初中物理人教版九年级全册第2节 热机的效率一等奖课件ppt

人教版九年级物理 第十四章《内能的利用》

第2节  热机的效率

  精选练习

一、夯实基础 

 1. 把_____________，叫这种燃料的热值，单位是_______；燃料燃烧放出热量的计算公式为：______。

【答案】某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比；J/kg；Q放=qm。

【解析】把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫这种燃料的热值，单位是J/kg。

燃料燃烧放出热量的计算公式为：Q放=qm；（Q放是热量，单位是J；q是热值，单位是J/kg；m是质量，单位是kg).

2. 用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比，叫_______，热机的效率是热机性能的一个重要指标；目前热机的效率还比较低，在热机的能量损失中，_______带走的能量最多，设法利用这部分能量，是提高燃料利用率的重要措施。

【答案】热机的效率，废气。

【解析】用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比，叫热机的效率。热机的能量损失中，废气带走的能量最多。

3. 一台汽油机的热机效率为25%，表示的意义是热机用来做_________的那部分能量，在燃料完全燃烧放出的能量中占_________。 

【答案】有用功，25%。

【解析】一台汽油机的热机效率为25%，表示的意义是热机用来做有用功的那部分能量，在燃料完全燃烧放出的能量中占25%。

4. 热机效率_______(选填“能”或“不能”)达到100%。总体来说，目前提高热机效率的途径主要有两个：一是减小_________；二是________摩擦。 

【答案】不能；热损失，减小。

【解析】热机效率不能达到100%。总体来说，目前提高热机效率的途径主要有两个:一是减小热损失；二是减小摩擦。 

5.  “可燃冰”主要成分是甲烷，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，所以“可燃冰”是一种新型清洁能源。其中甲烷的热值为q甲烷=4.2×107J／m3，其物理意义是（    ）

A. 1J的甲烷完全燃烧能产生4.2×107 m3热量。

B. 4.2×107J的甲烷完全燃烧能产生1m3热量。

C. 1m3甲烷完全燃烧能产生4.2×107 J热量。

D. 4.2×107m3的甲烷完全燃烧能产生1J热量。

【答案】C

【解析】对于固体和液体，热值表达式用q=Q/m来表示，物理意义是单位质量的物质完全燃烧放出的热量。对于气体，热值表达式用q=Q/V来表示，物理意义是单位体积的燃料完全燃烧放出的热量。

甲烷通常以气态物质形态存在，其热值q甲烷=4.2×107J／m3，物理含义是：1m3甲烷完全燃烧能产生4.2×107 J的热量。

6．如图1是某内燃机工作时的能量流向图，该内燃机的热机效率是（　　）

A．25%       B．35%     C．40%    D．75%

【答案】B

【解析】用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比，叫热机的效率。

因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，

所以，由内燃机的能量流向图可得，内燃机的热机效率：

η=1﹣25%﹣40%=35%

7．关于热机的效率，下列说法正确的是（　　）

A．在做功同样多的情况下，热机的效率越高消耗的燃料越多

B．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高

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】B

【解析】A．热机的效率越高，做有用功与燃料完全燃烧放出的热量的比值越大，即在做功相同的情况下，消耗的燃料较少，或消耗相同的燃料，做功较多，故A错误。

B．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高，多用在重型机器上，故B正确；

C．热机的效率是有用功与燃料完全燃烧放出的热量的比值，热机的效率越高说明有用功占的比值越大；功率表示做功的快慢，功率越高说明做功越快，效率和功率是两个不同的物理量，二者之间没有必然联系，故C错误；

