人教版九年级全册第1节 热机精品课时练习

课时14.2 热机效率（帮课堂）（原卷版）

【学习目标】

1.知道热值的概念；

2.会进行热值的简单计算；

3.了解热机效率的概念以及提高热机效率的途径；

4.会进行热机效率的简单计算。

【知识导图】

【基础知识】

知识点一、燃料的热值

1.燃料

（1）燃料的种类

燃料是指可燃烧的物质，根据不同标准，燃料可分为不同的种类，最常见的是按其物理状态分类。

（2）燃料燃烧时能量转化

燃料在燃烧时将化学能转化为内能。

2.燃料的热值

燃料种类很多，由于其燃烧成分不同，相同质量的不同燃料完全燃烧时放出的热量不同，在物理学上用“热值”来表示燃料燃烧的放热本领。

（1）热值：某种燃料完全燃烧放出的热量，与其质量的比值叫这种燃料的热值；用“q”表示。

（2）热值单位：J/kg。

（3）热值的物理意义：一、1kg某种燃料完全燃烧放出的热量就等于该燃料的热值；二、热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关。

（4）燃料燃烧放出的热量：热量：Q放  ＝qm；（Q放 是燃料放出的热量，单位是J；q是热值，单位是J/kg；m 是质量，单位是kg）

特别提醒

固体燃料、液体燃料的热值以“J/kg”为单位，而气体燃料的热值以“J/m3”为单位。因此Q放  ＝qm一般用于固体燃料和液体燃料放热的计算；Q放  ＝Vq一般用于气体燃料放出热值的计算，其中V为气体燃料的体积。

（5）对燃料热值的透析

特别提醒

（1）不是任何物质都有热值。热值是燃料的固有性质，如石块、铁块等非燃料物质没有热值；

（2）只有燃料放热时，才能用Q放  ＝qm或Q放  ＝Vq进行计算，不要将其与温度降低时的放热公式Q放=cm△t混淆。

常用燃料的热值

见下表：

【例1】关于热值和热机效率，下列说法正确的是（　　）。

A．使燃料燃烧更充分，可提高热机效率；

B．热机使用的燃料的热值越大，热机效率就越高；

C．1kg汽油在汽缸内燃烧放出的热量，就是汽油的热值；

D．火箭升空时燃料燃烧放出的热量全部转化为机械能

【例2】安全、清洁、方便的太阳能越来越受到人们的重视和广泛利用。如图所示，一太阳能热水器内装有质量为250kg，温度为20℃的水，在阳光照射一段时间后，水温升高到80℃。（水的比热容为4.2×103J/（kg•℃）、干木柴的热值为1.2×107J/kg）

（1）水吸收的热量是多少？

（2）这些能量相当于完全燃烧多少千克干木柴放出的热量？

知识点二、热机的效率

1.燃料的有效利用：用煤气灶、锅炉、煤炉等烧水时，燃料不能完全燃烧利用，具体原因是多样的。例如，燃料不能完全燃烧而损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量、灶体本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，水吸收的热量只占燃料燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是有效利用的部分。如图所示：

2.锅炉的效率

（1）锅炉是利用燃料或其他热源把水加热成热水或蒸汽的设备。锅炉包括锅和炉两部分，锅是指盛水的容器，炉是燃料燃烧的装置。

（2）提高锅炉燃料利用率的途径：一、让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；二、减少热量损失，如加大有效受热面积等。

3.内燃机中热量燃烧的能量流向图

4.热机效率

（1）定义：用来做有用功的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值。

（2）计算公式：

对热机而言，其中用来做有用功的能量Q有用等于热机对外的有用功W有用，故热机的效率公式又可写成：。

（3）物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是热机性能的一个重要指标。

（4）常见热机效率：蒸汽机6%-15%，汽油机20%-30%，柴油机30%-45%。

特别提醒：热机效率总小于1的原因

因为热机中用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的总能量的一部分，由于各种能量的损失和燃烧条件的限制，这部分能量一定小于完全燃烧放出总能量，所以有用功的能量与燃烧放出的总能量的比值必然小于1，即热机的效率一定小于1。

5.提高热机效率的主要途径

①改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧（将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之更充分燃烧）；

②减少各种热量损失（I. 加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量；II. 使用较好的保温材料，减少热损失）；

③在热机设计和制造上，采用先进的技术；

④保障良好的润滑，减少机械摩擦。

废弃能量的利用

在热机的能量损失中，废气带走的能量最多，所以设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的主要措施。例如，人们将发电厂蒸汽轮机排除的废气送入热电站进行供热，将废气中的能量甲乙利用，大大提高了热量的利用率。

【例1】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

【例2】已知天然气的热值为3.8×107J/m3，水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）。求：

（1）完全燃烧1.4×10-2m3天然气放出多少热量?

