t -t 0)
=4.2×103 J/(kg·℃) ×1 kg×(60℃-40℃)
=8.4×104 J。
4.小明探究“不同物质的吸热能力”时,在两支相同的试管中分别装入质量相等、温度相同的水和煤油,用一个酒精灯同时对两支试管加热,加热一段时间后,温度计示数如图13-2-5所示。
水=4.2×103
图13-2-5
(1)指出图中使用酒精灯的错误:__。
(2)水和煤油比较,__吸热能力强。
(3)加热一段时间后,煤油的温度升高了4 ℃,则水的温度升高了℃。[c 水=4.2×103 J/(kg·℃) ,c 煤油=2.1×103 J/(kg·℃
)]
5.一根烧红的铁钉,温度是500 ℃,质量是1.5 g,它的温度降低到20 ℃,要放出多少热量?[c 铁=0.46×103 J/(kg·℃)]
【答案】 Q 放=cm Δt =0.46×103 J/(kg·℃) ×1.5×10-3 kg ×(500 ℃-20 ℃)
=331.2 J。
6.泰安中科环保电力有限公司是一家焚烧生活垃圾的发电厂,它每年通过焚烧垃圾可生产出1.2亿千瓦时的电能。假若燃烧1 t 生活垃圾可以放出
1.176×1010 J 的热量,则这些热量可以在1个标准大气压下将多少千克的水由20 ℃加热到沸腾?[c 水=4.2×103 J/(kg·℃)]
解:根据公式Q 吸=cm Δt ,得
Q 吸1.176×1010 Jm ==3.5×104 kg。
c Δt 4.2×10J/(kg·℃)×(100 ℃-20 ℃)
7.小光同学学习做饭的过程中,经常加热油和水,他猜想:①油的沸点比水高;②油的比热容比水小。
(1)能够支持他的猜想①的事实是。
A .同样情况下,油升温比水快
B .油能把食物炸黄,而水不能
C .油能漂在水面上
D .油比水难蒸发
(2)为了验证猜想②,小光向两个同样的烧杯里分别倒入相同的水和油,并测量它们的初始温度,两温度计的示数相同,如图13-2-6所示,它们的初始温度为 __20__℃。
(3)在同样条件下加热相同时间后,水的温度达到25 ℃,油的温度达到30℃,由此可得油的比热容为__2.1×103__J/(kg·℃) 。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃
)] 图13-2-6
内燃机__
1.热机
定 义:把燃料燃烧时释放的内能转变为机械能的装置,这种装置被称为热机。
2.内燃机
定 义:燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机,叫做__内燃机__。 分 类:汽油机和柴油机是常见的两种内燃机。
汽油机:以汽油为燃料的内燃机,称为__汽油机__。
柴油机:以柴油为燃料的内燃机,称为__柴油机__。
不同点:柴油机与汽油机在结构上的主要不同是气缸顶部的火花塞换成了__喷油嘴__。汽油机点火方式是点燃式,柴油机是压燃式。
相同点:一个工作循环经历四个冲程,活塞往复运动两次,对外做功一次。
类型之一 了解内燃机工作过程
[2014·通辽]如图13-3-1是内燃机的某冲程工作示意图,以下取暖方式与此原理相同的是( D
)
图13-3-1
A .烤火取暖
B .用热水袋取暖
C .向手“哈气”取暖
D .搓手取暖
【解析】 根据图示可知,两个气门都关闭,活塞上行,因此该冲程为压缩冲程,将机械能转化为内能,是通过做功改变物体的内能;烤火取暖是利用热
传递改变内能的;用热水袋取暖是利用热传递改变内能的;向手“呵气”取暖是利用热传递改变内能的;搓手取暖是利用做功改变内能的,故选D 。 类型之二 内燃机做功的计算
某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为30 cm2,一个冲程活塞在气缸中移动的距离是50 mm,满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为9.0×105 Pa,飞轮1 min转动1 800周,当汽油机满负荷工作时(不计摩擦) ,求:
(1)做功冲程中燃气对活塞的平均压力;
(2)一个做功冲程中燃气对活塞做的功;
(3)汽油机的功率。
【答案】由题意知,飞轮每分钟转1 800圈,完成900个工作循环,对外做功900次。
(1)燃气对活塞的平均压力F =pS =9.0×105 Pa×30×10-4 m2=2.7×103 N;
(2)燃气对活塞做的功W =Fs =2.7×103 N×50×10-3 m=135 J;
1 800(3)1分钟内燃气对活塞做功的次数n =2=900(次) ,
W 总135 J×900汽油机的功率P t =2 025 W。 60 s
【点悟】解答本题关键是了解内燃机的工作过程,即飞轮转2圈完成1个工作循环,对外做功1次。
1.在下图中,表示内燃机工作时各冲程的示意图,它们正确的排列顺序为( D
)
图13-3-2
A .甲、乙、丙、丁 B .丁、丙、乙、甲
