14.2热机的效率（讲义）教师版

人教版八年级物理上册第14章《内能的利用》第2节热机的效率讲义（知识点总结+例题讲解）序号知识点难易程度例题数变式题数合计一热值★★6628二热机的效率★★88一、热值：1.概念：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；2.大小：热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量；3.公式：（或一般用于气体、液体燃料）（1）其中：m为燃料的质量，V为燃料的体积，q为燃料的热值（2）公式变形：（已知热值及燃料质量，求燃烧放出的热）（已知燃烧放出的热及热值，求燃料的质量）4.单位：焦每千克（符号是J/kg）。（1）热值的单位由热量的单位和质量的单位组合而成；（2）在国际单位制中，热量的单位是焦耳（J），质量的单位是千克（kg）5.影响因素：热值是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类和状态有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关；6.常见物质的热值：①煤气的热值约为3.9×107J/m3，物理意义为：体积为1m3的煤气完全燃烧放出的热量为3.9×107J。②焦炭的热值3.0×107J/kg，物理意义为：质量为1kg的煤气完全燃烧放出的热量为3.0×107J。【例题1】一瓶酒精用去一半后，剩下的酒精()A.热值不变，比热容减小一半B.热值不变，比热容不变C.热值和比热容都减小一半D.热值减小一半，比热容不变【答案】B【解析】解：酒精的比热容、热值两个物理量，都是表示酒精的某种特性；是从不同的角度来描述酒精的特性，只与物质的种类和状态有关，是一般不发生变化的量；一瓶酒精用去一半，则剩下的酒精的比热容、热值不变。故选：B。【变式1】关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（）A．没有燃烧的燃料，热值等于零B．燃料完全燃烧时，它的热值最大C．燃料的热值与质量和燃烧状态无关D．燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多【答案】C【解析】解：（1）热值是燃料本身的特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量无关，与燃料是否完全燃烧无关，与产生的热量无关，故AB错误、C正确；（2）由Q放＝mq可知，燃料燃烧放出的热量，与燃料的质量、热值和是否完全燃烧有关，与燃烧的温度无关，故D错误。故选：C。【例题2】下列关于热值的说法正确的是（）A．燃料燃烧时，用的燃料越多，燃料的热值越大B．燃料燃烧时，放出的热量越多，燃料的热值越大C．相同质量的不同燃料燃烧时，放出热量较多的燃料，热值较大D．相同质量的不同燃料完全燃烧时，放出热量较多的燃料，热值较大【答案】D【解析】解：AB、燃料的热值只与燃料的种类有关，与放出热量的多少、燃料的质量和燃料的燃烧程度无关，故A、B错误；CD、相同质量的不同燃料完全燃烧时，放出热量越大的燃料，其热值越大，故C错误，D正确。故选：D。【变式2】关于燃料的热值，下列说法正确的是（）A．容易燃烧的燃料，热值一定大B．燃料的热值与燃料是否完全燃烧无关C．煤的热值大于干木材的热值，煤燃烧放出的热量一定比干木材放出的热量多D．为了提高锅炉的效率，一定要用热值高的燃料【答案】B【解析】解：AB、热值是燃料的一种特性，热值的大小与燃料是否容易燃烧、燃烧情况、燃料放出的热量等均无关，故A错误，B正确；C、燃料燃烧放出热量的多少与燃料的热值和质量有关，只根据热值无法判定放出热量的多少，故C错误；D、提高锅炉的效率的方法有尽可能使燃料完全燃烧、减少热量损失等，热效率与热值无关，故D错误。故选：B。【例题3】关于q=QA．热值与燃料完全燃烧放出的热量成正比B．若燃料燃烧不充分时，热值将减小C．当燃料未燃烧时，其热值为零D．某种燃料的热值大小与是否充分燃烧无关【答案】D【解析】解：A、热值是质量为1kg的燃料完全燃烧时所释放出的热量，热值是燃料本身的特性，与热量无关，故A不符合题意；B、热值的大小只与燃料的种类有关，与燃烧程度无关，故B不符合题意；C、热值是燃料的一种特性，与燃料是否燃烧无关，故C不符合题意；D、热值是由燃料本身特性决定的，与燃料是否充分燃烧无关，故D符合题意；故选：D。