（2）若某天然气灶的效率为60%，则这些天然气可将质量为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）

【方法帮】

题型一：热值及其计算

【角度1】对热值的理解

★易错警示

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。从定义上看，热值是燃料的一种性质，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等无关。

【典例】下列说法正确的是（　　）。

A．以天然气为燃料，汽车发动机的效率可以达到100%；

B．尽量增大热机的功率，可以提高热机的效率；

C．燃料燃烧放出的热量越多，它的热值就越大；

D．热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧后放出的热量

【角度2】热值的相关计算

解答是要注意干木柴完全燃烧放出的热量完全被水吸收，从而建立等式关系Q放=Q吸。

【典例】完全燃烧0.35 kg干木柴放出的热量为_______J，假设这些热量全部被水吸收，能使_______kg水的温度升高50℃。( c水= 4.2×103J/(kg·℃)，干木柴的热值是1.2×107J/kg )

题型二：热机效率

【角度1】对热机效率的理解

对热机效率高的两种理解：

（1）当燃烧相同的燃料时，效率高的做的功多；

（2）当做的有用功相同时，效率高的消耗的燃料少。

【典例】下列关于热机效率的说法中正确的是（　　）。

A．蒸汽机的效率比内燃机高；

B．热机的功率越大，它的效率也一定越高；

C．用来做有用功的那部分能量跟燃料燃烧放出的能量之比叫热机效率；

D．用来做有用功的那部分能量跟燃料完全燃烧所放出的能量之比叫热机效率

【角度2】热机效率相关计算

【典例】使用清洁能源天然气有助于国家提出的2060年前实现碳中和的目标。小明同学用他家的天然气灶将质量为2kg，初温为15℃的水加热到95℃，水吸收的热量是_______J：若此过程的热效率为40%，则此过程消耗天然气_______m3。（水的比热容为4．2103J/（kg·℃），天然气热值为4.2107/m3）

【角度3】效率与功率

热机效率与功率的区别

【典例】下列关于热机效率的说法中正确的是（　　）。

A．蒸汽机的效率比内燃机高；

B．热机的功率越大，它的效率也一定越高；

C．用来做有用功的那部分能量跟燃料燃烧放出的能量之比叫热机效率；

D．用来做有用功的那部分能量跟燃料完全燃烧所放出的能量之比叫热机效率

题型三：热值、比热容与热机效率综合

（1）物质吸热时，利用比热容的概念计算吸收的热量；

（2）物质燃烧时，利用热值概念计算发出的热量；

（3）根据热机效率的概念计算待求物理量。

【典例】2020年5月13日，备受大家关注的“悬崖村”的村民们逐渐搬进位于凉山州昭觉县城的易地扶贫搬迁安置点，实现了“拎包入住”。易地扶贫搬迁安置户小强同学家里有一个容积为5L的水壶，水壶里装有3.5kg初温为50℃的水，他用家里的液化气炉具把水加热到70℃使用。（已知液化气的热值q＝4.9×107J/m3）求：