C .甲、丙、乙、丁 D .甲、丁、乙、丙
2.柴油机在压缩冲程中,气缸内物质的压强、温度、内能的变化情况是( D )
A .压强不变,温度升高,内能增大
B .压强减小,温度不变,内能不变
C .压强增大,温度减小,内能减小
D .压强增大,温度升高,内能增大
3.根据汽油机和柴油机的区别,下列说法正确的是( A )
A .汽油机气缸顶部有一个火花塞,柴油机气缸顶部是一个喷油嘴
B .汽油机吸入的是空气,柴油机吸入的是空气和柴油的混合物
C .吸气冲程是内能转化为机械能
D .压缩冲程是内能转化为机械能
4.汽车已经成为现代生活中不可缺少的一部分。大多数汽车里的发动机是以汽油为燃料的内燃机。使汽车获得动力的是__做功__冲程;排出废气的是__排气__冲程。
1.[2014•遂宁]下列有关热机的说法中不正确的是 ( C )
A .热机工作的过程是将燃料燃烧获得的内能转化成机械能的过程
B .为了防止热机过热,通常用水来降温,是利用水的比热容大的特性
C .可以采用增大热机功率的方法来增大热机的效率
D .热机的大量使用会造成环境污染
【解析】 热机工作的过程是将燃料燃烧获得的内能转化成机械能的过程,A 正确,不符合题意;为了防止热机过热,通常用水来降温,是利用水的比热容大的特性,B 正确,不符合题意;用来做有用功的能量和燃料完全燃烧放出的热量的比值叫热机效率,增大热机功率不能增大热机的效率,C 错误,符合题意;热机的使用,使人类对化石能源的依赖很强,现在大气污染的主要途径就是利用化石能源,D 正确,不符合题意,故选C 。
2.[2014•潍坊]汽车已经成为现代生活中不可缺少的一部分,现代汽车多数采用汽油机作为发动机,如图13-3-3是四冲程汽油机的工作循环示意图,下列说法中正确的是 ( A )
图13-3-3
A .甲冲程是把机械能转化为内能
B .乙冲程是把内能转化为机械能
C .丙冲程是把机械能转化为内能
D .丁冲程是把内能转化为机械能
【解析】 热机的四个冲程分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。甲图:气门都关闭,活塞向上运行,气缸容积减小,是压缩冲程,将机械能转化为了内能,故A 正确;乙图:排气门打开,活塞向上运动,气缸容积减小,是排气冲程,没有能量转化的过程,故B 错误;丙图:气门都关闭,活塞向下运行,气缸容积增大,是做功冲程,将内能转化为了机械能,故C 错误;丁图:进气门打开,活塞向下运行,气缸容积增大,是吸气冲程,没有能量转化的过程,故D 错误,故选A 。
3.柴油机上安装了一个笨重的飞轮,是为了
A .降低噪声
B .节省燃料
C .可以做更多的功
D .利用飞轮惯性完成吸气、压缩和排气三个辅助冲程
4.[2014•安顺]一台柴油机飞轮的转速为2 400 r/min,则在1 s 内,柴油机完成个冲程;对外做功的次数是。
【解析】 在四冲程内燃机的一个工作循环中,完成4个冲程,并对外做功1次,曲轴和飞轮转2圈。一台柴油机飞轮的转速为2 400 r/min,则该柴油机每秒钟转40圈,完成20个工作循环,柴油机完成80个冲程,对外做20次功。 ( D )
5.柴油机和汽油机在构造上的主要区别是柴油机的气缸顶部没有__而有__喷油嘴__,在吸气冲程里,汽油机吸入气缸的是__汽油和空气的混合气体__,而柴油机吸入气缸的是__空气__。
6.转速为1 800 r/min的四冲程内燃机,每秒钟经过个冲程,做功次,若该内燃机功率是9 000 W,则一次做功为__600__J。
7.如图13-3-4所示在试管内装些水,用软木塞塞住,加热使水沸腾,水蒸气会把木塞冲开,有的同学由这个装置联想到内燃机,请你用连线反映他的联想创新的思维过程。
图13-3-4
酒精燃烧 坚固气缸
高温高压水蒸气 活塞运动做功
玻璃管 油料燃烧
木塞冲出 高温高压燃气
【答案】
8.(多选) 四冲程汽油机做功冲程中,汽油燃烧产生高温高压的气体推动活塞向下运动。在活塞向下运动的过程中,气缸内气体的
A .内能减少
C .密度增大 B .温度降低 D .分子热运动加快 ( AB )
【解析】 做功冲程,内能转化为机械能,内能减少,温度降低,分子热运动减慢,同时气体膨胀,体积变大,密度减小。
9.一台单缸四冲程柴油机,它的转数是800 r/min,做功冲程时推动活塞一次做
功1 500 J,那么这台柴油机的功率是
A .10 kW B .15 kW
( A ) C .20 kW D .
120 kW
10.小临同学通过观察发现,汽车的排气管位于汽车的底盘下面;他通过查阅有关资料还了解到,汽车发动机内的燃料燃烧时产生的内能除了一部分转化为机械能之外,还有相当一部分直接从排气管中由烟气带走了。如果这部分能量能利用起来该有多好啊!小明想到了一个办法:如图12-3-5所示。将原来直的排气管中部制成螺旋形,让这段螺旋管通过水箱中的水,这样,司机劳累一天后,就可以享用这些热水了,真是一举两得!