【变式3】现代火箭常用液态氢做燃料，氢的热值是1.4×108J/m3，在完全燃烧一样多的燃料时，可以获得更多的能量。因为液态氢具有（）A．较小的密度B．较低的沸点C．较大的比热容D．较高的热值【答案】D【解析】解：现代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氢时，可以释放出更多的热量；故选：D。【例题4】如图甲、乙分别是“探究不同物质吸热升温的现象”和“比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量”的两组实验装置。关于这两个实验，下列要求正确的是（）A．所用燃料的质量都必须相等B．都要用计时器来测量加热时间C．烧杯中被加热物体的质量都必须相等D．都要测量燃料完全燃烧后被加热物质的温度【答案】C【解析】解：AC、根据“比较不同燃料燃烧放出的热量大小”和探究“不同物质吸热升温现象”两实验的要求，容器中被加热物质的质量都要相同，而探究“不同物质吸热升温现象”实验时，不需要控制燃料的质量相同，故A错误、C正确；B、乙组实验中，燃烧相同质量的不同燃料，可以根据温度计示数的变化来比较吸热的多少，而不需要用计时器来测量加热时间，故B错误；D、甲组实验中，不需要燃料完全燃烧后测量被加热物质的温度，只有加热时间相同即可，故D错误。故选：C。【变式4】在“比较燃料热值大小”的实验中，不需要控制相同或相等的因素是（）A．两种燃料的质量B．两只装水的烧杯C．烧杯中水的质量D．各自加热的时间【答案】D【解析】解：为了比较热值大小要用相同质量的不同燃料，加热同一种液体（水），让液体（水）的质量相同，通过温度计的示数高低得出吸热多少，进而判断热值大小，所以不需要控制的是加热时间，故D符合题意。故选：D。【例题5】如图所示，甲、乙、丙三个实验装置完全相同，燃料的质量都为10g，烧杯中液体的质量都为10g，比较不同燃料的热值应该选择两个装置，通过观察比较燃料燃烧放出热量的多少。【答案】甲、乙；温度计示数的变化。【解析】解：为了比较热值大小要用质量相同的不同燃料，加热同一种液体，让液体的质量相同，通过温度计的示数的变化得出吸热多少，进而判断热值大小，应选择甲、乙两图进行实验；燃料完全燃烧放出的热量的多少，是通过温度计示数的变化来反映，这用到了转换法。故答案为：甲、乙；温度计示数的变化。【变式5】如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同。燃料及烧杯内的液体质量也相同。比较不同物质的比热容，应选择两图的装置进行实验；比较不同燃料热值的实验中，同时点燃燃料后，需等待燃料（选填“燃烧相同时间”或“充分燃烧完毕”），然后通过观察升高的温度来比较两种燃料热值大小，实验过程是通过方式使液体内能增加的。【答案】甲、丙；充分燃烧；热传递。【解析】解：（1）比较不同物质的比热容即比较吸热能力不同，应选择燃料相同、而相同质量的不同物质作为吸热物质，故选用甲、丙两图的装置进行实验；（2）比较不同燃料热值的实验中，同时点燃料后，需等待燃料充分燃烧，通过观察温度计示数的示数上升来比较两种燃料热值大小；（3）液体吸收热量，是铜热传递的方式改变内能的大小的。故答案为：甲、丙；充分燃烧；热传递。【例题6】已知天然气的热值为4.0×107J/m3，完全燃烧2.1m3的天然气可以获得J的热量，不计热量损失，这些热量可以使500kg的水，温度升高℃。【c水＝4.2×103J/(kg·℃)】【答案】8.4×107；40。【解析】完全燃烧2.1m3的天然气放出的热量Q放＝Vq＝2.1m3×4.0×107J/m3＝8.4×107J；由于不计热量损失，则Q吸＝Q放＝8.4×107J；故水升高的温度Δt＝eq\f(Q吸,cm)＝eq\f(8.4×107J,4.2×103J/（kg·℃）×500kg)＝40℃。【变式6】为了减少大气污染，可对秸秆进行回收加工制成秸秆煤，完全燃烧5kg秸秆煤放出的热量是J，若放出的热量有40%被水吸收，可使kg的水温度升高80℃。【已知q秸秆煤＝2.1×107J/kg，c水＝4.2×103J/（kg•℃）】【答案】1.05×108；125。【解析】解：完全燃烧5kg秸秆煤可放出的热量：Q放＝m秸秆煤q秸秆煤＝5kg×2.1×107J/kg＝1.05×108J；由题意可知，水吸收的热量为：Q吸＝Q放×40%＝1.05×108J×40%＝4.2×107J；由Q吸＝cm△t可得水的质量：m=Q故答案为：1.05×108；125。二、热机的效率：1.概念：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；2.