初中物理内能利用专题练习与讲解

初中物理内能利用专题练习与讲解内能是物理学中的核心概念之一，它与我们的日常生活息息相关，从烧水做饭到汽车飞驰，无不涉及内能的转化与利用。掌握内能利用的相关知识，不仅有助于我们理解自然现象，更能培养我们运用物理知识解决实际问题的能力。本专题将围绕内能的利用展开，通过知识梳理、典型例题解析及专题练习，帮助同学们巩固基础，提升能力。一、知识梳理与核心要点（一）内能的利用方式内能的利用主要有两种途径：1.利用内能来加热物体：这是内能的直接利用。例如，用炉火取暖、烧水，用热水袋暖手等。在这个过程中，内能从高温物体转移到低温物体，实质是能量的转移（热传递）。2.利用内能来做功：这是内能的间接利用。例如，蒸汽机、内燃机（汽车发动机、摩托车发动机）等，都是将燃料燃烧产生的内能转化为机械能，驱动机器运转。在这个过程中，内能转化为其他形式的能，实质是能量的转化。（二）热机——内能做功的典型应用1.定义：热机是把燃料燃烧时释放的内能转化为机械能的机器。2.种类：常见的热机有蒸汽机、内燃机（汽油机和柴油机）、汽轮机、喷气发动机等。初中阶段重点学习内燃机。3.内燃机：*工作原理：燃料在汽缸内燃烧，生成高温高压的燃气，燃气推动活塞做功。*基本构造：主要包括汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞（汽油机）或喷油嘴（柴油机）等。*工作过程（以四冲程汽油机为例）：*吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，吸入汽油和空气的混合物。*压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，内能增大，温度升高。（机械能转化为内能）*做功冲程：在压缩冲程末，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，推动活塞向下运动，带动曲轴转动。（内能转化为机械能）——此冲程为对外做功的冲程。*排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸。*一个工作循环：包括四个冲程，活塞往复两次，曲轴转动两周，对外做功一次。*汽油机与柴油机的主要区别：*吸入物质：汽油机吸入汽油和空气的混合物，柴油机只吸入空气。*点火方式：汽油机为点燃式（火花塞），柴油机为压燃式（喷油嘴喷油后自燃）。（三）热值（q）1.定义：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.单位：焦每千克（J/kg），对于气体燃料，有时也用焦每立方米（J/m³）。3.物理意义：表示单位质量（或体积）的某种燃料完全燃烧时放出热量的多少。例如，干木柴的热值约为1.2×10⁷J/kg，表示1kg的干木柴完全燃烧时放出的热量约为1.2×10⁷J。4.特性：热值是燃料本身的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、是否完全燃烧等均无关。5.燃料完全燃烧放热公式：*对于固体和液体燃料：Q_放=mq*对于气体燃料：Q_放=Vq（其中，m为燃料的质量，V为燃料的体积，q为燃料的热值）（四）热机效率与能量守恒1.热机效率（η）：*定义：热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，叫做热机的效率。*公式：η=(W_有/Q_放)×100%*说明：由于热机工作过程中，不可避免地存在能量损失（如废气带走大量热量、机械摩擦耗能、散热损失等），所以热机效率总小于1。*提高热机效率的途径：减少废气带走的能量、减小摩擦、减少热散失、使燃料充分燃烧等。2.能量守恒定律：能量既不会凭空消灭，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。内能的利用过程，正是能量转化或转移的过程，都遵循能量守恒定律。二、典型例题解析例题1：关于热机的工作过程，下列说法正确的是（）A.汽油机在吸气冲程中吸入的是空气B.柴油机在压缩冲程中将内能转化为机械能C.汽油机的做功冲程是靠飞轮的惯性完成的D.任何热机的效率都不可能达到100%解析：A选项错误，汽油机在吸气冲程中吸入的是汽油和空气的混合物，柴油机吸入的才是空气。B选项错误，压缩冲程是活塞压缩气体，对气体做功，将机械能转化为气体的内能。C选项错误，汽油机的做功冲程是燃气推动活塞做功，是主动对外输出动力的冲程；而吸气、压缩、排气三个冲程是靠飞轮的惯性来完成的。D选项正确，由于热机工作中存在各种能量损失，所以其效率不可能达到100%。答案：D例题2：某太阳能热水器，向其中注入50kg的水，阳光照射一段时间后，水温从10℃升高到50℃。求：（1）这段时间该热水器中的水吸收的热量是多少？[c_水=4.2×10³J/(kg·℃)]（2）如果这段时间内热水器接收到太阳辐射的热量是2.8×10⁷J，那么该热水器的效率是多少？解析：（1）水吸收的热量是有用能量，根据吸热公式Q_吸=cm(t-t₀)计算。已知：m=50kg，c=4.2×10³J/(kg·℃)，t₀=10℃，t=50℃Q_吸=cm(t-t₀)=4.2×10³J/(kg·℃)×50kg×(50℃-10℃)=4.2×10³J/(kg·℃)×50kg×40℃=8.4×10⁶J（2）热水器的效率η=(Q_吸/Q_总)×100%，其中Q_总为接收到的太阳辐射热量。