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初中人教版第2节 热机的效率课时训练
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这是一份初中人教版第2节 热机的效率课时训练，共15页。试卷主要包含了2 热机的效率，燃料燃烧过程中的能量转化，燃料的热值，定义，提高热机效率的主要途径，3×109；30000等内容，欢迎下载使用。
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知识点一：燃料的热值
1.燃料燃烧过程中的能量转化：燃料燃烧是一种化学反应，燃烧过程中，储存在燃料中的化学能被释放，物体的化学能转化为周围物体的内能。
2.燃料的热值：
①意义：不同的燃料燃烧时放出能量的本领不同，在物理学中就用热值来表示燃料燃烧时放热本领的大小。
②定义：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。用符号“q”表示。③热值的单位 J/kg ，读作焦耳每千克。还要注意，气体燃料有时使用J/m3，读作焦耳每立方米。
知识点二：热机效率
1.燃料的有效利用：影响燃料有效利用的因素：a燃料不完全燃烧，b燃料散失很多，只有少部分被利用。
2.热机的能量流图：如图所示是热机的能量流图：由图可见，真正能转变为对外做的有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分。
3.定义：用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值，称为热机效率。
4.公式：η= E有/Q放。式中，E有为做有用功的能量；Q放为燃料完全燃烧释放的能量。
5.提高热机效率的主要途径：
①改善燃烧环境，使燃料尽可能充分完全燃烧，提高燃料的燃烧效率。
②尽量减小各种热散失。
③减小各部件间的摩擦以减小因克服摩擦做功而消耗的能量。
④充分利用废气带走的能量，从而提高燃料的利用率。
重点难点解读
一、在学习热值的概念时，应注意以下几点
①“完全燃烧”是指燃料全部燃烧变成另一种物质。
②强调所取燃料的质量为“lkg”，要比较不同燃料燃烧本领的不同，就必须在燃烧质量和燃烧程度完全相同的条件下进行比较。
③“某种燃料”强调了热值是针对燃料的特性与燃料的种类有关。
④燃料燃烧放出的热量的计算：一定质量m的燃料完全燃烧，所放出的热量为：Q=mq，式中，q表示燃料的热值，单位是J/kg；m表示燃料的质量，单位是kg；Q表示燃烧放出的热量，单位是J。
⑤若燃料是气体燃料，一定体积V的燃料完全燃烧，所放出的热量为：Q=qv，式中，q表示燃料的热值，单位是J/m3；V表示燃料的体积，单位是m3；Q表示燃烧放出的热量，单位是J。
二、求解热机效率的思维路径
（1）在大脑中要知道用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值，称为热机效率。
（2）根据题意研究燃料完全燃烧释放的能量Q放 =mq，做有用功的能量W有。
（3）若用W有为做有用功的能量；Q放为燃料完全燃烧释放的能量。则求解热机效率就可以写成数学表达式
η= W有/Q放。
注意：燃料不充分完全燃烧、各种热散失、各部件间的摩擦以减小因克服摩擦做功而消耗的能量、废气带走的能量都是属于无用功的能量。
对点例题解析
知识点一：燃料的热值
【例题1】假如完全燃烧0.2m3天然气放出的热量全部被100kg初温为25℃的水吸收，可以使水的温度升高到________℃[已知c水＝4.2×103J/（kg•℃），q天然气＝4.2×107J/m3]。
【答案】 45
【解析】利用燃料完全燃烧放热公式Q放=mq求放出的热量；再由Q放=Q吸=cm△t得到水升高的温度.