图12-3-5
(1)小明的设计中,通过水箱中的那段排气管制成螺旋状的好处是__面积__。
(2)排气管中烟气的内能以__的方式转移到水箱中的水中,从排气管管口排出的烟气温度对比改进前要__低__(填“高”或“低”) 。
热机效率和环境保护__
第1课时 热值
燃料的热值
定 义:不同燃料燃烧释放能量的能力是不同的,__某种燃料完全燃烧放出的热量与所用该燃料的质量之比__,叫做这种燃料的热值。热值用q 表示,单位是J/kg。气体燃料的热值单位通常用J/m3。
说 明:热值是用来表示燃料燃烧释放能量的能力大小的物理量,同种燃料的热值是相同的,与燃料质量无关。
公 式:__Q =mq __。
类型之一 理解热值
[2014·厦门]“可燃冰”作为新型能源,有巨大的开发潜力。同等条件下,“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍,这表示“可燃冰”的( C )
A .热量很大 B .温度很高
C .热值很大 D .比热容很大
【解析】 同等条件下,“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍,说明“可燃冰”的热值大于煤气的热值,即“可燃冰”的热值很大,故选C 。 类型之二 理解热效率
[2014·昆明]已知天然气的热值为4.0×107 J/m3,完全燃烧2.1 m3的天然气可以获得__8.4×107__J的热量。不计热量损失,这些热量可以使500 kg的水,温度升高℃。[c 水=4.2×103 J/(kg•℃)]
【解析】 (1)完全燃烧2.1 m3的天然气放出的热量Q 放=Vq =2.1 m3×4.0×107
J/m3=8.4×107 J;
(2)不计热量损失,Q 吸=Q 放=8.4×107 J,
∵Q 吸=cm Δt ,
∴水升高的温度
Q 吸8.4×107 JΔt =cm =40 ℃。
4.2×10 J/(kg·℃)×500 kg
每到夏收季节,大量农作物秸秆在田间被随意焚烧,这不仅造成资源浪费、环境污染,而且极易引发火灾等。为解决这一问题,现已研制出利用秸秆生产的节能环保型燃料——秆浆煤。若燃烧秆浆煤(热值为2.4×107 J/kg),使50 kg、20 ℃的水温度升高到80 ℃。求:
(1)水需要吸收的热量;
(2)如果秆浆煤燃烧释放的热量有30%被水吸收,需要完全燃烧多少千克秆浆煤?
【答案】 (1)Q
1.26×107 J;
Q 吸1.26×107 J(2)m ==1.75 kg。 q ×30%2.4×10 J/kg×0.3
【点悟】利用Q =cm Δt 进行计算时,要注意Δt 是温度的变化量,即两个温度的差值,不是温度值,也不是时间。利用燃料的加热器的热效率是Q 吸与Q 放吸=cm Δt =4.2×103 J/(kg·℃) ×50 kg ×(80 ℃-20 ℃) =的比值,它总是小于1,因为加热时,热量的损失不可避免,Q 吸比Q 放小。
1.四口之家分别单独使用不同种类的燃料时的平均月消耗量分别为:木柴约200 kg,烟煤约80 kg,液化石油气约30 kg,煤气约60 kg。这四种燃料中热值最高的是( A )
A .液化石油气 B .煤气
C .烟煤 D .木柴
2.[2014•漳州]现代火箭用液态氢作燃料,是因为液态氢具有( A )
A .较大的热值 B .较高的凝固点
C .较低的沸点 D .较大的比热容
【解析】 运载火箭采用液态氢作为火箭的燃料,原因是液态氢具有较高的热值,完全燃烧相同质量的液态氢和其他燃料相比,液态氢可以释放出更多的热量,故选A 。
3.干木柴的热值是1.2×107 J/kg,它的物理意义是放出1.2×107__。要放出3.6 × 107 J的热量,需要完全燃烧的干木柴。
4.焚烧生活垃圾放出的热量用来发电,是综合利用垃圾的一种方法,据资料显示,仅2014年全国城市生活垃圾就达 1.5×108 t 。若焚烧1 t 垃圾可放出
1.5×1010 J的热量,如果将 2014年我国的城市生活垃圾全部焚烧,则放出的热量是__2.25×1018,它相当于10煤炭完全燃烧放出的热量(煤炭的热值为3.0×107 J/kg)。
1.一箱汽油用掉一半后,剩下的一半汽油与原来一箱汽油相比较 ( A )
A .质量变为原来的一半
B .比热容变为原来的一半
C .热值变为原来的一半
D .密度变为原来的一半
【解析】 比热容、热值、密度都是物质的特性,不随物质的多少而改变。
2.天然气是一种清洁能源,国家“西气东输”重点工程已建成并投入使用,这对保护环境和解决内地省区能源问题都有重大意义。天然气的热值约为
8.7×107 J/m3。从新疆油田向上海每输送100 m3的天然气,相当于输送了__8.7×109能量。
3.[2014·辽阳]行驶中的汽车在紧急刹车时,刹车片会发烫,这是通过__的方式增加物体内能的。若汽车行驶过程中消耗汽油2 kg,则这些汽油完全燃烧能放出__9.2×107的热量。(汽油热值4.6×107 J/kg)
【解析】 刹车片发热,是刹车片克服摩擦做功,使刹车片的内能增加、温度升高,是通过做功途径改变物体内能;2 kg 汽油完全燃烧产生的热量为Q =mq =2 kg×4.6×107 J/kg=9.2×107 J。
4.[2014·南充]小明将1 kg温度为10 ℃的水加热到90 ℃时,需要吸收5__J的热量,这相当于完全燃烧3的天然气放出的热量。[c 水放=4.2×103 J/(kg•℃) ,天然气的热值为8×107 J/m3]
【解析】 (1)水吸收的热量Q 吸=cm (t -t 0) =4.2×103 J/(kg•℃) ×1 kg×(90 ℃-10 ℃) =3.36×105 J;
(2)天然气放出的热量Q 放=Q 吸=3.36×105 J,
∵Q =Vq ,
Q 放3.36×105 J3∴燃烧天然气的体积V =q =0.004 2 m。 8×10 J/m5.某小区把煤气改为天然气使用,很多人都表示赞同。唯独院里的王大妈表示反对,她认为煤气1 m3一元钱,而天然气1 m3要接近两元钱,通上天然气后家里每月燃料支出的费用不是要增加1倍吗?她疑惑这是在变相涨价,你能帮王大妈解除困惑吗?