公式：3.在热机的能量损失中，废气带走的能量最多。4.提高热机的热效率方法：（1）废气回收利用：减少机械散热和废气带走热量；（2）使燃料充分燃烧：雾化液体燃料、粉碎固体燃料，通气足够；（3）减少机械摩擦损失。【例题7】关于热机的效率，下列说法正确的是（）A．使燃料燃烧更充分，可以提高热机的效率B．热机的效率越高，在做功同样多的情况下消耗的能量越多C．热机的效率越高说明做功越快D．热机损失的能量中，废气带走的能量较少，主要是由于机械摩擦损失的【答案】A【解析】解：A．使燃料燃烧更充分，可以增大有效利用的能量，提高热机的效率，故A正确；B．热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，当热机做一定的有用功，消耗的燃料越少，效率一定越高，故B错误；C．热机的效率越高说明用来做有用功的能量占燃料完全燃烧产生的能量之比大，做功越快是指功率大，功率和效率没有关系，故C错误；D．热机工作时，热机损失的能量中，废气带走的热量多，机械摩擦损失的不是主要的，故D错误。故选：A。【变式7】关于热机的效率，以下说法中正确的是（）A．热机做的有用功越多，效率就一定越高B．热机耗费的燃料越少，有用功越多，则热机的效率就越高C．热机的功率大，效率就一定高D．热机损失的能量越多，其效率就一定越低【答案】B【解析】解：A、热机做的有用功越多，但不知总功的多少，故效率不一定越高，故A错误；B、热机耗费的燃料越少，燃料完全燃烧产生的能量越少，即总能量少，已知有用功越多，根据效率的定义，可知热机的效率就越高，故B正确；C、热机的功率越大，说明热机做功越快，与效率无关，故C错误；D、热机损失的能量越多，说明额外功多，但不知有用功多少，效率取决于有用功和总功的比值，故其效率不一定越低，故D错误。故选：B。【例题8】关于热机的效率，下列说法正确的是（ ）A.热机做的有用功越多，效率就一定高B.热机消耗的燃料越多，效率就越低C.在相同条件下，热机内燃料燃烧越充分，热机效率就越高D.热机的效率能达到100%【答案】C【解析】A.热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，效率越高，有用功在总功中的比例越大，但有用功不一定越多，故A错误；B.热机消耗的燃料越多，总功越大，但不知道有用功的多少，故效率不一定越低，故B错误；C.在相同条件下，使燃料燃烧更充分，可以增大有效利用的能量，提高热机的效率，故C正确；D.热机在工作时，废气会带走一部分热量、燃料不可能完全燃烧、克服部件之间的摩擦会消耗能量等，所以热机的效率不可能达到100%，故D错误。【变式8】下列关于热机效率的描述，正确的是（）A．热机的效率越高，消耗的燃烧越少B．热机的效率越高，做的有用功越多C．热机的效率越高，燃料的热值越大D．热机的效率越高，能量的利用率越大【答案】D【解析】解：热机的效率越高，说明用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量的比值越大，则能量的利用率越大，与消耗的燃料多少、做的有用功多少、燃料的热值无关；故ABC错误，D正确。故选：D。【例题9】做同样的有用功，甲、乙柴油机用时和消耗柴油对比如下，下列说法中正确的是（）柴油机完成工作量时间消耗柴油甲相同3h5kg乙2h6kgA．甲的功率较大，热机效率较低B．甲的功率较大，热机效率较高C．乙的功率较大，热机效率较高D．乙的功率较大，热机效率较低【答案】D【解析】解：由表格数据可知，完成工作量相同，甲所用时间大于乙所用时间，功率是指单位时间内完成的功；则甲的功率较小；由表格数据可知，完成工作量相同，甲消耗柴油少，乙消耗柴油多，则乙做的额外功多，由η=W故选D。【变式9】某汽油机工作时的热损失情况是：汽缸散热损失30%，废气带走35%。机械摩擦损耗10%，则完全燃烧2g汽油（热值为4.6×107J/kg）获得的机械能是（）A．2.76×104JB．3.22×104JC．2.3×104JD．0.92×104J【答案】C【解析】解：汽油机的效率为：η＝100%﹣30%﹣35%﹣10%＝25%，2g汽油完全燃烧产生的热量为：Q放＝mq＝2×10﹣3kg×4.6×107J/kg＝9.2×104J，（3）根据η=WW有用＝ηQ放＝25%×9.2×104J＝2.3×104J。故选：C。【例题10】如图甲是内燃机的冲程。活塞下降时，燃气内能（填“减少”或“增加”）。汽车发动机工作时的温度高，常使用水冷式冷却系统对汽车发动机降温。