完全燃烧0.2m3天然气放出的热量：
Q放＝V天然气q＝0.2m3×4.2×107J/kg＝8.4×106J；
根据Q吸＝cm△t＝Q放可知，
水温度升高值：
△t＝ Q吸/cm＝20℃，
水的末温度为：t＝t0+△t＝25℃+20℃＝45℃。
知识点二：热机效率
【例题2】用液化气灶烧水，把1.5kg初温为20℃的水加热到100℃，需要吸收的热量为 J．若上述过程中完全燃烧了0.021kg液化气，且只有60%的热量被水吸收，则液化气的热值为 J/kg。[c水＝4.2×103J/（kg•℃）]
【答案】5.04×105；4×107。
【解析】（1）水吸收的热量：
Q吸＝cm△t＝4.2×103J/（kg•℃）×1.5kg×（100℃﹣20℃）＝5.04×105J；
（2）由题知，Q吸＝Q放×60%＝m液化气q×60%，
需要液化气的体积：
q液化气＝＝＝4×107J/kg。
达标训练题
1.1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫_______。单位是J/kg。燃料燃烧放出热量的计算公式为：______。
【答案】热值。Q放=qm
【解析】1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫热值。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。在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料______的重要措施。
【答案】热机的效率。利用率。
【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。热机的效率是热机性能的一个重要指标。在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。
3.我国长征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】（1）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；（2）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、汽化时要吸收大量的热，这样箭体的温度就不会太高。
4.“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来呈现。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来呈现。物理意义是单位体积的物质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，含义是1m3甲烷完全燃烧能产生4.2×107 J热量。
一、选择题
1.某载重汽车自重12t，车轮与地面的总接触面积为0.5m2，汽车以72km/h
的速度在平直公路上匀速行驶时，柴油发动机的功率为210kW，每行驶43s消耗柴油700g，柴油的热值为4.3×107J/kg。下列说法中（ ）
①完全燃烧700g柴油放出的热量为3.01×109J
②该柴油发动机效率为30%
③汽车的牵引力为1.05×104N
④若公路所能承受的最大压强为8×105Pa，汽车最多能装载40t的货物
A.只有①②正确B．只有③④正确C．只有①③正确D．只有②③正确
【答案】D
【解析】①完全燃烧700g干木柴放出的热量：Q放＝m柴油q＝0.7kg×4.3×107J/kg＝3.01×107J，故①错误；
②柴油发动机做功：W＝Pt＝210×103W×43s＝9.03×106J，柴油发动机的效率：
η＝×100%＝×100%＝30%，故②正确；
③汽车速度：v＝72km/h＝72×m/s＝20m/s，由P＝＝＝Fv得，汽车的牵引力：
F＝＝＝1.05×104N，故③正确；
④由p＝得，公路所能承受的最大压力：F＝pS＝8×105Pa×0.5m2＝4×105N，汽车与货物的质量之和：m总＝＝＝＝4×104kg＝40t，汽车最多能装载货物质量：m＝m总﹣m车＝40t﹣12t＝28t，故④错误。
综上，①④错误，②③正确。
2．如图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】燃料燃烧的内能减去机械自身消耗能量和废气带走能量的百分比，即为获得有用机械能的百分比，也就是该内燃机的热机效率。
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%
二、填空题
3．利用先进工艺和科学方法，可以使垃圾变废为宝。若从1吨垃圾中能提炼出140kg燃料油，燃料油的热值为4.5×107J/kg，则这些燃料油完全燃烧时释放出的热量为 J，这些热量可以使 kg的水温度升高50℃．[水的比热容为4.2×103J/（kg•℃）]
【答案】6.3×109；30000。
【解析】完全燃烧140kg这种燃料油放出的热量：