（1）烧水过程水吸收了多少热量？

（2）若实际使用了0.02m3的液化气，则该液化气炉具的效率是多少？

题型四：探究实验-燃料的热值

【典例】如图所示，甲、乙、丙图中的装置完全相同，燃料的质量是10g，烧杯内的液体质量和初温也相同。

(1)下列说法正确的是______；

A．比较不同液体的比热容，可以选择甲、丙两图

B．比较不同液体的比热容，可以选择乙、丙两图

C．比较不同燃料的热值，可以选择乙、丙两图

D．比较不同燃料的热值，可以选择甲、丙两图

(2)为了研究不同物质的吸热能力，利用其中两幅图进行实验，根据记录的数据作出了两种液体的温度随时间变化的图像，如图2所示：

①加热10min，a液体吸收的热量______（选填“大于”、“小于”或“等于”）b液体吸收的热量；

②由图可以看出，在沸腾前，升高相同的温度，液体______时间较长，液体______的比热容大；

③如果已知b液体的比热容是1.8×103J/(kg·℃)，则a液体的比热容是______J/(kg·℃)。若要在a、b中选择某种液体作为冷却液，应选用______。

【中考帮】

考点一：对热值的理解

【典例】（2022·湖北宜昌）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

中考考题要求同学们理解燃料热值的概念，能从热值的角度认识燃料燃烧放热以及对相关概念的理解。这是物理核心素养的物理概念的体现。

考点二：热效率的计算

【典例】（2022·云南省）顺口溜“五月五、过端午、蒸粽子、吃包子、挂菖蒲、佩香囊、赛龙舟”，生动的呈现了某地端午文化习俗。蒸粽子是利用水沸腾产生的蒸气进行加热。若将2.5kg的水加热到沸腾，水温升高了80℃，[c水=4.2×103J/（kg·℃），q煤=3×107J/kg]，在此过程中，求：

（1）水吸收的热量；

（2）采用煤炉加热，煤炉加热水的效率为10%，煤燃烧放出的热量；

（3）需要完全燃烧煤的质量。

中考考题要求同学们能应用燃料燃烧放热公式计算燃料放出的热量，利用比热容公式计算物质吸收的热量，并利用热转换效率进行相关计算。

【作业帮】

一、基础练（知识巩固）

1.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械能；

D．摩擦起电是把电能转化为机械能

2．2018年4月2日，天宫一号圆满完成预定任务后返回地球。8.5t重的天宫一号，在100km左右的高空以约22倍音速再入大气层。其中部分器件在大气层中与大气层摩擦烧蚀销毁。最后大约1.5t残骸坠入南太平洋。在这个过程中，天宫一号的部分机械能（　　）。

A．通过热传递转化为大气的内能；  B．通过重力做功转化为大气的内能；

C．通过摩擦做功转化为大气的内能；D．通过重力做功转化为残骸的内能

3．如图是某内燃机能量流向图，该内燃机的热机效率是（　　）。

A．25%   B．40%  C．75%    D．35%

4.（2020·枣庄）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

5.关于热机，下列说法中错误的是（   ）。

A．汽油机的效率高于蒸汽机的效率；

B．汽油机顶部有喷油嘴，柴油机顶部有火花塞；

C．热机功率越大，它做功越快；

D．热机效率越高，它将内能转化为机械能的比例越大

6.汽车汽油机是由四个冲程的不断循环来保证连续工作的，其中由机械能转化为内能的是            冲程。已知汽油的热值为4.6×107J/kg，2kg汽油完全燃烧时释放的热量为　   　J。已知汽车防冻液的比热容为4.2×103J/（kg•℃）。某汽车中的防冻液从90℃冷却到20℃的过程中，放出的热量为2.94×106J，则该汽车中防冻液的质量为　   　kg。

若某型号单缸四冲程汽油机的活塞面积取S=3.0×10-3m2，活塞冲程长度为L=5cm，做功冲程燃气的平均压强为p=1.0×106Pa，活塞以n=2400r/min作往复运动，汽油机往复运动两次，对外做功一次。

(1)汽油机在此工作状态下的功率是多少？

(2)如果此工作状态下每分钟消耗20g汽油，那么汽油机把内能转化为机械能的效率是多少？（保留一位小数，q汽=4.6×107J/kg、不计摩擦）

二、综合练（能力提升）

7.（2022·四川南充）用某型号天然气热水器烧水，完全燃烧热值为3.2×107J/m3的天然气0.125m3，放出热量________J；若该热水器的加热效率为84%，则能将40kg初始温度为20℃的水加热至________ ℃，水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)。

8.（2022·湖南郴州）热水器将质量为20kg、温度为15℃的水加热到65℃，消耗天然气0.15m3，在此过程中水吸收的热量是______J，热水器的热效率是______。[c水=4.2×103J/（kg·℃）；q天然气=3.2×107J/m3]