D．根据内燃机的能量流向，热机损失的能量中，废气带走的能量较多，故D错误。

故选B。

8．为了节约能源，需要提高热机的效率，下列措施不能提高热机效率的是（　　）

A．让燃料与空气混合充分，使燃料燃烧得比较完全

B．在设计与制造热机时要不断改进与创新，以减少能量的损失

C．尽量减少热机内部各部件间的摩擦

D．尽量增加热机的工作时间

【答案】D

【解析】①选项A、B、C：热机效率是指热机有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比．所以减少热量的损失可以提高热机的效率．所以使燃料充分燃烧、减少废气带走的热量、减少热机部件间的摩擦都可以减少热量的损失，提高效率．故ABC正确，不符合题意；

②增加热机的工作时间，并不能减少热量的损失，所以不能提高热机的效率，故D错误，符合题意．

9．2019年6月5日，我国首次用固体燃料运载火箭把“文昌物联一号”卫星成功送上太空。火箭发射时要选用热值　　的固体燃料（选填“大”或“小”），燃料的质量减少，热值　　（选填“变小”或“不变”）。

【答案】大；不变。

【解析】火箭发射时要选用热值大的固体燃料，因为热值大，完全燃烧相同质量时，可以放出更多的热量；

热值是燃料的特性，只与燃料的种类有关，与其质量、是否燃烧和燃烧是否充分无关，所以在燃料的质量减少时热值不变。

10. 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_________(精确到1%)。柴油机在吸气冲程吸入的物质是_________。(柴油的热值为3.3×107 J/kg) 

【答案】5.35%；　空气。

【解析】柴油完全燃烧放出的热量:Q放=mq=2.4 kg×3.3×107 J/kg=7.92×107 J;

柴油机的效率:

η=×100%=×100%=35%。

柴油机在吸气冲程中吸入的是空气。

11. 某汽油机的效率是35%，若在该汽油机内完全燃烧2 kg汽油，则放出_________J的热量，这些热量通过汽油机的转化，能对外做的有用功是_________J。(汽油的热值为5×107 J/kg) 

【答案】6.1×108；3.5×107

【解析】汽油完全燃烧时放出的热量: Q放=mq=2 kg×5×107 J/kg=108 J;

因为η=×100%，所以该汽油机能对外做的有用功为

W有用=ηQ放=35%×108 J=3.5×107 J。

12. 一台单缸四冲程柴油机，飞轮转速为3600转/分，该柴油机活塞1s对外做功____次。若其效率为40%，消耗5kg的柴油转化成的机械能是     J。（q柴油＝4.3×107J/kg）

【答案】30；8.6×107。

【解析】飞轮转速为3600转/分，则1s中飞轮转60转，在一个工作循环中做功一次，飞轮转两周，因此60转是30个工作循环，做功30次。

5kg的柴油完全燃烧时放出的热量为Q＝qm＝4.3×107J/kg×5kg＝2.15×108J，

转化的机械能为W＝ηQ＝40%×2.15×108J=8.6×107 J。

13. 某家用汽车重为1.5×104 N，以72 km/h的速度匀速直线行驶了0.5 h，消耗了汽油3 kg，其间汽车受到的阻力为车重的0.08。已知汽油的热值为4.6×107 J/kg。求:             

（1）汽车通过的路程。

（2）牵引力做功的功率。

（3）汽车发动机的效率。

【答案】不能；热损失，减小。

【解析】 (1)根据通过的路程    s=vt=72 km/h×0.5 h=36 km=3.6×104 m。

(2) 阻力f=0.08G=0.08×1.5×104 N=1200 N,

汽车匀速直线行驶，则牵引力F=f=1200 N,

牵引力做的功：W=Fs=1200 N×3.6×104 m=4.32×107 J;

牵引力做功的功率：

P===2.4×104 W。

(3)汽油完全燃烧产生的热量:

Q=m汽油q汽油=3 kg×4.6×107 J/kg=1.38×108 J,

汽车发动机的效率为

η=×100%=×100%≈31.3%。

二、巩固提高

14． 2016年8月我国发射了全球首颗量子卫星，为纪念墨子，这个全球首颗量子卫星被命名为“墨子号”。发射卫星和火箭常使用液态氢作为燃料，主要是因为液态氢具有（　　）