【答案】 王大妈只注意到煤气与天然气价格上的区别,并不知道煤气与天然气的热值问题。相同体积的煤气与天然气,天然气提供的热量要大得多,而且天然气是一种洁净、经济能源,符合国家环保政策。
6.[2014·鞍山]某家庭需要将50 kg 、10 ℃的水加热到50 ℃做为生活用水,他们利用煤气灶烧热水时,需要燃烧0.8 kg的煤气。已知煤气的热值q =4.2×107 J/kg,水的比热容为c =4.2×103 J/(kg•℃) 。求:
(1)把50 kg、10 ℃的水加热到50 ℃需吸收的热量;
(2)0.8 kg的煤气完全燃烧时放出的热量;
(3)煤气灶烧水的效率。
【答案】 (1)水吸收的热量
Q 吸=cm Δt
=4.2×103 J/(kg•℃) ×50 kg×(50 ℃-10 ℃)
=8.4×106 J;
(2)0.8 kg煤气完全燃烧放出的热量
Q 放=mq =0.8 kg×4.2×107 J/kg=3.36×107 J;
(3)燃气灶烧水的效率
Q 吸8.4×106 Jη=100%=100%=25%。 Q 放3.36×10 J
7.一铝壶中装有3 kg的水,放在煤气灶上加热,将水从20 ℃加热至沸腾(在1个标准大气压下) ,煤气灶共燃烧了48 g煤气。
(1)铝壶中的水吸收了多少热量?[水的比热容c =4.2×103 J/(kg·℃)]
(2)完全燃烧48 g煤气可以放出多少热量?(煤气的热值q =4.2×107 J/kg)
(3)如果认为铝壶中的水吸收了煤气灶放出的全部热量,则该煤气灶的效率是多少?
(4)实际加热过程中,铝壶也会吸热并向外界散热,那么该煤气灶的实际效率比你在(3)中求到的效率是高还是低?为什么?
【答案】(1)水吸收的热量
Q 吸=cm (t -t 0) =4.2×103 J/(kg·℃) ×3 kg×(100 ℃-20 ℃) =1.008×106 J;
(2)48 g煤气完全燃烧放出的热量
Q 放=m ′q =0.048 kg×4.2×107 J/kg=2.016×106 J;
(3)煤气灶的效率
Q 吸1.008×106 Jη=100%=100%=50%; Q 放 2.016×10 J
(4)高。因为有效热量中,除水吸收用于升温的热量外,还应加上铝壶吸收的热量、铝壶向外界散失的热量,而总能量不变,所以煤气灶实际效率应高于
(3) 中的结果。
第2课时 热机效率
1. 热机的能流图
图13-4-1
2. 热机效率
定 义:热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧释放的能量的比值称为
W Fs Pt __,即η=Q qm qm
注 意:热机效率总是小于1。柴油机效率略高于汽油机。
类型之一 影响热机效率的因素
热机的效率较低,为了提高热机的效率,你认为下列方法目前不可能实现的是( D )
A .尽量使燃料充分燃烧
B .尽量减少各种热损失
C .尽量减少因克服摩擦力而额外消耗的能量
D .想办法把燃料放出的热量全部用来做有用功
【解析】 在现有条件下,热机工作过程中燃料不可能完全燃烧,机械摩擦和散热要消耗能量、废气带走较大部分能量。所以燃料燃烧释放出的热量不可能全部做有用功。故选D 。
【点悟】热机用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比,叫热机的效率。提高热机效率的方法有:使燃料尽可能充分燃烧;减少运动部件摩擦发热的损失;减少废气带走的热量。
类型之二 热机效率的计算
[2014•江西]莲莲家的汽车尾部上标有“2.0T”的字样,其中“T”就是“涡轮
增压”,是利用高温、高压的废气去冲击“废气涡轮”高速旋转,来带动同轴的“进气涡轮”也高速旋转,从而增加吸气冲程的进气量并增大进气气压,使汽油燃烧更充分,燃气压强更大,同时也减少了废气中的有害物质,达到提高发动机效率和减少废气污染的目的。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,1 kW·h =3.6×106 J]求:
(1)0.2 kg的汽油完全燃烧时放出的热量为多少?