Q放＝mq＝140kg×4.5×107J/kg＝6.3×109J，
由题知，水吸收的热量Q吸＝Q放＝6.3×109J，
由Q＝cm△t可得，m＝＝＝30000kg。
4．汽车在平直公路上匀速行驶9.2km，消耗燃油1kg，已知汽车的牵引力是2000N，则汽车发动机的效率是 。（燃油热值取4.6×107J/kg）
【答案】40%。
【解析】汽车牵引力所做的功：
W＝Fs＝2000N×9.2×103m＝1.84×107J；
消耗的燃油完全燃烧放出的热量：
Q放＝mq＝1kg×4.6×107J/kg＝4.6×107J；
汽车发动机的效率：
η＝＝×100%＝40%。
5．柴油机压缩冲程中，随着活塞的运动，气缸内空气密度不断 （选填：“增大”“减小“或“不变”），这时活塞的机械能转化为被压缩空气的 能，使其温度更高、压强更大。
【答案】增大；内。
【解析】柴油机压缩冲程中，随着活塞的运动，外界对气缸内气体做功，气缸内空气体积减小，密度不断增大，这时活塞的机械能转化为被压缩空气的内能，使其温度更高、压强更大。
（1）究全燃烧1.4g酒精释放的热量是完全燃烧0.7g酒精释放热量的 倍。0.7g酒精
全燃烧释放的热量是2.1×104J．这些热量全部被100g的液体A吸收，液体的温度升高了50℃；完全燃烧1.4g酒精释放的热量全部被200g的液体A吸收，液体的温度升高了△t＝ ℃（不考虑散热）。
（2）现用如图所示装置加热200g的液体A，燃烧了1.4g酒精，液体升高的温度小于△t，有哪些原因会导致这个结果？
【答案】（1）二；50；（2）加热过程中的各种热损失；燃料没有完全燃烧。
【解析】（1）热值是燃料的一种特性，根据Q＝mq可知，1.4g是0.7g的二倍，所以究全燃烧1.4g酒精释放的热量是完全燃烧0.7g酒精释放热量的二倍；
液体A的比热容不变，究全燃烧1.4g酒精释放的热量是完全燃烧0.7g酒精释放热量的二倍，完全燃烧1.4g酒精加热液体A的质量是完全燃烧0.7g酒精加热液体A的质量的二倍，根据Q＝cm△t可知，液体A升高的温度相同，为50℃；
（2）液体升高的温度小于△t的原因：加热过程中的各种热损失；燃料没有完全燃烧。
7．如图所示，在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小团干燥的棉花，用力将活塞迅速下压，棉花被点燃。此过程的能量转化方式与汽油机的 冲程相同。某效率为25%的汽油机在一次工作中消耗了4kg汽油，该汽油机对外做的机械功为 J．（汽油热值为4.6×107J/kg）
【答案】压缩；4.6×107。
【解析】（1）在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小撮干燥的棉絮，用力将活塞迅速向下压，棉絮燃烧起来；说明压缩筒内空气做功，使空气的内能增大，温度升高；压缩过程中，活塞的机械能转化为空气的内能，故该过程中，与内燃机的压缩冲程相同；
（2）汽油完全燃烧放出的热量：Q放＝mq＝4kg×4.6×107J/kg＝1.84×108J；
输出的机械能为：E＝ηQ放＝25%×1.84×108J＝4.6×107J。
8.发动机是汽车的核心部件，某汽车发动机是以92号汽油为燃料的内燃机，其一个工作循环的四个冲程如图所示，表中给出了发动机的相关数据（空燃比是指汽缸内空气和燃油的质量比）。
单缸四冲程内燃机完成一个工作循环时，图中四个冲程的顺序是 ，燃料完全燃烧放出的热量是 J。
【答案】乙甲丁丙；9.2×103。
【解析】（1）甲中的两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程，是第二冲程；
乙中的一个气阀打开，活塞向下运动，所以为吸气冲程，是第一冲程；
丙中的一个气阀打开，活塞向上运动，所以为排气冲程，是第四冲程；
丁中的两个气阀都关闭，活塞下运动，所以为做功冲程，是第三冲程；
故排序为：乙甲丁丙。其中做功冲程内燃机给汽车提供动力。
（2）汽缸内汽油和空气混合气体的体积等于汽缸的工作容积，
即V＝V容＝2L＝2×10﹣3m，
由ρ＝得，汽油和空气混合气体的质量：
m＝ρV＝1.3kg/m3×2×10﹣3m3＝2.6×10﹣3kg，
因为空燃比是12：1，
所以汽油的质量：m汽油＝m＝×2.6×10﹣3kg＝2×10﹣4kg，
完成一个工作循环时，汽油燃烧释放的热量：
Q放＝m汽油q
＝2×10﹣4kg×4.6×107J/kg
＝9.2×103J。
9．用天燃气烧水，水烧沸腾时，壶盖不断向上跳动，此过程中能量转化与四冲程汽油机的 冲程的能量转化相同；在标准大气压下用天燃气把3kg的水从20℃加热至刚沸腾时，水吸收了 J的热量。[c水＝4.2×103J/（kg•℃）]
【答案】做功；1.008×106。
【解析】（1）水烧开以后，水蒸气膨胀对壶盖做功，把壶盖顶起来，将水蒸气的内能转化为壶盖的机械能，这与汽油机的做功冲程的能量转化相同，在汽油机的做功冲程中，是将燃气的内能转化为活塞的机械能；
（2）在标准大气压下水的沸点为100℃，即水的末温为100℃，
水吸收的热量为：
