第3章　能量的转化与守恒

3.5-2　物体的内能-比热容和热机

1. 比热容

(1)比热容：单位质量的某种物质，温度升高(或降低)1℃所吸收(或放出)的热量叫这种物质的比热容。比热容的单位：J/(kg·℃)。

(2)比热容是物质本身的一种属性，每种物质都有自己的比热容。

(3)水的比热容

水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃) ，其表示的物理意义是质量为1 kg的水温度升高1 ℃时吸收的热量是4.2×103 J

2.热量的计算

物体吸收(或放出)热量的多少与物质的比热容、质量和温度的变化量都有关系。

物体吸热升温时，Q吸=cm(t-t0)，放热降温时，Q放=cm(t0-t)，通式为：Q=cmΔt。

3.热机

(1)热机是将燃料燃烧时的化学能转化为内能，然后通过做功，把内能转化为机械能的机器。

热机有多种类型，蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机等都属于热机。

(2)汽油机工作原理：汽油在汽缸里面燃烧时生成高温高压的燃气，用来推动活塞做功。

(3)一个工作循环由四个冲程组成：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。

(4)能的转化：在压缩冲程中机械能转化为内能；在做功冲程中内能转化为机械能。

(5)热机效率：热机工作时，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。

4.燃料的热值

(1)燃料的燃烧是一种化学反应，燃料在燃烧时将化学能转化为内能。

(2)热值：1kg某种燃料完全燃烧时放出的热量，叫做这种燃料的热值。单位是J/kg(或J/m3)。

氢气的热值为1.4×108 J/kg，其物理意义为完全燃烧1 kg氢气放出的热量为1.4×108 J

(3)燃料的热值是燃料的一种热学属性，与燃料的质量或燃烧是否完全无关，只与燃料的种类有关。确定的燃料有确定的热值，不同燃料的热值一般不同。

(4)燃料燃烧时释放热量的计算。

燃料完全燃烧放出的热量：Q=qm或Q=qV；其中，Q为热量，单位：J；m为质量，单位：kg；V为体积，单位为m3；q为热值，单位：J/kg，气体：J/m3。

1.比热容的应用

(1)不同的物质，吸热能力不同，科学上用比热容来表示物质的吸热能力，不同的物质，比热容不同。沙子比水的吸热能力弱，也就是说沙子的比热容小于水的比热容。单位质量的某种物质，温度升高1 ℃所吸收的热量叫作这种物质的比热容。 比热容用符号c表示，它的单位是焦/(千克·℃) , 读作焦每千克摄氏度。

(2)比热容是反映物质吸热或放热能力大小的物理量。利用“不同的物质在质量和吸收的热量相同时，比热容小的物质升温高，比热容大的物质升温低”解释自然现象。如水的比热容较大，砂石的比热容较小，沿海地区的昼夜温差比内陆小，用水作冷却剂和制冷剂等。

(3)比热容是物质的特性，每种物质都有自己的比热容，即跟物质吸热或放热的多少无关，跟质量和温度无关。不同的物质比热容不同，同种物质的状态不同，比热容也不同。利用比热容特性，可选择合适的应用材料和鉴别物质。

2.四冲程汽油机

①汽油在汽缸中燃烧，生成高温高压的燃气，推动活塞做功，把内能转化为机械能。②活塞在汽缸内往复运动，通过连杆带动曲轴转动。活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫作一个冲程，大多数汽油机都有吸气、压缩、做功、排气四个冲程来保证机器正常工作。③压缩冲程中，机械能转化为内能，做功冲程将内能转化为机械能，其他三个冲程依靠飞轮的惯性来完成。

3.热量的综合计算

(1)热平衡方程

把温度较高的物体与温度较低的物体混合，温度较高的物体就要放出热量，温度较低的物体就要吸收热量。在不计热损失时，低温物体吸收的热量等于高温物体放出的热量。其表达式为：Q吸=Q放。

(2)热量与热值：Q=qm，Q=qV。

(3)热效率

燃料在燃烧时放出的热量，只有一部分被有效利用。我们把被加热的物体吸收的热量与燃料完全燃烧时放出的热量之比用热效率表示，其表达式为：

η=Q有用/Q×100%。

[注意]在不计热损失时，燃料完全燃烧时放出的热量与物体吸收的热量相等。

(4)单位的选择：在综合计算时，各个物理量的单位都用主单位：如热量用J，比热容用J/(kg·℃)，温度用℃，热值用J/kg(气体为J/m3)，质量用kg。如果质量用密度和体积计算，则体积单位用m3，密度单位用kg/m3。