A．较小的密度 B．较大的比热容

C．较低的沸点 D．较高的热值

【答案】D

【解析】热值是指1千克的某种燃料完全燃烧后释放的能量，热值越大的燃料在完全燃烧相同质量的燃料时，释放出的热量越多，所以在选择火箭燃料时首先应该考虑燃料热值的大小．

发射卫星的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和其它燃料相比，可以释放出更多的热量，故D正确．

15. 某热机效率是40%，下列说法正确的是（     ）

A. 损失60%的能量中，被废气带走的能量占主要部分

B. 它每做100 J的有用功，消耗400J的内能

C. 它每做100 J的有用功，废气带走60J的内能

D. 热机做功越快，效率一定越高

【答案】A

【解析】用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比，叫热机的效率。热机效率是40%，表示用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比40%，而损失的能量是60%，在热机损失的能量中，废气带走的能量占主要部分，所以选A。

16. 一台汽油机工作时的功率为P，在t时间内用掉汽油的质量为m，如果汽油的热值是q，则这台汽油机的效率是_________，这段时间内做的额外功是_________。 

【答案】×100%；mq-Pt。

【解析】在t时间内汽油完全燃烧，能放出的热量:Q放=mq;

汽油机工作对外所做的功为有用功:W有用=Pt;

则η=×100%=×100%,

故W额外=Q放-W有用=mq-Pt。

17．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4.2×103J/（kg•℃），焦炭的热值为3.0×107J/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。

【答案】（1）3.36×106J；（2）1.5×107J；（3）22.4%。

【解析】知道水的质量、水的比热容和水的温度变化，根据Q吸=cm（t﹣t0）求出水吸收的热量；

知道焦炭的热值和质量，根据Q放=mq求出焦炭完全燃烧释放的热量；

水吸收的热量和焦炭完全燃烧放出热量的比值即为炉子烧水的效率。

（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=cm（t﹣t0）=4.2×103J/（kg•℃）×10kg×（100℃﹣20℃）=3.36×106J；

（2）0.5kg焦炭完全燃烧释放的热量：

Q放=mq=0.5kg×3.0×107J/kg=1.5×107J；

（3）炉子烧水的效率：

η=×100%=×100%＝22.4%。

18. 现代生活中最重要的交通运输工具——汽车，已走进我们的生活。

（1）某单缸汽油发动机汽缸的活塞面积是120cm2，做功冲程中活塞移动的距离是30cm，气体的平均压强是5×105Pa。汽油的热值是4.6×107J／kg，每次做功耗油0.2g，气体一次膨胀对活塞做的功是     J；若每次做功过程中汽油的90％完全燃烧，每次汽油燃烧放出的热量是      J；排气过程中，废气温度      ，内能      。

（2）汽油机的效率很低，主要原因之一是       带走了大量的能量。

【答案】（1）1800；8.28×l03；降低；减少。（2）废气；

【解析】本题综合考查功、热值、热机效率等知识点。

（1）气体一次膨胀对活塞的力

F＝pS＝5×105Pa×1.2×10-2m2＝6000J

气体一次膨胀对活塞做的功W＝Fs＝6000J×0.3m＝1800J

Q＝mq×90%＝0.2×10-3kg×4.6×107J/kg×90%＝8.28×103J

排气过程中，废气温度降低，同时内能减少。

（2）汽油机的效率很低的主要原因是废气带走了大量的能量。

19. 已知天燃气的热值为3.8×107J/m3，水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）。求：

（1）完全燃烧1.4×10-2m3天燃气放出多少热量?