(2)该汽车发动机的效率最高可达多少?(结果保留整数)
【答案】 (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
3.6×106 JW η=100%=100%≈39%。
Q 放9.2×10 J
1.下列关于热机和环境保护的说法中,正确的是( A )
A .热机的大量使用会造成环境污染
B .所有的热机都是用汽油作燃料
C .汽车排出的尾气都是有毒气体
D .热机所产生的噪声,可以被热机上的消声器完全消除
2. 轮船、火车、拖拉机、摩托车等的动力大都来源于内燃机,它们虽然在构造上略有差异,但工作原理都是一样的。下面对内燃机的有关叙述中,错误的是( A )
A .内燃机是机械能转化为内能的装置
B .内燃机用水来冷却,是因为水的比热容大
C .内燃机靠燃烧产生的高温、高压燃气做功
D .内燃机的废气带走了大量的能量,设法利用废气的能量是提高利用率的重
要措施
3.在热机的各种热损失中,不仅__尾气__带走的能量最多,而且它也给环境带来了污染;汽车尾部的浓烟是由于燃料在气缸内部__不完全__ 燃烧造成的。
1.关于“热机”,下列说法中,错误的是 ( A )
A .通过技术改进,可以使热机的效率达到100%
B .减少城市热岛效应的措施之一就是倡导“绿色出行”
C .用水而不用其他循环物质降低热机的温度,主要是利用水的比热容大的特 性
D .严寒的冬天,有人晚上把热机水箱中的水放出,是防止气温降低时,水凝 固而胀坏水箱
【解析】 使用热机不可避免地要克服机器部件摩擦做额外功,效率不可能达到100%,所以A 是错误的;“绿色出行”可以减少热机工作时的二氧化碳和热量的排放,是减少城市热岛效应的措施之一,所以B 是正确的;水的比热容比较大,升高相同的温度需要吸收更多的热量,所以利用水来降低热机的温度,所以C 是正确的;水凝固时体积变大,可能会胀坏水箱,所以冬天要把水箱中的水放出,所以D 是正确的。
2.如图13-4-2所示为内燃机的能流图,则内燃机的效率可表示为 ( B
)
图13-4-2
E 1+E 2+E 3+E 4×100% E
E B .η=E 100%
E 1+E 3+E 4C .η=100% E
E 1D .η=E ×100% A .η=
3.内燃机工作时,燃料的能量转化为:有用的机械能、废气的内能、机械损失和散热损失。某汽油机的能量损失所占的百分率是:废气内能35%,散热损失30%,机械损失10%,则该汽油机的热机效率是__25%__。
4.[2014•黔东南州]如图13-4-3所示为汽油机工作过程中某一冲程的示意图,此图是__压缩__冲程。有一种单缸汽油机在原有四冲程的基础上增加两个冲程,成为六冲程汽油机,也就是在原有四冲程汽油机完成排气冲程后向气缸内喷水,水在气缸内汽化成水蒸气,水蒸气膨胀对外做功,这种汽油机一个工作循环有六个冲程,做功__2__次,这种汽油机这样设计的目的是__提高热机的效率(节约能源)__。
图13-4-3
【解析】 图中的气门都关闭,活塞向上运行,气缸容积减小,是压缩冲程;比原有的四冲程汽油机多做一次功,因此六冲程中共做功两次,因为是利用排气冲程后的余热,所以大大的提高了热机的效率,节约了能源。
5.某柴油机燃烧2.4 kg 柴油时,对外做的有用功为2.8 ×107 J,该柴油机的效率为。柴油机吸气冲程吸入的物质是__空气__。(柴油的热值为3.3 ×107
J/kg)
6.热机效率的高低,决定于 ( C )
A .热机功率的大小,功率越大热机效率越高
B .热机的燃料的热值,燃料热值大的放出热量多,效率就高
C .热机对燃料的利用率,利用率高的热量损失少,效率就高
D .热机做功本领,做功本领大的效率就一定高
7.有经验的柴油机维修师,不用任何仪器,只是靠近柴油机排气管口观察和闻一下,并将手伸到排气管口附近感觉一下尾气的温度,就能初步判断这台柴油机的节能效果。在同样负荷的情况下,关于柴油机的节能效果,下列判断中,正确的是 ( B )
A .尾气的温度越高,柴油机越节能
B .尾气的温度越低,柴油机越节能
C .尾气的柴油味越浓,柴油机越节能
D .尾气的颜色越发黑,柴油机越节能
【解析】 尾气的温度高,内能利用率低,不节能;尾气的柴油味浓,尾气的颜色发黑,说明燃料没有充分燃烧,不节能。
8.重4 100 N的汽车在水平路面匀速运动,所受阻力为920 N,汽车牵引力功率为9.2 kW ,其汽油发动机效率为20%(汽油热值是4.6×107 J/kg)。在汽车运动100 s内,求:
(1)发动机对汽车的牵引力多大?
(2)牵引力做了多少功?
(3)汽车通过的距离多长?
(4)发动机消耗汽油的质量是多少?
