2020-2021学年九年级物理03热机热机效率和能量的转化与守恒考点剖析同步专题剖析2含解析新版教科版

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专题4热机、热机效率和能量的转化与守恒考点剖析（2）‎ 知识点五：热机的效率 ‎1.热机的效率：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，叫做热机的效率。‎ ‎2.公式：（适用于液体、固体）、（适用于气体）‎ 公式 公式物理量的含义 燃料的利用率 炉子烧水的效率 ‎（以水作为代表的一类液体）‎ 水吸收的热量：；燃料完全燃烧时放出的热量：‎ 热机的效率 汽车做的有用功：；汽油完全燃烧放出的热量为：‎ ‎3.“三率”的区分及计算 要点归纳：‎ ‎（1）热机的效率总小于1，即燃料燃烧释放的热量不可能100%用来做有用功。‎ 由于热机在工作过程中，总有能量损失，即总小于，所以热机的效率总小于1。通常情况下，蒸汽机的效率为6%——15%，汽油机的效率为20%——30%，柴油机的效率为30%——45%，柴油机的效率大于汽油机主要是因为柴油机在压缩冲程中压缩比比汽油机的大。‎ ‎（2）效率高低的含义表示的是有用功占总功的比值大，或者是燃料的利用率高，不能代表功率大，或总功多，或有用功多等 ‎（3）效率小于1的原因是：在燃料过程中①燃料未完全燃烧；②废气带走了很大一部分热量；③克服摩擦做功；④一部分热量消耗在散热上。‎ ‎（4）提高效率的举措：①让燃料充分燃烧；②把固体磨成粉；③加大送风量；④加大受热面积，减少烟气带走的热量；⑤将废气热量再次利用；⑥加润滑油。‎ 对于燃料来说，热值是燃料优劣程度的体现，热值高的燃料，为优质燃料，热值低的燃料，为劣质燃 9‎ 料。‎ ‎4.内燃机燃料燃烧能量走向图 关于是否要考虑热量损失的解释：在燃料燃烧过程中，因为有大量的热量损失，所以要考虑热量损失，也就是效率不可能为100%，但是在考虑对水加热时，燃料释放的热量全部被水吸收了，没有热量损失。在效率公式中，100%这个可写可不写 知识点六：提高热机效率的主要途径 ‎①使燃料充分燃烧，让块状物变成颗粒或粉末，增大与空气的接触面积。‎ ‎②尽量减少各种热量损失。‎ ‎③在热机的设计和制造上，采用先进的技术。‎ ‎④使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整各零件之间的间隙，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的功。‎ 知识点七：各种形式的能量之间相互转化 ‎1.光能→内能：晒东西会晒烫 ，太阳能热水器 ‎2.光能→机械能：太阳帆、用强光照射物体使之膨胀做功 ‎3.光能→电能：太阳能电池 、硅光电池 ‎4.光能→化学能：光合作用 ‎ ‎5.机械能→内能：摩擦生热、钻木取火、内燃机的汽缸的压缩冲程、自行车骑久了车胎发热、跑步可以使身体变暖、打气筒打气气筒变热、锯木头。‎ ‎6.机械能→光能：手摇发电机 ‎7.机械能→电能：水坝发电、风车发电 ‎ ‎8.机械能→化学能：在一个存在二氧化硫、三氧化硫和氧气的密闭容器中，用外力压缩容器，化学平衡向生成二氧化硫和氧气的方向移动。机械能转化为二氧化硫和氧气的化学能 ‎ ‎9.电能→内能：电热炉 9‎ ‎10.电能→光能：电灯 ‎ ‎11.电能→机械能：启动机、电动机工作 ‎12.电能→化学能：给蓄电池蓄电 ‎ ‎13.化学能→内能：浓硫酸稀释放热 ‎ ‎14.化学能→光能：镁燃烧发出强光、萤火虫发光 ‎15.化学能→机械能：炸药爆炸 ‎16.化学能→电能：电池放电 、干电池做电源 ‎17.内能→光能：电灯泡钨丝发热后会发光 ‎ ‎18.内能→机械能：火力发电、蒸汽机 ‎ ‎19.内能→电能：火力发电 ‎ 能量的转化：能量的转化是伴随物体做功而表现出来的，能量的形式发生可变化。如打铁时，铁块温度升高，内能增加，是通过做功的方法使机械能转化为内能的。再如，电炉发热，是电流做功使电能转化为内能的，一种形式的能增加了，则另外一种形式的能必然就减少了。