（2）若某天燃气灶的效率为60%，则这些天燃气可将质量为3.8kg，初温为25℃的水加热到多少℃?（当地的大气压强为1标准大气压）

【答案】（1）5.32×105J；（2）45℃。

【解析】（1）天燃气放出热量：

Q放气=V气q气=1.4×10-2m3×3.8×107J/m3=5.32×105J

（2）水吸收热量：

Q吸水=Q放气×η=5.32×105J×60%=3.192×105J

水升高温度：

△t水===20℃

水的未温：t水=t0水+△t水=25℃+20℃=45℃

20. 如图3所示，某单缸四冲程汽油机的汽缸活塞面积为30 cm2，一个冲程活塞在汽缸中移动的距离是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1800周。当汽油机满负荷工作时(不计摩擦)，若1 min消耗汽油8 g，汽油的热值为4.6×107 J/kg，求:

(1)一个做功冲程中燃气对活塞做的功。

(2)该汽油机的效率。

【答案】（1）135 J；（2）33%。

【解析】 (1)活塞面积S=30 cm2=0.003 m2，由p=可得燃气对活塞的平均压力:

F=pS=9.0×105 Pa×0.003 m2=2700 N,

活塞移动的距离s=50 mm=0.05 m,

一个做功冲程中燃气对活塞做的功:

W=Fs=2700 N×0.05 m=135 J。

(2)曲轴每转两周对外做功一次，所以1 min转动1800周，要做功900次,

则1 min内所做的功:W总=W×900=135 J×900=1.215×105 J;

1 min消耗的汽油完全燃烧放出的热量:

Q放=mq=0.008 kg×4.6×107 J/kg=3.68×105 J,

汽油机的效率:

η=×100%=×100%≈33%。

21．2019年5月6日，聊城首批30辆氢燃料新能源公交车投放使用。氢燃料具有清洁无污染、效率高等优点，被认为是22世纪最理想的能源[c水＝4.2×103J/（kg•℃）；q氢＝1.4×108J/kg]。求：

（1）质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量；

（2）若这些热量全部被质量为200kg，温度为15℃的水吸收，则水升高的温度；

（3）某氢能源公交车以140kW的恒定功率做匀速行驶，如果0.3kg的氢燃料完全燃烧获得热量的焦耳数和公交车所做的功相等，则这些热量能让该公交车匀速行驶多长时间。

【答案】（1）.2×107J热量；（2）50℃；（3）300s。

【解析】（1）0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量：

Q＝mq＝0.3kg×1.4×108J/kg＝4.2×107J；

（2）水吸收的热量：Q吸＝Q放＝4.2×107J，

由Q吸＝cm△t得水升高温度：

△t＝Q吸/cm=4.2×107J/[4.2×103J/（kg•℃×200Kg]＝50℃；

（3）公交车所做的功：W＝Q放＝4.2×107J，

由P＝W/t得公交车行驶时间：

t＝W/P＝4.2×107J/1.4×105W＝300s。

22. 某物理兴趣小组的同学，用煤炉给10kg的水加热，同时他们绘制了如图5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）6×107J；（2）2.52×106J；（3）4.2％。

【解析】根据热值公式能直接求出煤完全燃烧产生的热量；由图像获得加热时间为6min，水的温度从20℃升高到80℃，也就是温度升高了60℃。根据吸热公式求水所吸收的热量；根据热效率公式求煤炉烧水时的热效率。

（1）煤完全燃烧产生的热量为

Q放=m煤q=2kg×3×107J/kg=6×107J

（2）水所吸收的热量为

Q吸=cm水∆t=4.2×103J/（kg·℃）×10kg×60℃=2.52×106J

（3）煤炉烧水时的热效率为

η=Q吸/Q放=（2.52×106J/6×107J）×100％=4.2％

23. 阅读下列材料，并解答问题：

“可燃冰”被视为21世纪的新型绿色能源。科学家估计，全球海洋底部可燃冰分布的范围约4000万平方公里，储量可供人类使用约1000年。我国南海海底存储着丰富的可燃冰资源，已经查明的储量相当于目前陆上石油、天然气资源量总数的三分之一。