9.（2022·江西省）如图所示，某同学用燃气灶烧水给餐具消毒。已知密闭锅内水的质量为5kg，水的初温为22℃，当水刚好烧开时，共消耗了0.06m3的天然气，该燃气灶烧水的热效率为70%。[水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，天然气的热值为4.0×107J/m3]求：

（1）0.06m3的天然气完全燃烧所放出的热量；

（2）以上过程中，水吸收的热量；

（3）密闭的锅内水烧开时的温度。

三、培优练（挑战自我）

10.（2022·陕西省）今年“五一”假期，广大市民按照疫情防控要求，积极响应“非必要不离市”号召，在郊区、公园指定区域进行户外活动。小刚同学家购买了一款如图-1所示户外分体式燃气炉，准备去户外野炊。该燃气炉的铭牌如图-2所示，其中功率4500W是指气体燃料完全燃烧时燃气炉每秒放出4500J的热量。

（1）气体燃料在常温下是通过______的方式液化存储在储气罐内，使用过程中，罐体温度变低是因为燃料发生汽化时要___________（选填“吸收”或“放出”）热量；

（2）在标准大气压下，用该燃气炉将1L水从25℃加热到沸腾用时140 s，燃气炉烧水时的效率是多少？已知水的密度为1.0×103kg/m3，水的比热容为4.2×103J/(kg⋅℃)；___________；

（3）小刚注意到炉头上标有参数：15字样，他查阅说明书得知，该参数表示的是：燃气炉功率[单位：瓦（W）]与耗气量[单位：克/时（g/h）]之比的数值为15，计算该燃气炉所使用燃料的热值是多少？___________；

（4）小刚同学打算展示在劳动课上学习的烹饪技能，为家人做顿可口饭菜，下表是他出发前做的规划，则小刚至少应携带几个如图-3所示的新储气罐？___________。

11.某同学学习了燃料的热值后，自己设计了一个实验来探究煤油和菜籽油的热值大小关系，他实验时组装了如图所示的两套规格完全相同的装置，并每隔1分钟记录了杯中水的温度（见表）。

（1）在安装、调整实验器材时，科学合理的顺序是（甲图中）：先调整固定______的位置，再调整固定______的位置。（填“A”或“B”）

（2）为保证实验结论的可靠，实验时应控制两套装置中相同的量有加热时间和水的______。

（3）通过表中记录的数据，你认为煤油和菜籽油两种燃料中，热值较大的是______。

（4）该同学实验前用天平测出了烧杯中水的质量及两油灯中燃料的质量，并利用记录的数据、公式Q吸＝cm（t－t0）计算出了水吸收的热量，他认为通过这些数据能准确地计算出煤油和菜籽油的热值。你认为他的计算结果可靠吗？______，为什么？______。

12.（2022·山东临沂）为保障今年夏粮丰收增产，我市部分县区利用植保无人机对小麦开展“一喷三防”喷洒作业。如图所示。某品牌植保无人机，加满农药和汽油后总质量为20kg，底部支架与水平地面的接触面积为50cm2。在某次喷洒作业中，该无人机以5m/s的水平速度匀速喷洒3min，消耗汽油100mL。已知汽油的密度为0.71×103kg/m3，其热值为4.6×107J/kg，g取10N/kg，求无人机：

（1）起飞前对水平地面的压强；

（2）3min内飞行的水平路程；

（3）3min内消耗的汽油完全燃烧放出的热量。

13.（2022·四川成都B）小叶看见面点师傅将面拉成长条，放入滚烫的油中就炸出了香脆可口的油条，于是很想了解油的吸热能力。在老师指导下，他用酒精灯分别加热质量为50g、初温为20℃的油和水，记录的相关数据如下表所示。若单位时间内油吸收的热量与水吸收的热量相等，酒精的热值为3×107J/kg，水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)。下列说法正确的是(　　)。

A. 2min内油吸收的热量为3×104J；

B. 他使用的酒精灯的加热效率为21%；

C. 油的末温比水的高，所以吸热能力更强；

D. 油的吸热能力与其吸收的热量多少有关