水冷却液的特点是比热容。如图乙是某柴油机工作时的能量流向图。该柴油机的热机效率是，柴油属于（填“一次”或“二次”）能源。【答案】做功；减少；大；35%；二次。【解析】解：（1）图中火花塞正在喷出电火花，所以是内燃机的做功冲程；（2）在做功冲程中，高温气体迅速膨胀对活塞做功，气体的内能减小，转化为机械能；（3）冷却液的特点是比热容大，升高相同的温度，吸收较多的热量；（4）由图可知，燃料完全燃烧放出的热量中，由25%是机械自身消耗的能量，40%是废气带走的能量，则内燃机的效率为：100%﹣25%﹣40%＝35%；（5）柴油无法从自然界直接获取，必须通过一次能源的消耗才能得到，所以是二次能源。故答案为：做功；减少；大；35%；二次。【变式10】如图所示为内燃机的能流图，则内燃机的效率可表示为。两个铁块的质量之比为4：1，升高的温度之比是1：2，则两铁块的比热之比为，吸收的热量之比为。【答案】E2【解析】解：（1）由能流图可知：燃料完全燃烧放出的热量为E，有用机械能即有用功为E2，所以内燃机的效率可表示为：η=W有用W（2）因比热容是物质的一种特性，只与物质的种类和状态有关，与其他因素无关，所以，两个铁块的比热之比为1：1；（3）由Q吸＝cm△t可得，它们吸收的热量之比：Q1故答案为：E2【例题11】如图所示是四冲程汽油机的某一冲程的剖面图，该冲程是冲程；若该汽车行驶时效率为25%，汽车油箱的容积为50L，则油箱装满汽油后，汽油完全燃烧可对外做功J。（ρ汽油＝0.71g/cm3，q汽油＝4.6×107J/kg）【答案】压缩；4.0825×108。【解析】解：（1）由图可知，两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以是压缩冲程；（2）汽油的体积为：V＝50L＝5×104cm3，汽油的质量为：m＝ρV＝0.71g/cm3×5×104cm3＝3.55×104g＝35.5kg，汽油完全燃烧放出的热量为：Q放＝mq＝35.5kg×4.6×107J/kg＝1.633×109J，由η=WQ放×100%得，汽油完全燃烧可对外做功为：W＝ηQ放＝25%×1.633×10故答案为：压缩；4.0825×108。【变式11】如图所示是一台单缸四冲程汽油机的工作示意图，将内能转化为机械能的是图；若汽油机效率是25%，在汽油机内完全燃烧2kg汽油放出的热量通过汽油机的转化，能对外做J的有用功。（q汽油＝5×107J/kg）【答案】丙；2.5×107。【解析】解：（1）在汽油机的四个冲程中，将内能转化为机械能的是做功冲程。由图可知，甲的进气门打开，是吸气冲程；乙的两气门都关闭，活塞上行，是压缩冲程；丙两气门都关闭，活塞下行，火花塞点火，是做功冲程；丁的排气门打开，是排气冲程。故将内能转化为机械能的是丙；（2）完全燃烧2kg汽油放出的热量：Q＝mq汽油＝2kg×5×107J/kg＝1×108J；对外做的有用功为：W＝Qη＝1×108J×25%＝2.5×107J。故答案为：丙；2.5×107。【例题12】据新华社报道，2020年4月8日，中国新疆塔里木盆地传来振奋人心的消息：人们新发现了储量达到2.28亿吨的石油，如图所示。这一发现进一步证实了塔里木盆地下方富含石油！石油燃烧时能释放出巨大的能量[已知c水＝4.2×103J/（kg•℃），q石油=4.4×107J/kg]。求：（1）200g石油完全燃烧放出的热量多少J？（2）若这些热量的42%被水吸收，可以使多少kg的水的温度升高40℃？【答案】（1）8.8×106J；40℃。【解析】解：（1）石油的质量：m＝200g＝0.2kg；石油完全燃烧放出的热量：Q放＝mq石油＝0.2kg×4.4×107J/kg＝8.8×106J；（2）若这些热量的42%被水吸收，则有：Q吸＝42%Q放＝42%×8.8×106J＝3.696×106J；由Q吸＝cm△t可得：m水＝Q吸c水【变式12】如图所示是我国自行设计研制的AG600全状态新构型灭火飞机。若该飞机以270km/h的速度匀速直线航行20min，消耗航空燃油1.35t，飞机发动机的功率为2.25×107W。（航空燃油的热值为4×107J/kg）求：（1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量是多少？（2）飞机在航行过程中的阻力是多少？（3）发动机的效率是多少？【答案】（1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量是5.4×1010J；（2）飞机在航行过程中的阻力3×105N；（3）发动机的效率是50%。