【答案】 (1)920 N (2)920 000 J (3)1 000 m (4)0.1 kg
能量的利用效率__
一、燃料的热值与加热效率
1.[2014•兰州]水壶里装有2 kg、20 ℃的水,用天然气炉具将其加热至沸腾,已知天然气的热值为8×107 J/m3,大气压强为1个标准大气压,c 水=4.2×103 J/(kg•℃) ,求:
(1)烧开这壶水,水需要吸收多少热量?
(2)若烧开这壶水消耗的天然气是0.021 m3,则天然气炉具的效率是多少?
【答案】 (1)水吸收的热量Q 吸=cm Δt =4.2×103 J/(kg•℃) ×2 kg×(100 ℃-
20 ℃) =6.72×105 J;
(2)天然气完全燃烧释放热量Q 放=qV =8×107 J/m3×0.021 m3=1.68×106 J,
Q 吸6.72×105 J天然气炉具的效率是η=×100%×100%=40%。 Q 放1.68×10 J
2.[2014·聊城]煤、石油、天然气的过量开采使人类面临能源危机。某县在冬季利用地热能为用户取暖,县内有一口自喷状态地热井,出水温度为90 ℃,出水流量为150 m3/h。
(1)求每小时流出的地热水温度降低到50 ℃所放出的热量。
(2)这些热量如果用天然气蒸汽锅炉供热,且天然气蒸汽锅炉的热效率为90%,则利用上述地热能供暖一小时可以节约多少天然气。
(ρ水=1.0×103 kg/m3,c 水=4.2×103 J/(kg•℃) ,天然气的热值为4×107 J/m3)
m 【答案】 (1)已知出水流量为150 m3/h,由ρ=V
m =ρV=1.0×103 kg/m3×150 m3=1.5×105 kg,
水放出的热量Q 水放=cm Δt =4.2×103 J/(kg•℃) ×1.5×105 kg×(90 ℃-50 ℃)
=2.52×1010 J。
(2)这些热量如果用天然气蒸汽锅炉供热,则
Q 有用=Q 水放=2.52×1010 J,
天然气需要放出的热量
2.52×1010 J10Q 放==2.8×10 J, 90%ηQ 有用
由Q 放=Vq 得,天然气的体积
Q 放2.8×1010 J3V =q 700 m。 4.0×10 J/m3.[2014·威海]我国自主研制的某型新一代战斗机,它具备超音速巡航、电磁隐身、超机动性、超视距攻击等优异性能,该飞机最大起飞质量为37 t,最大飞行高度达20 000 m,最大航行速度达2.5倍声速(合3 060 km/h),最大载油量为10 t,飞机航行时所受阻力的大小与速度的关系见下表:
已知飞机发动机燃油完全燃烧的能量转化为机械能的效率是40%,飞机使用的航空燃油的热值为5×107 J/kg。求:
(1)飞机发动机完全燃烧10 t燃油获得的能量是多少焦?
(2)当飞机以400 m/s的速度巡航时,飞机发动机的输出功率是多少千瓦?
(3)若在飞机油箱中加满燃油,并且以500 m/s的速度巡航时,飞机的最大航程约是多少千米?
【答案】 (1)燃油完全燃烧放出的热量
Q =mq =1×104 kg×5×107 J/kg=5×1011 J;
(2)由表中数据可知,飞机以400 m/s的速度巡航时,所受阻力为4.8×104 N,则飞机发动机的输出功率
W Fs P =t t F v =4.8×104 N×400 m/s=1.92×107 W=1.92×104 kW;
(3)由(1)可知Q =5×1011J ;已知飞机发动机燃油完全燃烧的能量转化为机械能的效率是40%,则有用功
W =40%×Q =40%×5×1011J =2×1011 J,
W 根据表格查出500 m/s时的阻力为7.5×10 N,则由W =fs =Fs ,可得s =f =4
2×1011 J632.7×10 m=2.7×10 km。 7.5×10 N
4.[2014·常州]阿根廷科学家设计了一款“牛屁收集器”,在牛背上装有一个塑料袋,通过导管收集牛体内排出的气体。从一头成年牛平均每天排放出的气体中可提取0.21 kg甲烷。若这些甲烷完全燃烧放出的热量全部被水吸收,
可使多少质量的水从20 ℃升高到70 ℃?[q 甲烷=5.6×107 J/kg,c 水=4.2×103 J/(kg•℃
)]
图1
【答案】 甲烷完全燃烧放出的热量
Q 放=m 1q =0.21 kg×5.6×107 J/kg=1.176×107 J,
由题知,Q 吸=Q 放=1.176×107 J,
∵Q 吸=cm (t -t 0) ,
Q 放1.176×107 J∴m =56 kg。 c (t -t 0)4.2×10 J/(kg·℃)×(70 ℃-20 ℃)
二、热机效率
1.全球汽车保有量在迅速增长,截至2014年,全球处于使用状态的汽车数量已突破10亿辆。每辆汽车每年平均耗油1.8 t,汽车内燃机的效率平均值取30%,如果能把内燃机效率提高1%,全球每年可以节约多少燃油?