可燃冰的主要成分是甲烷，1m3可燃冰可转化生成164m3的甲烷气体和0.8m3的水，已知甲烷气体的热值为3.6×107 J/m3。

桂林市新开通的301路公交车，使用LNG天然液化气为燃料，这种燃料的主要成分就是甲烷。

如果301路公交车满载乘客时总质量是6000kg，1m3可燃冰转化生成的甲烷气体完全燃烧产生的能量，可供公交车满载时以36km/h的速度匀速行驶1640min，行驶中公交车受到的平均阻力为车重的0.05倍，则这段时间内发动机的实际功率和效率各为多大？

【答案】6×104W；50%。

【解析】（1）1m3可燃冰转化生成的甲烷气体完全燃烧放出热量：

Q放＝q甲烷V＝3.6×107J/m3×164m3＝5.904×109J

由题知：t＝1640min＝9.84×104s

发动机的实际功率：

P＝＝＝＝6×104W

（2）由题知：v＝36km/h＝10m/s，公交车行驶路程：

s＝vt＝10m/s×9.84×104s＝9.84×105m，

又因车匀速行驶，所以汽车的牵引力：

F＝f＝0.05G车＝0.05mg＝0.05×6000kg×10N/kg＝3×103N，

牵引力做的有用功：

W有用＝Fs＝3×103N×9.84×105m＝2.952×109J，

发动机效率：η＝＝＝50%

24. 图6为四缸发动机工作原理：内燃机通过连杆把四个汽缸的活塞连在一根曲轴上，并使各汽缸的做功过程错开，在飞轮转动的每半周里，都有一个汽缸在做功，其他三个汽缸分别在做吸气、压缩和排气工作。

（1）发动机在做功冲程里，高温、高压的燃气推动活塞向下运动，对外做功，同时将             能转化为          能。

（2）有一台四缸发动机，其主要技术指标如下表所示。其中排量等于四个汽缸工作容积的总和，汽缸工作容积指活塞从上止点到下止点所扫过的容积，又称单缸排量，它取决于活塞的面积和活塞上下运动的距离（即冲程长）。转速表示每分钟曲轴或飞轮所转的周数。

①该发动机在1 s内做功        J，单缸排量V =       L。

②在每个做功冲程里，发动机做功W =          J。

（3）在做功冲程里，燃气对活塞所做的功可表示为W=pV，式中p表示燃气对活塞的压强，则

p=          Pa。（1 L=10-3 m3）

（4）图7为发动机在做功冲程中的示意图。下面给出了公式W = pV的证明，请将推导过程补充完整（要求各表达式均用S、l或p表示）：

设活塞的面积为 S，冲程长为 l，燃气对活塞的压强为p，求

①燃气对活塞的压力F；

②燃气对活塞所做的功W；

③又根据数学知识可知发动机的单缸排量V=            ，故W= p V。

【答案】（1）内；机械；（2）①1.2×105；0.5；②600。（3）1.2×106；（4）pS；Fl=pSl；Sl。

【解析】

（1）发动机在做功冲程里，将内能转化为机械能；

（2）①根据表中的技术指标数据，该发动机在1 s内做功

W=Pt=120000W×1s=1.2×105J；

单缸排量V1=V/4=2.0 L /4=0.5L；

②∵转速6000 r/min=100 r/s，而飞轮转动的每半周里，都有一个汽缸在做功，

∴1s内有2×100=200个做功冲程，

在每个做功冲程里，发动机做功W1=W/200=1.2×105J /200=600J

（3）∵燃气对活塞所做的功W=pV，

∴燃气对活塞的压强 p=W1/V1=600J/0.5×10－3 m3=1.2×106Pa；

（4）由所学压强、功公式和内燃机工作原理，结合图2可知，燃气对活塞的压力F= pS，燃气对活塞所做的功W=F l= pS l，而发动机的单缸排量V= Sl；

∴W= pS l = pV。