【常考】知道热量、比热容及热值，会进行相关的热量计算。

例 小星家的太阳能热水器，水箱容积是200  L。小星进行了一次观察活动：某天早上，他用温度计测得自来水的温度为20 ℃，然后给热水器水箱注满水，中午时温度传感器显示水箱中的水温为45 ℃。请你求解下列问题：

(1)水箱中水的质量是_______kg。

(2)水吸收的热量是_________J。[c水=4.2×103J/(kg·℃)]

(3)如果水吸收的这些热量由燃烧煤气来提供，而煤气灶的效率为40%，则至少需要燃烧_______kg煤气。(煤气的热值为q=4.2×107J/kg)

【方法归纳】本题综合性比较强，计算时要细心。在解答有关热量的计算题时，需要注意将各物理量的单位统一为国际单位；审题时需要明确描述温度变化的词汇。

【比热容、热量的计算练习】

1.关于比热容，下列说法中错误的是(   )

A.比热容可用来鉴别物质

B.水的比热容较大，可用作汽车发动机的冷却剂

C.沙的比热容较小，所以沙漠地区昼夜温差较大

D.一桶水的比热容比一杯水的比热容大

2.质量和初温都相等的铜和铝(c铜<c铝)，放出相等的热量后相互接触，内能将(   )

A.一定从铜传给铝       B.一定从铝传给铜

C.不会发生热传递       D.不能确定是否发生热传递

3.用两个相同的电加热器给质量同为2kg的物质甲和水加热，它们的温度随加热时间的变化关系如图4所示，据此判断物质甲10min吸收的热量为(   )

A.0.84×105J    B.1.2×105J   C.2.52×105J    D.都不是，不能计算

4.如图所示，两个相同规格的电加热器加热质量、初温都相同的不同液体。若液体吸收的热量等于电加热器放出的热量，加热时间相同且液体均未沸腾，则(   )

A.两杯液体吸收的热量相等         B.温度较高的液体比热容较大

C.温度较低的液体吸收的热量较多   D.温度较高的液体吸收的热量较多

5.(多选)用相同的酒精灯分别对a、b两液体加热(如图甲所示)，根据测得数据分别描绘出两液体的温度随时间变化的图像(如图乙)。在相同的时间内两液体吸收的热量相等，不计液体热量散失，分别用ma、mb、ca、cb，表示a、b两液体的质量和比热容，则结合图中信息做出的下列推断正确的是(   )

A.若ma=mb，则ca>cb        B.若ma=mb，则ca<cb       

C.若ca=cb，则ma<mb        D.若ca=cb，则ma>mb

6.净含量为350mL(1mL=1×10-6m3)的瓶装饮用纯净水的质量为          kg。若将其放入冰箱冷藏，温度降低了20℃，则水放出的热量为          J。已知水的密度ρ水=1.0×103kg/m3，水的比热容c=4.2×103J/(kg·℃)。

7.水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，将2kg的水倒掉一半，剩下的水的比热容是            ；水结冰后它的比热容将         (填“改变”或“不变”)；初温为20℃、质量为1kg的水吸收2.1x10J的热量后温度将升高到           ℃。

8.炎热夏天的中午，在太阳光的照射下，海滨浴场沙滩上沙子的温度升高，内能增大，这是通过   

         方式改变物体内能的。而海水的温度明显低于沙滩的温度，其原因是                     

                                。

9.把500g的水加热到100℃，吸收了1.68×105J的热量，则它的初温是多少?

【热机及燃料的热值练习】

1.如图所示是四冲程内燃机的某一冲程示意图，该冲程是(   )

A.吸气冲程   B.压缩冲程   C.做功冲程      D.排气冲程

2.下列关于热机的叙述，正确的是(   )

A.热机是把内能转化为机械能的装置

B.内燃机每经过一个工作循环，曲轴就要转动4周

C.汽油机有喷油嘴，柴油机有火花塞

D.汽油机利用压燃式点火，柴油机利用点燃式点火

3.关于燃料的热值，下列说法中正确的是(   )

A.燃料的热值越大，燃烧时达到的温度就越高

B.燃料的热值越大，燃烧时放出的热量就越多

C.燃料燃烧越充分，则燃料的热值就越大

D.燃料的热值与燃料的质量以及燃烧情况无关

4.双燃料汽车以天然气或汽油作为燃料，以下说法正确的是(   )

A.燃料的热值越大，燃烧时放出的热量越多

B.以天然气为燃料，汽车发动机的效率可以达到100%

C.在压缩冲程中，燃料混合物的温度升高，内能增大

D.汽油与天然气相比，燃烧时汽油对环境的污染较小

5.烧开同样一壶水，完全燃烧的干木材与完全燃烧的无烟煤质量不同，是因为干木材和无烟煤具有不同的 (   )