【答案】 设全球每年可以节约燃油m ,汽油热值为q 则有
10×108×1.8×103 kg×30%×q =(10×108×1.8×103 kg-m ) ×31%×q , 解得m ≈5.8×1010 kg=5.8×107 t。
2.已知某型号汽车的额定功率P =40 kW 。假设汽车在水平路面上以额定功率匀速行驶时间t 1=15 min,速度大小v 1=72 km/h,消耗汽油的质量m =2 kg,求该汽车受到阻力大小和汽车发动机的效率。(q 汽油=4.5×107 J/kg)
W 【答案】 由P t 得,牵引力做的功为
W =Pt =40×103 W×15×60 s=3.6×107 J,
W Fs 由P t =t =F v 得,汽车牵引力为
3P 40×10 WF =v =2 000 N, 172×3.6 m/s
机车受到的阻力为f =F =2 000 N;
汽油完全燃烧释放的能量
Q =mq =2 kg×4.5×107 J/kg=9×107 J,
汽车发动机的效率
3.6×107 JW η=Q 100%=×100%=40%。 9×10 J
3.如图所示是某村抽水抗旱的示意图,水泵的流量为180 m3/h(每小时流出管口的水的体积) ,抽水高度H 为12 m。(g 取
10 N/kg)
图3
(1)该机械装置所做有用功的功率为多少?
(2)带动水泵的动力装置为柴油机,每小时燃烧的柴油为1.25 L ,则整个机械装置的效率为多少?(柴油的热值q =4.0×107 J/kg,密度为0.8×103 kg/m3)
【答案】 (1)1小时机械装置所做有用功
W 1=GH
=ρ水VgH
=1×103 kg/m3×180 m3×10 N/kg×12 m
=2.16×107 J,
W 12.16×10 J有用功率P 有=t 3 600 s6 000 W;
(2)1.25 L柴油完全燃烧产生的热量
Q =qm =q ρ柴油V
=4.0×107 J/kg×0.8×103 kg/m3×1.25×10-3m 3
=4×107 J,
整个机械装置的效率为 7
W 2.16×10 Jη=Q 100%=54%。 4×10 J7
类型之一 内能
1.[2014·佛山]下列关于热学知识的说法,正确的是( C )
A .冰在熔化过程中吸收热量,温度不变,内能不变
B .水的温度越高,所含的热量越多
C .扩散现象说明了分子在不停地做无规则运动
D. 固体不容易被压缩,是因为分子间只有斥力
2.[2014·日照]下列现象中,通过做功改变物体内能的是( B )
A .将烧红的铁块投放到冷水中,水温升高
B .古人钻木取火过程中,木头的温度升高
C .夏天,柏油路被阳光晒热
D .用电热壶烧水,水温升高
3.[2014•黑龙江]下列有关温度或内能的说法中,正确的是( D )
A .物体的温度越高,所含的热量越多
B .物体内能增大,一定是从外界吸收热量
C .汽油机在做功冲程中把机械能转化为内能
D .电热水器工作时把电能转化为内能
4.[2014·南京]如图13-1所示是演示点火爆炸的实验装置,按动电火花发生器的按钮,点燃盒内酒精,盒盖被打出去。这是因为酒精燃烧产生的燃气对外__做功__,燃气的__内__能转化为盒盖的__机械__能,这与四冲程汽油机的__做功__冲程的能量转化相同。
图13-1
类型之二 比热容
5.由c =Q 关于同一种物质的比热容c ,下列说法正确的是( D ) m (t -t 0)
A .若吸收的热量增大一倍,则比热容增大一倍
B .若质量增大一倍,则比热容减至一半
C .若加热前后的温度差增大一倍,则比热容增大一倍
D .无论质量多大,比热容都一样
6.[2014•自贡]如图13-2是甲、乙两个相同质量的物体吸热后温度升高的情况,图中横坐标是物体温度的变化,纵坐标是物体吸收的热量。关于甲、乙两种物质的比热容的大小,下列判断正确的是( A
)
图13-2
A .c 甲>c 乙 B .c 甲<c 乙
C .c 甲=c 乙 D .无法判断
7.[2014•烟台]在“探究水和食用油吸热能力”的实验中,小明猜想物体温度升高吸收热量的多少可能与质量和物质的种类有关。为了验证猜想,同组的同学经过讨论,制定了两个方案:
a .让研究对象升高相同的温度,然后比较它们吸收热量的多少; b .让研究对象吸收相同的热量,然后比较它们升高温度的高低。
(1)实验室准备了两个规格相同的电加热器、两支温度计、烧杯、秒表、适量的水和食用油,为了完成实验,还需要__天平__。
(2)两方案中水和食用油吸热多少是通过__来反映的。
(3)从两个方案中任选一个设计实验数据记录表。
【答案】 (3)①选择方案a 。
表1:让研究对象升高相同的温度
②选择方案b 。
表2:让研究对象吸收相同的热量
8.[2014•吉林]夏天,小明去海滨城市旅游时,他赤脚走在海边的沙滩上,感觉到沙子热得烫脚而海水却很凉,这是为什么?
