1、栏目索引第十四章内能的利用第十四章内能的利用栏目索引总纲目录考点一 热机考点二 热机的效率考点三 能量的转化和守恒考点研读考点研读命题点一 热机及其能量转化命题点三 热机效率的理解与计算命题探究命题探究命题点二 热值的相关计算命题点四 能量的转化和守恒栏目索引考点研读考点一考点一 热机热机1.热机热机(1)定义:利用内能做功的机械叫做热机。(2)分类:蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。(3)内燃机:燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机,叫做内燃机,分为汽油机和柴油机两大类。考点研读栏目索引考点研读2.汽油机汽油机(1)工作过程:四冲程汽油机是由吸气、压缩、做功和排气四个冲程的不断循环来
2、保证工作的。栏目索引考点研读吸气冲程压缩冲程做功冲程排气冲程进气门打开,排气门关闭。活塞向下运动,汽油和空气的混合物进入汽缸进气门和排气门都 关闭,活塞向 上运动,燃料混合物被压缩进气门和排气门都 关闭,高温高压气体 推动活塞向 下运动,带动曲轴转动,对外做功进气门保持 关闭,排气门 打开,活塞向 上运动,把废气排出汽缸将 机械能转化为内能 将 内能转化为 机械能(2)汽油机四冲程示意图栏目索引考点研读考点二考点二 热机的效率热机的效率1.燃料的热值燃料的热值(1)定义:我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比,叫做这种燃料的热值,用符号q表示。(2)意义:热值在数值上等于1kg某种燃料完
3、全燃烧放出的热量。(3)单位:热值的单位是焦每千克,符号是J/kg。(4)理解:热值是燃料的一种属性,与燃料的体积、质量和是否充分燃烧等无关,只与燃料的种类有关。栏目索引考点研读2.燃料放出热量的计算燃料放出热量的计算(1)Q=mq,其中,Q表示热量,单位是J,q表示热值,单位是J/kg,m表示质量,单位是kg。(2)Q=qV,其中,Q表示热量,单位是J,q表示热值,单位是J/m3,V表示体积,单位是m3。栏目索引考点研读3.热机的效率热机的效率(1)内容:热机工作时,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,叫做热机的效率。用表示。(2)公式:a.=100%;b.=100%。(3
4、)提高燃料利用率的措施:让燃料燃烧更充分;在设计和制造过程中,不断改进和创新,以减少各种能量损失;设法利用废气的能量。Wqm有WqV有栏目索引考点研读考点三考点三 能量的转化和守恒能量的转化和守恒1.能量的转化能量的转化:在一定条件下,各种形式的能量是可以相互转化的。例如:摩擦生热,机械能转化为内能;水电站里水轮机带动发电机发电,机械能转化为电能;植物吸收太阳光进行光合作用,光能转化为化学能等。2.能量守恒定律能量守恒定律内容:能量既不会凭空消失,也不会凭空产生,它只会从一种形式转化为其他形式,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,能量的总量保持不变。栏目索引河南真题1.(20
5、12河南,13,2分)单缸四冲程内燃机在工作过程中,将机械能转化为内能的是()A.吸气冲程B.压缩冲程C.做功冲程D.排气冲程B答案答案B压缩冲程中活塞向上运动,压缩燃料混合物对其做功,将机械能转化为内能。故选B。河南真题栏目索引河南真题2.(2015河南,21,8分)质量为3t的小型载重汽车,额定功率为100kW,车上装有6t的砂石。汽车先以10m/s的速度在平直公路上以20kW的功率匀速行驶了10min,消耗汽油1.2kg,然后又以额定功率用了2min的时间,将砂石从山坡底运送到50m高的坡顶施工现场。g取10N/kg。试问:(1)1.2kg的汽油完全燃烧放出的热量为多少?(已知汽油的热值
6、为4.5107J/kg)(2)汽车在平直公路上匀速行驶时,受到的阻力为多少?(3)汽车从坡底向坡顶运送砂石的机械效率是多少?栏目索引河南真题答案(1)(2分)5.4107J(2)(3分)2000N(3)(3分)25%解析解析(1)汽油完全燃烧放出的热量Q=m0q=1.2kg4.5107J/kg=5.4107J(2)汽车匀速行驶时牵引力做的功W=Pt=20103W600s=1.2107J行驶的路程s=vt=10m/s600s=6103m由功的计算公式,可得牵引力F=2000N由于汽车做匀速运动,则受到的阻力f=F=2000N(3)有用功W有=mgh=6103kg10N/kg50m=3106J总功