Q吸＝c水m水△t＝4.2×103J/（kg•℃）×3kg×（100℃﹣20℃）＝1.008×106J。
10．现有0.028kg酒精，完全燃烧释放的热量为 J，若这些热量完全被水吸收，可以使10kg的水，温度从20℃升高到 ℃[q洒精＝3×107J/kg，c水＝4.2×l03J/（kg•℃）]
【答案】8.4×105；40。
【解析】（1）完全燃烧0.028kg酒精放出的热量：
Q放＝q酒精m酒精＝3×107J/kg×0.028kg＝8.4×105J；
（2）由热量完全被水吸收，Q吸＝cm△t＝Q放，
所以水温度升高值：
△t＝＝＝20℃。
可以使水的温度升高到20℃+20℃＝40℃。
11．2019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】故答案为：大；不变。
【解析】火箭发射时要选用热值大的固体燃料，原因是热值大，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。
12.我国许多城市建设中建有大型绿地，绿地中的人工湖具有“吸热”功能，盛夏季节能大大减弱周围地区的“热岛效应”，这是利用了水的______的特性。我区天香公园中就有一个人工湖，若湖水的质量为1.5×107kg，若水温平均升高0.7℃，则湖水吸收的热量为______J，这些水吸收的热量，相当于完全燃烧______kg的焦炭所放出的热量（q焦炭=3.0×107J/kg）
【答案】比热容大 4.41×1010 1470
【解析】（1）盛夏时节人工湖能大大减弱周围地区的“热岛效应”，这是因为水的比热容比较大，相同质量的水和其他物质相比较时，吸收或放出相同的热量时，水的温度变化小。
（2）湖水吸收的热量：
Q吸=cm1△t=4.2×103J/（kg•℃）×1.5×107kg×0.7℃=4.41×1010J；
（3）由题可知，Q放=Q吸=4.41×1010J，
由Q放=m2q可得需要焦炭的质量：
m2===1470kg。
13．汽车的发动机常用水作为降温的物质，这是因为水的_________较大的缘故。汽油的热值是4.6×107J/kg，1kg汽油完全燃烧放出的热量是___________J。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】比热容 4.6×107 废气
【解析】汽车的发动机常用水作为降温的物质，是因为水的比热容较大的缘故；1kg汽油完全燃烧放出的热量是Q=qm=4.6×107J/kg×1kg=4.6×107J；热机的能量损失中，废气带走的能量最多。
14.一单缸四冲程汽油机，飞轮转速为3000r/min，则1s对外做功次，若其效率为30%，消耗100g汽油，对外做功J．若水箱中5kg水由20℃升高到100℃，水吸收J热量（q汽油=4.6×107J/kg）
【答案】1.38×106；1.68×106
【解析】由Q=mq和η=W/Q计算汽油燃烧对外所做的功；由Q=cm△t计算水吸热的多少。
（1）汽油完全燃烧放出的热量：
Q=mq=0.1kg×4.6×107J/kg=4.6×106J，
由η=W/Q可得，汽油机对外做的功为：
W=30%Q=30%×4.6×106J=1.38×106J。
（2）水吸收热量：
Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×5kg×（100℃﹣20℃）=1.68×106J。
三．计算题（共1小题）
15．2019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）质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出4.2×107J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50℃；
（3）这些热量能让该公交车匀速行驶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＝＝＝50℃；
（3）公交车所做的功：W＝Q放＝4.2×107J，
由P＝得公交车行驶时间：
t＝＝＝300s。
16．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）水吸收的热量是3.36×106J；
（2）0.5kg焦炭完全燃烧释放的热量是1.5×107J；
（3）炉子烧水的效率是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%。
17.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；在图像获得信息是经过6min时间加热，水的温度从20℃升高到80℃，也就是温度升高了60℃.根据吸热公式很方便求得水所吸收的热量；根据热效率公式求得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％