‎ 能量的转移：能量的转移是指同一种能量从一个物体转移到另外一个物体，或从物体的一个部分转移到物体的另一个部分，在转移过程中，能量的形式并没有发生改变。如热传递时内能从高温物体转移到低温物体。再如流水推动水轮机转动，水的机械能转移到水轮机上了。‎ ‎【例题】‎ ‎①洗衣机工作时，电能主要转化为机械能（）‎ ‎②汽车匀速下坡时，重力势能转化为动能（）‎ ‎③绿色植物光合作用时将光能转化为化学能（）‎ ‎④太阳能电池将太阳能转化为电能（）‎ 知识点八：能量守恒定律 9‎ 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另外一种形式，或从一个物体转移到另外一个物体，而在转移和转化过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律。‎ 注意：从热传递的角度来说，能量是转移，从做功的角度来说，能量是转化。‎ 能量守恒的普遍性：‎ 能量守恒是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。这个定律与细胞的发现、进化论一起被恩格斯誉为19世纪自然科学的三大发现。大到天体，小到原子核，无论是物理学的问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有的能量转化的过程，都服从能量守恒定律。能量守恒定律是人类认识自然、利用自然、保护自然的有力武器。‎ 机械能守恒与能量守恒的区别 ‎①机械能守恒是有条件的——没有能量损失或额外的能量来补充。因为机械能守恒是指一个物体如果只存在着动能和势能之间的转化时，机械能的总量保持不变。如果除此之外还存在着能量的转化过程，则说明有机械能与其他形式的能之间的转化，机械能的总量发生改变，机械能不再守恒。‎ ‎②能量守恒定律的成立不需要条件。这是因为能量转化形式是多样的，可以在机械能、内能、化学能、电能、光能、原子能间相互转化，不限于动能和势能之间。在转化过程中，一种形式的能量减少了，另一种形式的能量必然增加，能量的总量保持不变。‎ 能量守恒定律的应用 能量转化和转移是整个自然界中能量的转化和转移，不是局部的。在分析有关现象时，要整体考虑，防止得出片面的结论。如在密闭的房间里吹风扇，人会感到凉爽，但室温并没有降低。人感到凉爽的原因是风扇吹出来的风加快了人体表面汗液的蒸发，而蒸发吸热，所以人感到凉爽;而从总体上来看，电风扇转动的过程是电流做功的过程，电流做功的过程中有一部分电能转化为内能，所以室内温度不仅不会降低反而会升高。‎ ‎1.（2019·全国初三单元测试）长征二号PT2运载火箭选用液态氢做燃料，主要是因为液态氢的_____高；火箭外表涂有一层特殊物质，可利用该物质在发生物态变化时要_____热，从而避免高速运行的火箭温度过高.‎ ‎【答案】热值吸 ‎【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氢时，可以释放出更多的热量；‎ 为保证火箭安全，箭体上涂有一层特殊固体物质，在高温下先熔化，再汽化，因为熔化、汽化时要吸收 9‎ 大量的热，这样箭体的温度就不会太高；‎ ‎2.（2020·全国初三单元测试）用凉水冷却滚烫的鸡蛋，鸡蛋的温度降低，内能减少，这是通过_____方式改变鸡蛋的内能；如果水的质量是1kg，初温为20℃，鸡蛋取出时水温为30℃，水吸收的热量是_____J.[C水=4.2×103J/（kg•℃）]‎ ‎【答案】热传递 4.2×104‎ ‎【解析】改变物体内能的方法有做功和热传递两种，用凉水冷却滚烫的鸡蛋，这是用热传递的方法改变鸡蛋的内能；‎ 水吸收热量Q吸＝cm（t－t0）=4.2×103J/（kg·℃）×1kg×（30℃－20℃）=4.2×104J.‎ ‎3.（2019·全国初三单元测试）菲菲家的下水道堵了，爸爸用固体疏通剂进行疏通。具体操作是，先将适量的疏通剂倒入下水道，再缓慢加入清水，疏通剂与水发生化学反应生成具高温高压气体，通过高温高压气体的膨胀将管道疏通。在疏通剂与水的化学反应过程中，能量的转化情况是__________，高压气体疏通管道的过程相当于四冲程汽油机的________冲程。