【解析】解：（1）已知消耗的航空燃油的质量m＝1.35t＝1350kg，航空燃油的热值q＝4×107J/kg，则这些燃油完全燃烧放出的热量为：Q放＝qm＝4×107J/kg×1350kg＝5.4×1010J；（2）已知飞机发动机的功率P＝2.25×107W，飞机匀速航行的速度v＝270km/h＝75m/s，由P=Wt=Fst由二力平衡的条件可知飞机航行过程中的阻力为：f＝F＝3×105N；（3）由P=Wt可知飞机发动机做的功为：W＝Pt＝2.25×107W×20×60s＝2.7×10则发动机的效率为：η=WQ放答：（1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量是5.4×1010J；（2）飞机在航行过程中的阻力3×105N；（3）发动机的效率是50%。【例题13】某款小排量家用汽车质量为1200kg，停在水平地面时车轮与地总接触面积0.08m2，在某次水平道路测试中，该车以中速匀速行驶50km，共消耗汽油5L。求：（1）该车空载静止时，对水平地面的压强是多少？（2）在水平道路中速匀速行驶测试中，若平均阻力为1000N，牵引力做的功是多少？（3）在水平道路中速匀速行驶测试中，汽车发动机的效率？（ρ汽油＝0.7×103kg/m3，q汽油＝4.6×107J/kg）【答案】（1）该车空载静止时，对水平地面的压强是1.47×105Pa；（2）牵引力做的功是5×107J；（3）汽车发动机的效率为31%。【解析】解：（1）汽车停在水平地面，对地面的压力大小等于汽车重力大小，F＝G＝mg＝1200kg×9.8N/kg＝11760N，对水平地面的压强p=FS=（2）汽车匀速行驶测试中，若平均阻力为1000N，则牵引力大小F＝f＝1000N，牵引力做功W＝Fs＝1000N×50×103m＝5×107J；（3）牵引力做功为有用功，则W有用＝5×107J，汽油完全燃烧释放的能量为总功，即W总＝Q＝q汽油m汽油＝q汽油V汽油ρ汽油＝4.6×107J/kg×5×10﹣3m3×0.7×103kg/m3＝1.61×108J，汽车发动机的效率η=W答：（1）该车空载静止时，对水平地面的压强是1.47×105Pa；（2）牵引力做的功是5×107J；（3）汽车发动机的效率为31%。【变式13】随着国家的发展，我国人民的生活水平不断提高，汽车已进入千家万户，某品牌国产汽车以20m/s的速度在平直公路上匀速行驶50km，消耗汽油3L，汽车发动机功率为12kW，已知：汽油的热值q＝4.6×107J/kg，汽油的密度ρ＝0.7×103kg/m3。求该汽车匀速行驶50km过程中：（1）汽车发动机的牵引力；（2）3L汽油完全燃烧产生的热量；（3）发动机的效率（结果保留整数）。【答案】（1）汽车发动机的牵引力为600N；（2）3L汽油完全燃烧产生的热量为9.66×107J；（3）发动机的效率为31%。【解析】解：（1）已知汽车发动机的功率P＝12kW＝12000W，行驶速度v＝20m/s，由P=Wt=（2）消耗汽油的体积为：V＝3L＝3dm3＝3×10﹣3m3，消耗汽油的质量为：m＝ρV＝0.7×103kg/m3×3×10﹣3m3＝2.1kg，则这些汽油完全燃烧放出的热量为：Q放＝qm＝4.6×107J/kg×2.1kg＝9.66×107J；（3）汽车发动机做的有用功为：W＝Fs＝600N×50×103m＝3×107J，则发动机的效率为：η=W答：（1）汽车发动机的牵引力为600N；（2）3L汽油完全燃烧产生的热量为9.66×107J；（3）发动机的效率为31%。【例题14】汽车出厂前需要测试，某次检测过程中，汽车保持恒定功率在水平路面做直线运动，测得其速度随时间变化的图像如图所示，汽车运动中所受阻力不变，发动机效率为40%，加速至2s时牵引力为4000N，10s后油箱还剩10L汽油（汽油热值q＝3.3×107J/L）。求：（1）10s内牵引力做的功；（2）运动中汽车受到的阻力；（3）10s后该车最多还能继续行驶的路程。【答案】（1）10s内牵引力做的功为6×105J；（2）运动中汽车受到的阻力为2000N；（3）10s后该车最多还能继续行驶的路程为66km。【解析】解：（1）加速至2s时牵引力F1＝4000N，由图知此时速度v1＝15m/s，汽车功率：P＝F1v1＝4000N×15m/s＝6×104W，由题知，汽车保持恒定功率在水平路面做直线运动，10s内牵引力做的功：W＝Pt＝6×104W×10s＝6×105J；