A.热值 B.比热容 C.内能 D.热量

6.如图所示是四冲程汽油机的两个冲程，甲图显示的是汽油机的        冲程，乙图中是       能转化为       能。

7.实验室某玻璃瓶中盛有质量为140g、体积为1.72×10-4m3的酒精。已知酒精的热值为3×107J/kg，水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)。试求：

(1)瓶中酒精的密度；

(2)将这些酒精完全燃烧，可放出的热量；

(3)这些热量能使20kg的水温度升高多少摄氏度。

8.认识自然，亲近自然。初春学校组织学生到桂林市东北的猫儿山山脚下一农庄进行社会实践活动，小明携带一个质量为1kg的合金锅、一台如图所示的便携式丁烷气炉(内置一瓶新的燃气，参数如下表所示)，爱探究的小明通过手机上网查到便携式燃气炉的热效率为30%，丁烷气体的燃烧效率为90%，野炊地水的沸点为96℃，测出当地水的温度为26℃。[水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，锅的比热容为0.8×103JJ/(kg·℃)]

(1)完全燃烧0.1kg的丁烷气体可以放出多少焦耳的热量?

(2)需多少焦耳的热量，才能使合金锅内2kg的水温度升高50℃?

(3)如果燃气炉以最大火力工作，一瓶燃气最多能持续燃烧1.4h，这样能够把质量为多少千克的水烧开?(最后结果保留1位小数)

1.关于温度、热量和内能，下列说法中正确的是(   )

A.物体温度升高，内能增加

B.物体温度升高，内能减少

C.物体吸收热量，温度一定升高

D.温度高的物体含有的热量一定比温度低的物体含有的热量多

2.将一瓶煤油倒去一半，则剩下的一半(   )

A.密度不变，比热容和热值都变为原来的一半

B.质量、比热容、热值都变为原来的一半

C.比热容不变，质量和热值都变为原来的一半

D.比热容和热值都不变，质量变为原来的一半

3.下列说法正确的是 (   )

A.热值与燃料的燃烧情况有关

B.比热容与物体吸收或放出的热量有关

C.做功和热传递是改变物体内能的两种方式

D.固体很难被压缩，是因为分子之间只存在斥力的作用

4.《舌尖上的中国2》聚焦于普通人的家常菜，让海内外观众领略了中华饮食之美。如图所示，通过煎、炒、蒸、拌烹调的四种美食中所包含的物理知识，认识正确的是(   )

A.煎：煎锅一般用铁制造，主要是利用了铁的比热容大

B.炒：主要是通过做功的方式使藜蒿和腊肉的内能增加

C.蒸：是通过热传递和高温水蒸气液化放热，使榆钱饭蒸熟

D.拌：香葱和豆腐要拌着才能入味，说明分子没有做无规则运动

5.通过实验同学们知道了做功可以改变物体的内能。具体地说对物体做功，物体的内能会增加。那么物体对外做功，物体的内能会减少吗?小明同学对这个猜想，设计了如图所示的实验。

用酒精灯加热试管中的水，使水沸腾。他看到：水蒸气将木塞冲出，并冒“白气”，这充分说明了水蒸气膨胀              ，水蒸气的       减少，      降低。在这个过程中，      能转化为      能。实验说明              ，内能减少从而验证了小明的猜想是               (填“正确”或“错误”)的。

6.某汽车的最低油耗可达0.2kg/(kW·h)。最低油耗是指燃烧最少的汽油获得最大有用功的能量。[温馨提示：0.2kg/(kW·h)表示获得1kW·h的能量需要消耗0.2kg汽油]已知汽油的热值为4.6×107J/kg，请你通过这些数据写出判断该汽车发动机最高效率的方法。

7.如图甲所    示，网上曾热销一种“55度杯”，称“能很快将开水变成适饮的温水，而后又能将凉水变成适饮的温水”。为破解此中秘密，随州某中学物理小组设计了如图乙所示模型。设此杯内胆中被封存着300g水，室温20℃；现向杯中倒入200g、100℃开水，摇一摇，杯内水温迅速降至t1，饮用后迅速将200g室温矿泉水倒入该杯，摇一摇，矿泉水的温度可升至t2。若忽略内胆及空间的热能消耗，则t1、t2分别大约为(   )

A.50℃   50℃  B.52℃  39.2℃   C.40℃   60℃   D.55℃  55℃

8.在如图所示的“汽油机模型”实验中，厚壁有机玻璃圆筒内底装有两根与静电起电机相连接的放电针。将适量的汽油喷入筒内，用软木塞塞住筒口，摇动起电机。如果观察到放电针放电，汽油燃烧，软木塞被高温高压的气体           ，即可模拟四冲程汽油机工作时的             冲程。