18.某款新型电动轿车，每充电一次，锂离子电池储存的能量为50kW•h，可供该车连续行驶300km，其最高车速可达120km/h。
（1）电动轿车的顶部向上凸起，当它高速行驶时，车顶的气压比车底的气压 。
（2）若该车以108km/h的速度匀速行驶10min，通过的路程是多少？
（3）该车连续行驶100km消耗的电能相当于完全燃烧多少升柴油产生的热量。（q柴油=4.3×107 J/kg，ρ柴油=0.85×103 kg/m3，计算结果保留两位小数）
【答案】（1）小；
（2）该车以108km/h的速度匀速行驶10min，通过的路程为18km；
（3）该车连续行驶100km消耗的电能相当于完全燃烧1.65L柴油产生的热量。
【解析】依据流体压强与流速的关系来分析解答：流体流速越大的位置，其压强越小；知道汽车速度和行驶时间，利用s=vt求汽车行驶的距离；根据题意求出该车连续行驶100km消耗的电能，再根据Q放=W=mq求出相当于完全燃烧柴油的质量，最后根据ρ=求出相当于完全燃烧柴油的体积。
（1）轿车的形状上面凸起、下面平直，车高速行驶时带动空气流动，车的上方空气流速快、压强小，车的下方空气流速慢、压强大；
（2）根据v=可知，该车以108km/h的速度匀速行驶10min，通过的路程为：s=vt=108km/h×h=18km；
（3）由题意有，行驶100km消耗的电能：
W=×50kW•h=kW•h=×3.6×106J=6×107J，
依题意有，Q放=W，
由Q放=mq可得，完全燃烧柴油的质量：
m==≈1.4kg，
由ρ=可得，完全燃烧柴油的体积：
V==≈1.65×10﹣3m3=1.65L。
1min内完成的
工作循环数
2400次
汽缸内汽油和空气
混合气体的密度
1.3kg/m3
汽缸的工作容积
2.0L
汽油的热值
4.6×107J/kg
发动机最大功率
82.8kW
空燃比
12：1
知识点扫描
知识点一：燃料的热值
1.燃料燃烧过程中的能量转化：燃料燃烧是一种化学反应，燃烧过程中，储存在燃料中的化学能被释放，物体的化学能转化为周围物体的内能。
2.燃料的热值：
①意义：不同的燃料燃烧时放出能量的本领不同，在物理学中就用热值来表示燃料燃烧时放热本领的大小。
②定义：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。用符号“q”表示。③热值的单位 J/kg ，读作焦耳每千克。还要注意，气体燃料有时使用J/m3，读作焦耳每立方米。
知识点二：热机效率
1.燃料的有效利用：影响燃料有效利用的因素：a燃料不完全燃烧，b燃料散失很多，只有少部分被利用。
2.热机的能量流图：如图所示是热机的能量流图：由图可见，真正能转变为对外做的有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分。
3.定义：用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值，称为热机效率。
4.公式：η= E有/Q放。式中，E有为做有用功的能量；Q放为燃料完全燃烧释放的能量。
5.提高热机效率的主要途径：
①改善燃烧环境，使燃料尽可能充分完全燃烧，提高燃料的燃烧效率。
②尽量减小各种热散失。
③减小各部件间的摩擦以减小因克服摩擦做功而消耗的能量。
④充分利用废气带走的能量，从而提高燃料的利用率。
重点难点解读
一、在学习热值的概念时，应注意以下几点
①“完全燃烧”是指燃料全部燃烧变成另一种物质。
②强调所取燃料的质量为“lkg”，要比较不同燃料燃烧本领的不同，就必须在燃烧质量和燃烧程度完全相同的条件下进行比较。
③“某种燃料”强调了热值是针对燃料的特性与燃料的种类有关。
④燃料燃烧放出的热量的计算：一定质量m的燃料完全燃烧，所放出的热量为：Q=mq，式中，q表示燃料的热值，单位是J/kg；m表示燃料的质量，单位是kg；Q表示燃烧放出的热量，单位是J。
⑤若燃料是气体燃料，一定体积V的燃料完全燃烧，所放出的热量为：Q=qv，式中，q表示燃料的热值，单位是J/m3；V表示燃料的体积，单位是m3；Q表示燃烧放出的热量，单位是J。
二、求解热机效率的思维路径
（1）在大脑中要知道用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值，称为热机效率。
（2）根据题意研究燃料完全燃烧释放的能量Q放 =mq，做有用功的能量W有。
（3）若用W有为做有用功的能量；Q放为燃料完全燃烧释放的能量。则求解热机效率就可以写成数学表达式
η= W有/Q放。
注意：燃料不充分完全燃烧、各种热散失、各部件间的摩擦以减小因克服摩擦做功而消耗的能量、废气带走的能量都是属于无用功的能量。
对点例题解析
知识点一：燃料的热值
【例题1】假如完全燃烧0.2m3天然气放出的热量全部被100kg初温为25℃的水吸收，可以使水的温度升高到________℃[已知c水＝4.2×103J/（kg•℃），q天然气＝4.2×107J/m3]。
【答案】 45
【解析】利用燃料完全燃烧放热公式Q放=mq求放出的热量；再由Q放=Q吸=cm△t得到水升高的温度.