‎ ‎【答案】化学能转化为内能做功 ‎【解析】[1]疏通剂与水发生化学反应生成高温高压气体的过程中，化学能转化为气体的内能；‎ ‎[2]高温高压气体的膨胀将管道疏通的过程，是将内能转化机械能的过程，与四冲程汽油机的做功冲程类似。‎ ‎4.（2019·全国初三单元测试）人们常用水给汽车发动机降温，这是因为水的_________较大.“奋进”号航天飞机用液氢作燃料，这是因为液氢的__________较大.‎ ‎【答案】比热容热值 ‎【解析】（1）单位质量的物质温度每升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量为该物质的比热容，水的比热容大，相同质量的水和其它物质比较，升高或降低相同的温度，水吸收或放出的热量多；‎ ‎（2）1kg某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值，航天飞机用氢作燃料，这是因为氢的热值较大，相同质量的氢和其它燃料相比，氢完全燃烧放出的热量多.‎ 解答：解：（1）因为水的比热容较大，相同质量的水和其它物质比较，升高相同的温度，水吸收的热量多，所以常用水给汽车发动机降温；‎ ‎（2）因为氢的热值较大，相同质量的氢和其它燃料相比，氢完全燃烧放出的热量多，所以航天飞机用氢作燃料.‎ ‎5.（2018·全国初三单元测试）内燃机一个工作循环有吸气、压缩、做功、排气四个冲程，实现将内能转化为机械能的是____冲程，选择水作为发动机的冷却液，是利用水的______较大的特点.‎ 9‎ ‎【答案】做功比热容 ‎【解析】内燃机的四个冲程中，实现将机械能转化成内能的是压缩冲程；实现将内能转化为机械能的是做功冲程；由于水比热容最大，所以相同质量的水和其他液体相比较，在升高相同的温度的情况下，水吸收的热量多，故用水做冷却液.‎ ‎6.（2018·全国初三单元测试）在研究水的升温特性过程中，小芳在烧杯中注入200 g的水，用酒精灯给烧杯加热，在水温由20 ℃上升至100 ℃的过程中，水的内能增加了________J，水吸收的热量________(选填“大于”“小于”或“等于”)酒精燃烧所放出的热量.[水的比热容c水＝4.2×103J/(kg·℃)]‎ ‎【答案】6.72×104　小于 ‎【解析】水吸收多少热量，也就增加多少内能.水吸收的热量：‎ Q吸=cm（t-t0）=4.2×103J/（kg•℃）×0.2kg×（100℃-20℃）=6.72×104J；‎ 由于支架、烧杯等均吸收热量，还有部分热量要散失到空气里，所以真正被水吸收的热量小于酒精燃烧放出的所有热量.‎ ‎7.（2018·全国初三单元测试）如图所示试管内水蒸气将塞子推出的过程，水蒸气的________能转化为塞子的机械能.四冲程汽油机工作过程中的________冲程与上述能量转化过程相同.‎ ‎【答案】内做功 ‎【解析】试管内水蒸气将塞子推出的过程中对塞子做功，水蒸气的内能减少转化为塞子的机械能，四冲程汽油机的四个冲成为：吸气冲程，压缩冲程，做功冲程，排气冲程；做功冲程中高温高压气体推动活塞运动，对活塞做功，内能转化为机械能，与上述能量转化过程相同.‎ ‎8.（2019·全国初三单元测试）某物理兴趣小组的同学，用煤炉给10kg的水加热，同时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6min内完全燃烧了0.2kg的煤，水的比热容为4.2×103J/（kg.℃），煤的热值为3×107J/kg.煤完全燃烧产生的热量________J；在烧水过程中，________热效率最高（选填“0～2min”、“2～4min”或“4～6min”），其值为________.‎ 9‎ ‎【答案】6×106 0～2min 63% ‎ ‎【解析】煤油完全燃烧产生的热量；从图像看出在0—2分钟时，热效率最高；热效率.‎ ‎9.（2018·全国初三单元测试）某品牌太阳能热水器的容积为100L，其装满水后在太阳的照射下水温从20℃的升高到40℃，不计热量的散失.‎ ‎（1）求热水器中的水吸收的热量.［水的比热容c=4.2×103J/(kg.℃) ］‎ ‎（2）要完全燃烧多少体积的煤气可以产生相同的热量?