7、W总=P额t=1105W260s=1.2107J则机械效率=100%=100%=25%Ws731.2 10 J6 10 mWW有总673 10 J1.2 10 J栏目索引河南真题3.(2013河南,21,8分)在城乡建设中,推土机发挥着巨大作用。图为某型号履带式推土机,额定功率为2.0105W。请回答并计算:(1)推土机安装履带,是为了在松软的土地上作业时减小压强;当推土机在湿滑的土地上作业时,履带上凸出的棱则起到增大摩擦的作用。(2)当推土机在平直场地上以额定功率进行推土作业时,在1min内匀速前进了120m,求推土机受到的阻力。(3)若推土机发动机的效率为40%,工作一段时间消耗柴油50L
8、,求此过程中推土机做的功。已知柴油的密度为0.8103kg/m3,热值为4.0107J/kg。栏目索引河南真题答案答案(1)减小压强增大摩擦(2)1.0105N(3)6.4108J栏目索引河南真题解析解析(1)(2分)见答案(2)(3分)推土机做功W=Pt=Fs则牵引力F=1.0105N由于推土机匀速运动,则推土机受到的阻力Ff=1.0105N(3)(3分)消耗的柴油质量m=V=0.8103kg/m35010-3m3=40kg柴油完全燃烧放出的热量Q=mq=40kg4.0107J/kg=1.6109J根据=100%可得推土机做的功W=Q=1.6109J40%=6.4108JPts52.0 10
9、 W60s120mWQ栏目索引河南真题4.(2012河南,21,8分)利用太阳能电池在太阳光照射下发电叫光伏发电。安阳市启动了“光伏工程”示范项目,在某中学的教学楼顶安装了总功率为20kW的光伏发电系统。(1)光伏发电系统发电时,太阳能转化为电能。(2)一天的有效光照时间按8h计算,该光伏发电系统一天共发电多少千瓦时?(3)该光伏发电系统一天的发电量,如果由热电转换效率为30%的热电厂来完成,需要燃烧多少千克煤?(煤的热值q煤=3.0107J/kg)(4)请写出一条光伏发电的优点。栏目索引河南真题答案答案(1)太阳电(2)160kWh(3)64kg(4)清洁无污染(或“可再生”或“节约化石能源
10、”)栏目索引河南真题解析解析(1)光伏发电系统发电时,太阳能转化为电能。(2)W=Pt=20kW8h=160kWh(3)W=160kWh=1603.6106J=5.76108JQ=1.92109Jm=64kg(4)光伏发电的优点为清洁无污染、可再生、节约化石能源。(可从节能、环保等方面来分析)W85.76 10 J30%Qq煤971.92 10 J3.0 10 J/kg栏目索引命题探究命题点一命题点一 热机及其能量转化热机及其能量转化例例1(2018贵州黔南)如图表示的是汽油机工作时的()A.吸气冲程B.压缩冲程C.做功冲程D.排气冲程C答案答案C如题图,进气门和排气门都是关闭的,活塞下行,火
11、花塞喷出电火花,可以判断是做功冲程,故选C。命题探究栏目索引命题探究【归纳总结】怎样辨别内燃机的四个冲程1.内燃机冲程的辨识应同时注意两个信息,即进气门、排气门的状态和活塞运动方向:只有进气门打开是吸气冲程,只有排气门打开是排气冲程;进气门、排气门都关闭时,活塞向上运动为压缩冲程,活塞向下运动为做功冲程。2.记住“4、2、2、1”的比例关系,即一个工作循环包括4个冲程,曲轴转动2周,能量转化2次,对外做功1次。栏目索引命题探究变式变式1-1(2018黑龙江绥化)如图所示是某单缸四冲程汽油机的压缩冲程,在此冲程中把机械能转化成内能;若该汽油机飞轮转动的速度是3000revs/min,则汽油机每秒
12、对外做功25次。答案答案机械25解析解析汽油机在压缩冲程中能量转化是机械能转化为内能;由题意可知,单缸四冲程汽油机的飞轮转速是3000revs/min=50revs/s,即每秒钟转50圈,完成100个冲程,做功25次。栏目索引命题探究命题点二命题点二 热值的相关计算热值的相关计算例例2(2018江苏连云港)天然气热水器将40kg的水由22加热到42,水的内能增加了3.36106J,水的内能增加是通过热传递方式实现的。若天然气燃烧放出的热量有84%被水吸收,需要消耗0.1kg的天然气。已知c水=4.2103J/(kg),q天然气=4107J/kg。栏目索引命题探究答案答案3.36106热传递0.
13、1解析解析水增加的内能E=Q吸=c水m水(t-t0)=4.2103J/(kg)40kg(42-22)=3.36106J;水的内能增加是通过热传递方式实现的;Q吸=84%Q放,则Q放=4106J,m天然气=0.1kg。84%Q吸63.36 10 J84%Qq放天然气674 10 J4 10 J/kg栏目索引命题探究变式变式2-1(2018四川遂宁)我国于2017年5月18日在南海海域成功试采“可燃冰”,“可燃冰”作为新型能源,有着巨大的开发使用潜力,在相同条件下,“可燃冰”完全燃烧放出的热量可达到天然气的数十倍。如果“可燃冰”热值是天然气的10倍,设天燃气热值为4.2107J/kg,完全燃烧0.