完全燃烧0.2m3天然气放出的热量：
Q放＝V天然气q＝0.2m3×4.2×107J/kg＝8.4×106J；
根据Q吸＝cm△t＝Q放可知，
水温度升高值：
△t＝ Q吸/cm＝20℃，
水的末温度为：t＝t0+△t＝25℃+20℃＝45℃。
知识点二：热机效率
【例题2】用液化气灶烧水，把1.5kg初温为20℃的水加热到100℃，需要吸收的热量为 J．若上述过程中完全燃烧了0.021kg液化气，且只有60%的热量被水吸收，则液化气的热值为 J/kg。[c水＝4.2×103J/（kg•℃）]
【答案】5.04×105；4×107。
【解析】（1）水吸收的热量：
Q吸＝cm△t＝4.2×103J/（kg•℃）×1.5kg×（100℃﹣20℃）＝5.04×105J；
（2）由题知，Q吸＝Q放×60%＝m液化气q×60%，
需要液化气的体积：
q液化气＝＝＝4×107J/kg。
达标训练题
1.1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫_______。单位是J/kg。燃料燃烧放出热量的计算公式为：______。
【答案】热值。Q放=qm
【解析】1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫热值。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。在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料______的重要措施。
【答案】热机的效率。利用率。
【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。热机的效率是热机性能的一个重要指标。在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。
3.我国长征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】（1）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；（2）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、汽化时要吸收大量的热，这样箭体的温度就不会太高。
4.“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来呈现。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来呈现。物理意义是单位体积的物质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，含义是1m3甲烷完全燃烧能产生4.2×107 J热量。
一、选择题
1.某载重汽车自重12t，车轮与地面的总接触面积为0.5m2，汽车以72km/h
的速度在平直公路上匀速行驶时，柴油发动机的功率为210kW，每行驶43s消耗柴油700g，柴油的热值为4.3×107J/kg。下列说法中（ ）
①完全燃烧700g柴油放出的热量为3.01×109J
②该柴油发动机效率为30%
③汽车的牵引力为1.05×104N
④若公路所能承受的最大压强为8×105Pa，汽车最多能装载40t的货物
A.只有①②正确B．只有③④正确C．只有①③正确D．只有②③正确
【答案】D
【解析】①完全燃烧700g干木柴放出的热量：Q放＝m柴油q＝0.7kg×4.3×107J/kg＝3.01×107J，故①错误；
②柴油发动机做功：W＝Pt＝210×103W×43s＝9.03×106J，柴油发动机的效率：
η＝×100%＝×100%＝30%，故②正确；
③汽车速度：v＝72km/h＝72×m/s＝20m/s，由P＝＝＝Fv得，汽车的牵引力：
F＝＝＝1.05×104N，故③正确；
④由p＝得，公路所能承受的最大压力：F＝pS＝8×105Pa×0.5m2＝4×105N，汽车与货物的质量之和：m总＝＝＝＝4×104kg＝40t，汽车最多能装载货物质量：m＝m总﹣m车＝40t﹣12t＝28t，故④错误。
综上，①④错误，②③正确。
2．如图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】燃料燃烧的内能减去机械自身消耗能量和废气带走能量的百分比，即为获得有用机械能的百分比，也就是该内燃机的热机效率。
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%
二、填空题
3．利用先进工艺和科学方法，可以使垃圾变废为宝。若从1吨垃圾中能提炼出140kg燃料油，燃料油的热值为4.5×107J/kg，则这些燃料油完全燃烧时释放出的热量为 J，这些热量可以使 kg的水温度升高50℃．[水的比热容为4.2×103J/（kg•℃）]
【答案】6.3×109；30000。
【解析】完全燃烧140kg这种燃料油放出的热量：
Q放＝mq＝140kg×4.5×107J/kg＝6.3×109J，
由题知，水吸收的热量Q吸＝Q放＝6.3×109J，
由Q＝cm△t可得，m＝＝＝30000kg。
4．汽车在平直公路上匀速行驶9.2km，消耗燃油1kg，已知汽车的牵引力是2000N，则汽车发动机的效率是 。（燃油热值取4.6×107J/kg）
【答案】40%。
【解析】汽车牵引力所做的功：
W＝Fs＝2000N×9.2×103m＝1.84×107J；
消耗的燃油完全燃烧放出的热量：
Q放＝mq＝1kg×4.6×107J/kg＝4.6×107J；
汽车发动机的效率：
η＝＝×100%＝40%。