【答案】 因为沙子的比热容比海水的比热容小,吸收相同热量,相同质量的沙子比海水温度上升快,所以小明在烈日当空的海边玩耍,感到沙子烫脚,海水却凉凉的。
类型之三 热机和热机效率
9.[2014·眉山]下列有关热机效率、燃料热值、物体内能的说法中,正确的是( D )
A .热机所用燃料的热值越大,效率越高
B .热机所用燃料的化学能转化成的内能越多,效率越高
C .物体的内能越大,温度越高
D .摩擦生热是利用做功的方式来增加物体的内能
【解析】 用热值大的燃料,燃烧相同燃料可以放出更多的热量,但用来做有用功的能量不一定多,用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量的比值不一定大,热机效率不一定得到提高,所以A 错误;热机效率是指热机用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出能量的比值,所以B 错误;物体的内能与物体的质量和温度都有关系,物体的质量越大,温度越高,内能越大,所以C 错误;摩擦生热,该过程中消耗机械能,产生内能,是通过做功改变物体内能,所以D 正确,故选D 。
10.[2014·随州](1)某同学用如图13-3所示的装置测酒精的热值。加热前酒精灯的质量为m 1,加热一段时间后变为m 2;烧杯中水的质量为M ,水的初温t 1,末温t 2,水的比热容用c 表示。用以上符号表达该同学测酒精热值的计算式为。该同学测算发现,测量值比课本中的“标准值”小很多,请你写一条产生该误差的原因是__没有考虑热量的散失__。
图13-3
(2)有一种“涡轮增压”(T型) 轿车,通过给发动机更足量的空气使汽油更充分地燃烧,比普通轿车(L型) 更节能,排气更清洁。同样的汽油(如97#)加在T 型轿车内比加在L 型轿车内热值__一样大__(填“更大”“更小”或“一样大”) 。
【解析】 (1)水吸收的热量Q 吸=cM (t 2-t 1) ,
酒精灯放出的热量Q 放=Q 吸=cM (t 2-t 1) ,
燃烧酒精的质量m =m 1-m 2,
Q 放cM (t 2-t 1)酒精的热值q =m =; m 1-m 2
测量值比课本中的“标准值”小很多,是因为没有考虑在加热过程中热量的散失;
(2) 热值是燃料的一种特性,和燃料是否充分燃烧无关,所以同样的汽油(如97#)的热值是一样大的。
11.[2014•泰州]三峡水电站有“照亮半个中国”的美誉,它的年平均发电量约为8.5×1010 kW•h ,相当于一座年消耗5×1010 kg标准煤的火力发电站的发电量(1 kW·h =3.6×106 J)。
(1)标准煤的热值为2.9×107 J/kg,完全燃烧5×1010kg 标准煤能放出多少热量?
(2)以三峡水力发电代替同等的火力发电,每年会少排CO 2气体1.2×1011 kg,这些气体的体积是多少?(通常情况下CO 2气体的密度为2 kg/m3)
(3)根据本题中的数据,计算火力发电的效率。
【答案】 (1)Q =qm =2.9×107 J/kg×5×1010 kg=1.45×1018 J;
m m 1.2×10 kg(2)由ρ=V V =2 kg/m=6×1010 m3; ρ
(3)已知 E =8.5×1010 kW •h =8.5×1010×3.6×106 J =3.06×1017 J ,Q =
1.45×1018 J,
3.06×1017 JE η=Q 100%=100%≈21.1%。 1.45×10 J
12.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20 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:
(1)小汽车运动的时间;
(2)发动机所做的功;
(3)消耗汽油的质量。
【答案】 (1)小汽车的速度v =72 km/h=20 m/s,
s 100×10 m运动的时间t ==20 m/s5×103 s;
(2)发动机做的功
W =Pt =20×103 W×5×103 s=1×108 J;
(3)汽油完全燃烧放出的热量Q =mq ,又因为Q =
1×108 JQ W 故m q ==≈8.7 kg。 q η4.6×10 J/kg×25%
13.今年“五·一”期间,爸爸开车带着李兵从湛江市区出发沿湛徐高速到徐闻参观“大汉三墩”景点,汽车(包括车上的人和物品) 质量为1.8×103 kg,车轮与地面的总接触面积为0.09 m2,当汽车以90 km/h的速度在平直路面上匀速行驶时,汽车发动机牵引力为1 000 N,效率为30%,汽油的热值为4.6×107 W 311η
J/kg(假设汽油完全燃烧,g 取10 N/kg)。求:
(1)汽车静止时对路面的压强。
(2)汽车以90 km/h的速度匀速行驶时,牵引力的功率。
(3)若汽车按照这种方式行驶,这次旅行全程往返250 km,牵引力做的功是多少?李兵应该提醒爸爸至少要加汽油多少千克?
【答案】 (1)汽车静止时对路面的压力
F =G =mg =1.8×103kg ×10 N/kg=1.8×104 N,
汽车静止时对地面的压强
4F 1.8×10 Np =S 0.09 m2×105 Pa;
(2)汽车以90 km/h的速度匀速行驶时,90 km/h=25 m/s,牵引力的功率 P =F v =1 000 N×25 m/s=2.5×104 W。
(3)全程往返250 km牵引力所做的功
W =Fs =1 000 N×2.5×105 m=2.5×108 J,
W W 由η=Q =mq 得,全程往返250 km至少需要汽油的质量为
2.5×108 JW m =18.12 kg。 ηq30%×4.6×10 J/kg