14、5kg“可燃冰”放出的热量为2.1108J;若在不考虑热量损失的情况下,这些热量能使800kg、45的水刚好达到沸点,则此时水的沸点是107.5,水面上方的气压大于1标准大气压。(选填“大于”“小于”或“等于”)c水=4.2103J/(kg)答案答案2.1108107.5大于栏目索引命题探究解析解析1kg天然气完全燃烧放出的热量Q放=mq天然气=1kg4.2107J/kg=4.2 107J,0.5kg“可燃冰”完全燃烧放出的热量Q放=Q放10=4.2107J5=2.1 108J;由题知,水吸收的热量Q吸=Q放=2.1108J,根据Q吸=cm水(t-t0)可知水沸腾时的温度为t=t0+=45+=
15、107.5,因为1标准大气压下水的沸点为100,液体的沸点随着表面气压的增大而升0.5kg1kgQcm吸水832.1 10 J4.2 10 J/(kg)800kg高,随气压减小而降低,所以此时水面上方的气压大于1标准大气压。栏目索引命题探究命题点三命题点三 热机效率的理解与计算热机效率的理解与计算例例3(2018山东泰安)某品牌无人驾驶汽车在一段平直公路上匀速行驶6.9km,用时5min45s,消耗燃油1.5kg,已知汽车的牵引力是2000N,燃油的热值为4.6107J/kg,假设燃油完全燃烧。通过计算可知,下列结果正确的是()汽车行驶速度是20km/h消耗的燃油完全燃烧放出的热量是6.910
16、7J汽车牵引力做功的功率是30kW汽车发动机的效率是20%A.只有和B.只有和C.只有和D.只有和D栏目索引命题探究答案答案D汽车的行驶速度v=72km/h,错误;消耗的燃油完全燃烧放出的热量Q放=mq=1.5kg4.6107J/kg=6.9107J,正确;汽车牵引力做的功W=Fs=2103N6.9103m=1.38107J,汽车牵引力做功的功率P=40000W=40kW,错误;汽车发动机的效率=20%,故正确。故选D。st6.9km1(5 6045)3600hWt71.38 10(5 6045)sJWQ放771.38 106.9 10JJ栏目索引命题探究【归纳总结】【归纳总结】计算热机效率的
17、常用公式热机是把内能转化为机械能的机械。内能来自燃料的燃烧,转化的机械能可用来使汽车前进、利用机械提升物体、推或拉动物体等。按照能量的转化方向,先后可能用到的公式有:Q=mq、=、W=Fs、W=Pt等。WQ栏目索引命题探究变式变式3-1(2018四川达州30题改编)小张驾驶一辆额定功率为35千瓦、效率为30%的汽车在一段平直的公路上匀速行驶,在额定功率下行驶1小时至少需要12L汽油(汽油的热值为3.5107J/L);若行驶的速度为72km/h,则汽车受到的阻力为1750N。答案答案121750栏目索引命题探究解析解析小汽车以额定功率匀速直线行驶1h牵引力所做的功W=Pt=3.5104W3600
18、s=1.26108J,完全燃烧汽油放出热量Q放=Vq,小汽车发动机的效率=,所以Q放=W,Vq=W,V=12L。因为72km/h=20m/s,由W=Fs得汽车发动机的牵引力F=1750N,因为汽车在平直公路上匀速行驶,所以汽车受到的阻力f=F=1750N。WQ放Wq871.26 10 J30%3.5 10 J/LWsWvt81.26 10 J20m/s 3600s栏目索引命题探究命题点四命题点四 能量的转化与守恒能量的转化与守恒例例4生活中能量转化的实例很多,下列描述中正确的是()A.摩擦生热是把内能转化为机械能B.燃料燃烧放热是把内能转化为化学能C.电动机带动水泵把水送到高处是把电能转化为机
19、械能D.摩擦起电是把电能转化为机械能C答案答案C摩擦生热是克服摩擦做功,摩擦过程中,消耗了机械能,内能增大,把机械能转化为内能,故A错误;燃料燃烧放热是把化学能转化为内能,故B错误;电动机带动水泵把水送到高处是把电能转化为机械能,故C正确;摩擦起电是消耗了机械能,获得了电能,故是把机械能转化为电能,故D错误。栏目索引命题探究变式变式4-1(2018四川内江)根据能量守恒定律,下列情形可能发生的是()A.随着科学技术不断发展和提高,永动机是可以制成的B.两个斜面相对连接,小球从左斜面滚下后冲上右斜面C.电水壶里的水沸腾后断电,水的沸腾却一直持续下去D.出枪膛的子弹射穿木板后,以更快的速度继续运动