5．柴油机压缩冲程中，随着活塞的运动，气缸内空气密度不断 （选填：“增大”“减小“或“不变”），这时活塞的机械能转化为被压缩空气的 能，使其温度更高、压强更大。
【答案】增大；内。
【解析】柴油机压缩冲程中，随着活塞的运动，外界对气缸内气体做功，气缸内空气体积减小，密度不断增大，这时活塞的机械能转化为被压缩空气的内能，使其温度更高、压强更大。
（1）究全燃烧1.4g酒精释放的热量是完全燃烧0.7g酒精释放热量的 倍。0.7g酒精
全燃烧释放的热量是2.1×104J．这些热量全部被100g的液体A吸收，液体的温度升高了50℃；完全燃烧1.4g酒精释放的热量全部被200g的液体A吸收，液体的温度升高了△t＝ ℃（不考虑散热）。
（2）现用如图所示装置加热200g的液体A，燃烧了1.4g酒精，液体升高的温度小于△t，有哪些原因会导致这个结果？
【答案】（1）二；50；（2）加热过程中的各种热损失；燃料没有完全燃烧。
【解析】（1）热值是燃料的一种特性，根据Q＝mq可知，1.4g是0.7g的二倍，所以究全燃烧1.4g酒精释放的热量是完全燃烧0.7g酒精释放热量的二倍；
液体A的比热容不变，究全燃烧1.4g酒精释放的热量是完全燃烧0.7g酒精释放热量的二倍，完全燃烧1.4g酒精加热液体A的质量是完全燃烧0.7g酒精加热液体A的质量的二倍，根据Q＝cm△t可知，液体A升高的温度相同，为50℃；
（2）液体升高的温度小于△t的原因：加热过程中的各种热损失；燃料没有完全燃烧。
7．如图所示，在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小团干燥的棉花，用力将活塞迅速下压，棉花被点燃。此过程的能量转化方式与汽油机的 冲程相同。某效率为25%的汽油机在一次工作中消耗了4kg汽油，该汽油机对外做的机械功为 J．（汽油热值为4.6×107J/kg）
【答案】压缩；4.6×107。
【解析】（1）在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小撮干燥的棉絮，用力将活塞迅速向下压，棉絮燃烧起来；说明压缩筒内空气做功，使空气的内能增大，温度升高；压缩过程中，活塞的机械能转化为空气的内能，故该过程中，与内燃机的压缩冲程相同；
（2）汽油完全燃烧放出的热量：Q放＝mq＝4kg×4.6×107J/kg＝1.84×108J；
输出的机械能为：E＝ηQ放＝25%×1.84×108J＝4.6×107J。
8.发动机是汽车的核心部件，某汽车发动机是以92号汽油为燃料的内燃机，其一个工作循环的四个冲程如图所示，表中给出了发动机的相关数据（空燃比是指汽缸内空气和燃油的质量比）。
单缸四冲程内燃机完成一个工作循环时，图中四个冲程的顺序是 ，燃料完全燃烧放出的热量是 J。
【答案】乙甲丁丙；9.2×103。
【解析】（1）甲中的两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程，是第二冲程；
乙中的一个气阀打开，活塞向下运动，所以为吸气冲程，是第一冲程；
丙中的一个气阀打开，活塞向上运动，所以为排气冲程，是第四冲程；
丁中的两个气阀都关闭，活塞下运动，所以为做功冲程，是第三冲程；
故排序为：乙甲丁丙。其中做功冲程内燃机给汽车提供动力。
（2）汽缸内汽油和空气混合气体的体积等于汽缸的工作容积，
即V＝V容＝2L＝2×10﹣3m，
由ρ＝得，汽油和空气混合气体的质量：
m＝ρV＝1.3kg/m3×2×10﹣3m3＝2.6×10﹣3kg，
因为空燃比是12：1，
所以汽油的质量：m汽油＝m＝×2.6×10﹣3kg＝2×10﹣4kg，
完成一个工作循环时，汽油燃烧释放的热量：
Q放＝m汽油q
＝2×10﹣4kg×4.6×107J/kg
＝9.2×103J。
9．用天燃气烧水，水烧沸腾时，壶盖不断向上跳动，此过程中能量转化与四冲程汽油机的 冲程的能量转化相同；在标准大气压下用天燃气把3kg的水从20℃加热至刚沸腾时，水吸收了 J的热量。[c水＝4.2×103J/（kg•℃）]
【答案】做功；1.008×106。
【解析】（1）水烧开以后，水蒸气膨胀对壶盖做功，把壶盖顶起来，将水蒸气的内能转化为壶盖的机械能，这与汽油机的做功冲程的能量转化相同，在汽油机的做功冲程中，是将燃气的内能转化为活塞的机械能；
（2）在标准大气压下水的沸点为100℃，即水的末温为100℃，
水吸收的热量为：
Q吸＝c水m水△t＝4.2×103J/（kg•℃）×3kg×（100℃﹣20℃）＝1.008×106J。
10．现有0.028kg酒精，完全燃烧释放的热量为 J，若这些热量完全被水吸收，可以使10kg的水，温度从20℃升高到 ℃[q洒精＝3×107J/kg，c水＝4.2×l03J/（kg•℃）]
【答案】8.4×105；40。
【解析】（1）完全燃烧0.028kg酒精放出的热量：
Q放＝q酒精m酒精＝3×107J/kg×0.028kg＝8.4×105J；
（2）由热量完全被水吸收，Q吸＝cm△t＝Q放，
所以水温度升高值：
△t＝＝＝20℃。
可以使水的温度升高到20℃+20℃＝40℃。
11．2019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】故答案为：大；不变。
【解析】火箭发射时要选用热值大的固体燃料，原因是热值大，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。
12.我国许多城市建设中建有大型绿地，绿地中的人工湖具有“吸热”功能，盛夏季节能大大减弱周围地区的“热岛效应”，这是利用了水的______的特性。我区天香公园中就有一个人工湖，若湖水的质量为1.5×107kg，若水温平均升高0.7℃，则湖水吸收的热量为______J，这些水吸收的热量，相当于完全燃烧______kg的焦炭所放出的热量（q焦炭=3.0×107J/kg）