（煤气的热值q=4.0×107J/m3）‎ ‎【答案】（1）8.4×106J （2）0.21 m3‎ ‎【解析】（1）水的质量 m=ρV=103kg/m3×100×10-3m3=100kg 水吸收的热量 Q吸=cm(t-t0)= 4.2×103J/(kg.℃) ×100kg×(40℃-20℃) = 8.4×106J ‎（2）根据Q吸= Q放，Q放=qV，得到 V= = ==0.21m3‎ 答：（1)求热水器中的水吸收的热量是8.4×106J；‎ ‎(2)要完全燃烧0.21 m3 的煤气可以产生相同的热量。‎ ‎10.（2020·四川省绵阳外国语学校初三单元测试）工作人员采取了部分页岩气样品，经初步检测该页岩气样品中的天然气含量为90%，为了确定其中是否还含有其它可燃性成分，现在在实验室进一步对其进行热值测试：假设所取样品气体的体积为1L，用它烧水，使得1kg的水温度升高了5℃，已知检测所用的烧水炉的效率为70%，天气的热值为4.0×107J/m3.请根据以上信息计算：‎ ‎（1）检测过程中，水吸收的热量是多少？‎ ‎（2）检测过程中，页岩气样品所释放的热量是多少？‎ 9‎ ‎（3）该页岩气样品的热值为多少？‎ ‎【答案】；；‎ ‎【解析】（1）水吸收的热量为：‎ ‎； （2）页岩气样品所释放的热量为；‎ ‎； （3），所以该页岩气样品的热值：‎ ‎.‎ ‎11.（2020·全国初三单元测试）图是某太阳能热水器，向其中注入50 kg的水，阳光照射一段时间后，水温从10℃升高到50℃.水的比热容是4.2×103J／（kg·℃）.试求：‎ ‎（1）这段时间该热水器中的水吸收的热量是多少? ‎ ‎（2）如果这段时间该太阳能热水器接收到太阳辐射的热量是2.8×107J，则这段时间该热水器的效率是多少?‎ ‎（3）若用煤燃烧来提供2.8×107J的热量，需完全燃烧多少千克煤? （煤的热值约为3.5×107J／kg）‎ ‎【答案】(1) 8.4×106 J；(2) 30%；(3) 0.8 kg ‎【解析】（1）水吸收的热量：Q吸=cm（t-t0） 代入数据Q吸=4.2×103J/（kg•℃）×50kg×（50℃-10℃）=8.4×106J. （2）热水器的效率：; ‎ ‎（3）由题意得，煤完全燃烧放出的热量Q放=Q=2.8×107J， 由Q=mq得需完全燃烧煤的质量：.‎ ‎12.（2020·全国初三单元测试）某物理兴趣小组的同学，用煤炉给10kg的水加热，同时他们绘制了如 9‎ 图所示的加热过程中水温随时间变化的图线.若在6min内完全燃烧了0.2kg的煤，水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），煤的热值约为3×107J/kg.求：‎ ‎（1）煤完全燃烧产生的热量；‎ ‎（2）经过6min时间加热，水所吸收的热量；‎ ‎（3）煤炉烧水时的热效率.‎ ‎【答案】(1) 6×106J；(2) 2.52×106J；(3) 42%.‎ ‎【解析】（1）煤完全燃烧产生的热量：Q放=mq=0.2kg×3×107J/kg=6×106J；‎ ‎（2）由图可知，经过6min时间加热后，水温由20℃达到80℃，水温升高了：△t=60℃，则水吸收的热量：Q吸=cm△t=4.2×103J/(kg•℃)×10kg×60℃=2.52×106J；‎ ‎（3）煤炉烧水时的热效率：η=×100%=×100%=42%.‎ ‎13.（2020·全国初三单元测试）天然气是城市居民日常生活中重要的能源，它具有热值高、污染小的优点。已知天然气的热值q=7×107J/m3，水的比热容c=4.2×103J/(kg•℃）。求：‎ ‎（1）体积为0.1m3的天然气完全燃烧放出的热量是多少？‎ ‎（2）若这些热量的60%被质量为100kg，初温为20℃的水吸收，则水升高的温度是多少？‎ ‎【答案】（1）7×106J；（2）10℃‎ ‎【解析】(1)由Q放=Vq知道，完全燃烧0.1m3天然气放出的热量是 Q放=Vq=0.1m3×7×107 J/m3 =7×106 J ‎(2)根据题意知道，水吸收的热量是 Q吸=ηQ放=60%×7×106 J=4.2×106 J 由Q吸=cmΔt知道，水升高的温度是 Δt===10℃‎ 9‎