20、B栏目索引命题探究答案答案B永动机违反了能量的转化与守恒,不可能实现,故A错误;两个斜面相对接,小球从左斜面滚下后,由于具有动能,会继续冲上右斜面,故B正确;在电水壶的使用过程中,消耗了电能,而水的温度升高,内能增加,断电后,水不再吸收热量,水的沸腾会停止,故C错误;子弹射穿木板的情景中,子弹高速运动,说明子弹具有动能,由于摩擦生热会使动能减小,它的速度减慢,故D错误。栏目索引随堂检测1.(2018山东临沂)甲图中,迅速向下压活塞,能量的转化情况是机械能转化为内能。乙图内燃机的工作过程中与甲图能量转化情况相同的是B(选填图中的代号)。随堂检测栏目索引随堂检测答案答案机械能转化为内能B解析解析图
21、甲中,迅速向下压活塞,活塞的机械能转化为筒内空气的内能。图乙中:A.进气门打开,排气门关闭,活塞向下运动,是吸气冲程,没有能量转化;B.两个气门都关闭,活塞向上运动,是压缩冲程,将机械能转化为内能,故B符合题意;C.两个气门都关闭,活塞向下运动,是做功冲程,将内能转化为机械能;D.排气门打开,进气门关闭,活塞向上运动,是排气冲程,没有能量转化。栏目索引随堂检测2.中国南海海底探明有大量的“可燃冰”,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”的热值很大;以10倍的关系粗略计算,1kg“可燃冰”完全燃烧放出的热量可以使2500kg的水从20加热至60。q煤气=4.21
22、07J/kg,水的比热容c=4.2103J/(kg)栏目索引随堂检测答案答案热值2500解析解析在同等条件下,“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”的热值很大。1kg煤气完全燃烧放出的热量Q放=mq煤气=1kg4.2107J/kg=4.2107J1kg“可燃冰”完全燃烧放出的热量Q放=Q放10=4.210710J=4.2108J由题知,Q吸=Q放=4.2108J由Q吸=cmt,得水的质量m=2500kgQc t吸834.2 10 J4.2 10 J/(kg)(6020)栏目索引随堂检测3.(2018山东滨州)如图是内燃机工作循环中的一个冲程,它是()A.压缩冲程,将化学能
23、转化成内能B.压缩冲程,将机械能转化成内能C.做功冲程,将内能转化成机械能D.做功冲程,将机械能转化成内能C答案答案C题图中的两气门关闭,活塞下行,火花塞产生电火花,这是做功冲程;在做功冲程中,能量转化关系是燃料燃烧产生的内能转化为机械能。故选C。栏目索引随堂检测4.(2018河南周口西华一模)下列关于热机效率的说法中,正确的是()A.热机的功率越大,效率越高B.热机做的有用功越多,效率就越高C.减少热机的各种热损失,保持良好的润滑,能提高热机效率D.增加热机的工作时间,能提高热机效率C栏目索引随堂检测答案答案C功率是反映做功快慢的物理量,功率大表明做功快,效率指的是有用的功(或能量)在总功(
24、或能量)中的比例,做功快的也可能效率低;热机效率是有用功与燃料完全燃烧所能放出的总热量的比值,只有在消耗的总能量一定时有用功多的效率才高;减少热机的热量损失可以有效地减少额外功的比例,可以提高热机效率;增加热机工作时间只能提高总的做功量,不能提高有用功的比例。故选C。栏目索引随堂检测5.如图所示实验,木塞冲出过程中()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.能量转化情况与内燃机压缩冲程相同D.水蒸气对木塞做功,水蒸气的内能减少D栏目索引随堂检测答案答案D白雾是空气中的小液滴,属液态,不是水蒸气,A项错;白雾是水蒸气液化形成的,液化放热,故B项错;此过程中内能转化为机
25、械能,它与做功冲程的能量转化情况相同,C项错;D项正确。栏目索引随堂检测6.(2018山东德州)在一个标准大气压下,用炉子将10kg的水从20加热至沸腾,燃烧了0.5kg的焦炭,已知水的比热容为4.2103J/(kg),焦炭的热值为3.0107J/kg。求:(1)水吸收的热量;(2)0.5kg焦炭完全燃烧释放的热量;(3)炉子烧水的效率。栏目索引随堂检测答案答案(1)3.36106J(2)1.5107J(3)22.4%解析解析(1)一个标准大气压下水的沸点为100,即需将水加热至100,水吸收的热量Q吸=c水m水(t-t0)=4.2103J/(kg)10kg(100-20)=3.36106J(2)0.5kg焦炭完全燃烧释放的热量Q放=m焦炭q焦炭=0.5kg3.0107J/kg=1.5107J(3)炉子烧水的效率=100%=100%=22.4%QQ吸放673.36 101.5 10JJ