【答案】比热容大 4.41×1010 1470
【解析】（1）盛夏时节人工湖能大大减弱周围地区的“热岛效应”，这是因为水的比热容比较大，相同质量的水和其他物质相比较时，吸收或放出相同的热量时，水的温度变化小。
（2）湖水吸收的热量：
Q吸=cm1△t=4.2×103J/（kg•℃）×1.5×107kg×0.7℃=4.41×1010J；
（3）由题可知，Q放=Q吸=4.41×1010J，
由Q放=m2q可得需要焦炭的质量：
m2===1470kg。
13．汽车的发动机常用水作为降温的物质，这是因为水的_________较大的缘故。汽油的热值是4.6×107J/kg，1kg汽油完全燃烧放出的热量是___________J。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】比热容 4.6×107 废气
【解析】汽车的发动机常用水作为降温的物质，是因为水的比热容较大的缘故；1kg汽油完全燃烧放出的热量是Q=qm=4.6×107J/kg×1kg=4.6×107J；热机的能量损失中，废气带走的能量最多。
14.一单缸四冲程汽油机，飞轮转速为3000r/min，则1s对外做功次，若其效率为30%，消耗100g汽油，对外做功J．若水箱中5kg水由20℃升高到100℃，水吸收J热量（q汽油=4.6×107J/kg）
【答案】1.38×106；1.68×106
【解析】由Q=mq和η=W/Q计算汽油燃烧对外所做的功；由Q=cm△t计算水吸热的多少。
（1）汽油完全燃烧放出的热量：
Q=mq=0.1kg×4.6×107J/kg=4.6×106J，
由η=W/Q可得，汽油机对外做的功为：
W=30%Q=30%×4.6×106J=1.38×106J。
（2）水吸收热量：
Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×5kg×（100℃﹣20℃）=1.68×106J。
三．计算题（共1小题）
15．2019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）质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出4.2×107J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50℃；
（3）这些热量能让该公交车匀速行驶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＝＝＝50℃；
（3）公交车所做的功：W＝Q放＝4.2×107J，
由P＝得公交车行驶时间：
t＝＝＝300s。
16．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）水吸收的热量是3.36×106J；
（2）0.5kg焦炭完全燃烧释放的热量是1.5×107J；
（3）炉子烧水的效率是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%。
17.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；在图像获得信息是经过6min时间加热，水的温度从20℃升高到80℃，也就是温度升高了60℃.根据吸热公式很方便求得水所吸收的热量；根据热效率公式求得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％
18.某款新型电动轿车，每充电一次，锂离子电池储存的能量为50kW•h，可供该车连续行驶300km，其最高车速可达120km/h。
（1）电动轿车的顶部向上凸起，当它高速行驶时，车顶的气压比车底的气压 。
（2）若该车以108km/h的速度匀速行驶10min，通过的路程是多少？
（3）该车连续行驶100km消耗的电能相当于完全燃烧多少升柴油产生的热量。（q柴油=4.3×107 J/kg，ρ柴油=0.85×103 kg/m3，计算结果保留两位小数）
【答案】（1）小；
（2）该车以108km/h的速度匀速行驶10min，通过的路程为18km；
（3）该车连续行驶100km消耗的电能相当于完全燃烧1.65L柴油产生的热量。
【解析】依据流体压强与流速的关系来分析解答：流体流速越大的位置，其压强越小；知道汽车速度和行驶时间，利用s=vt求汽车行驶的距离；根据题意求出该车连续行驶100km消耗的电能，再根据Q放=W=mq求出相当于完全燃烧柴油的质量，最后根据ρ=求出相当于完全燃烧柴油的体积。
（1）轿车的形状上面凸起、下面平直，车高速行驶时带动空气流动，车的上方空气流速快、压强小，车的下方空气流速慢、压强大；
（2）根据v=可知，该车以108km/h的速度匀速行驶10min，通过的路程为：s=vt=108km/h×h=18km；
（3）由题意有，行驶100km消耗的电能：
W=×50kW•h=kW•h=×3.6×106J=6×107J，
依题意有，Q放=W，
由Q放=mq可得，完全燃烧柴油的质量：
m==≈1.4kg，
由ρ=可得，完全燃烧柴油的体积：
V==≈1.65×10﹣3m3=1.65L。
1min内完成的
工作循环数
2400次
汽缸内汽油和空气
混合气体的密度
1.3kg/m3
汽缸的工作容积
2.0L
汽油的热值
4.6×107J/kg
发动机最大功率
82.8kW
空燃比
12：1
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