η=(8.4×10⁶J/2.8×10⁷J)×100%=30%答案：（1）8.4×10⁶J；（2）30%例题3：完全燃烧0.5kg的煤气，可以放出多少热量？如果这些热量的40%被水吸收，则能使多少千克的水温度升高50℃？（q_煤气=4.2×10⁷J/kg，c_水=4.2×10³J/(kg·℃)）解析：首先，根据燃料完全燃烧放热公式Q_放=mq计算煤气放出的总热量。Q_放=m_煤气q_煤气=0.5kg×4.2×10⁷J/kg=2.1×10⁷J然后，根据效率计算水吸收的热量Q_吸=ηQ_放Q_吸=40%×2.1×10⁷J=0.4×2.1×10⁷J=8.4×10⁶J最后，根据Q_吸=cmΔt变形得m=Q_吸/(cΔt)，计算水的质量。m_水=Q_吸/(c_水Δt)=8.4×10⁶J/(4.2×10³J/(kg·℃)×50℃)=8.4×10⁶J/(2.1×10⁵J/kg)=40kg答案：放出的热量为2.1×10⁷J；能使40kg的水温度升高50℃。三、专题练习一、选择题1.下列实例中，属于利用内能做功的是（）A.冬天用热水袋取暖B.用酒精灯加热烧杯中的水C.燃气推动活塞使内燃机运转D.用双手相互摩擦取暖2.关于四冲程内燃机，下列说法正确的是（）A.四个冲程曲轴转两周，对外做功两次B.压缩冲程将内能转化为机械能C.做功冲程是内能转化为机械能的过程D.排气冲程之后是吸气冲程3.甲、乙两种燃料，甲的热值是乙的2倍，乙的质量是甲的2倍，若它们完全燃烧，则放出的热量之比Q_甲:Q_乙为（）A.1:1B.1:2C.2:1D.4:14.下列提高热机效率的措施中，不可行的是（）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而额外消耗的能量D.尽量增加热机的工作时间二、填空题5.汽油的热值是4.6×10⁷J/kg，它表示的物理意义是________________________。完全燃烧0.1kg的汽油，可以放出________J的热量。6.如图所示是汽油机工作时的某一冲程示意图，由图可知，该冲程是______冲程，在该冲程中，______能转化为______能。（此处假设有图，图中显示两气门关闭，火花塞点火，活塞向下运动）7.某柴油机的效率为30%，表示该柴油机工作时，________________________________占________________________的30%。若该柴油机完全燃烧2kg柴油，能对外做的有用功为________J。（q_柴油=4.3×10⁷J/kg）三、计算题8.质量为10kg的水，温度从20℃升高到100℃，需要吸收多少热量？如果这些热量由燃烧焦炭来提供，那么需要完全燃烧多少千克的焦炭？（不计热量损失，c_水=4.2×10³J/(kg·℃)，q_焦炭=3.0×10⁷J/kg）9.一台汽油机，活塞面积是50cm²，活塞行程是25cm，做功冲程燃气产生的平均压强为8×10⁵Pa，若飞轮的转速是2000r/min，求该汽油机的功率。（提示：先求燃气对活塞的平均压力，再求一个做功冲程中燃气对活塞做的功，然后根据飞轮转速求出单位时间内做功的次数，进而求出功率）四、参考答案与提示一、选择题1.C（解析：A、B是利用内能加热，D是机械能转化为内能，C是内能转化为机械能，属于利用内能做功。）2.C（解析：A选项，四个冲程曲轴转两周，对外做功一次；B选项，压缩冲程是机械能转化为内能；D选项，排气冲程之后是吸气冲程，形成一个循环。）3.A（解析：Q_甲=m_甲q_甲，Q_乙=m_乙q_乙，q_甲=2q_乙，m_乙=2m_甲，代入得Q_甲:Q_乙=(m_甲×2q_乙):(2m_甲×q_乙)=1:1。）4.D（解析：增加工作时间并不能提高用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出能量的比值。）二、填空题5.1kg的汽油完全燃烧放出的热量是4.6×10⁷J；4.6×10⁶。6.做功；内；机械。（解析：两气门关闭，火花塞点火，活塞向下运动，是做功冲程。）7.用来做有用功的能量；燃料完全燃烧放出的能量；2.58×10⁷。（解析：Q_放=mq=2kg×4.3×10⁷J/kg=8.6×10⁷J，W_有=ηQ_放=30%×8.6×10⁷J=2.58×10⁷J。）三、计算题8.解：（1）水吸收的热量Q_吸=c_水m_水(t-t₀)=4.2×10³J/(kg·℃)×10kg×(100℃-20℃)=4.2×10³J/(kg·℃)×10kg×80℃=3.36×10⁶J（2）不计热量损失，Q_放=Q_吸=3.36×10⁶J由Q_放=m_焦炭q_焦炭得m_焦炭=Q_放/q_焦炭=3.36×10⁶J/3.0×10⁷J/kg=0.112kg答：水需要吸收3.36×10⁶J的热量；需要完全燃烧0.112kg的焦炭。9.解：（1）活塞面积S=50cm²=50×10⁻⁴m²=5×10⁻³m²燃气对活塞的平均压力F=pS=8×10⁵Pa×5×10⁻³m²=4000N（2）活塞行程l=25cm=0.25m一个做功冲程中燃气对活塞做的功W=Fl=4000N×0.25m=1000J（3）飞轮转速n=