第05讲 热机效率-【暑假衔接】新九年级物理暑假精品课讲义（人教版）

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第05讲 热机效率
了解燃料的热值；
掌握热值的计算方法；
掌握热机效率的计算方法；
理解提高热机效率的方法。
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）定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量(或体积)之比，叫做这种燃料的热值。
（2）单位：焦耳每千克（或焦耳每立方米），符号：J/kg（或J/m3）
（3）热量的计算：
（4）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：
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：
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。
提高锅炉燃料利用率的途径：
①让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；
②减少热量损失，如加大有效受热面积等。
内燃机中热量燃烧的能量流向图
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%。
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。
考点一：热值
角度1：热值的概念、单位和物理意义
例1.
下列关于热值的说法正确的是（ ）
A．物质的热值跟物质燃烧放出的热量有关B．燃料热值越大，燃烧放出的热量越多
C．使燃料燃烧更充分，可以增大热值D．热值只与燃料的种类有关
【答案】D
【详解】ACD．热值指的是是燃料的一种属性，燃料的热值仅与燃料的种类有关，与燃料燃烧是否充分、放出的热量无关，故AC错误，D正确；
B．燃料燃烧放出热量的多少与热值的大小、燃料的质量有关，热值大，燃料放出的热量不一定多，故B错误。
故选D。
角度2：不同燃料热值的比较
例2.
某学校每天向学生提供100kg开水，下表所列为几种常见燃料的热值。现将质量为100kg，初温为20℃的水烧开所需燃料质量最少的是（燃料完全燃烧）（ ）
A．燃料油B．酒精C．无烟煤D．烟煤
【答案】A
【详解】将不同燃料完全燃烧，将质量为100kg，初温为20℃的水烧开，水吸收的热量是相同的，根据热值公式,可得质量为
可知热量相同时，热值越大，所需燃料质量越小，故A符合题意，BCD不符合题意。
故选A。
角度3：热值的计算
例3.
方便火锅成为当下一种时尚快餐，很受年轻人喜爱。它里面的发热包在将500g水从20℃加热至沸腾（一个标准大气压下）的过程中，提供给水的热量至少为___________ J。如果用酒精灯给 500g 水加热升高同样温度，至少需要___________g酒精。[c水=4.2×103J/(kg·℃)，q酒精 =3×107J/kg]
【答案】 1.68×105 5.6
【详解】[1]标准大气压下，水的沸点为100℃，水温度的变化量为Δt=t-t0=100℃-20℃=80℃
提供给水的热量至少为Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)×0.5kg×80℃=1.68×105J
[2]当酒精完全燃烧放出的热量全部被水吸收时，需要的燃烧的酒精的质量最少，即Q放=Q吸=1.68×105J
则至少需要酒精的质量为
考点二：热机效率
角度1：热机效率的理解
例4.
关于热值和热机效率，下列说法正确的是（ ）
A．1kg汽油燃烧放出的热量，在数值上等于汽油的热值
B．燃料燃烧释放的热量越多，热值越大
C．使燃料燃烧更充分，可以提高热机的效率
D．热机使用的燃料的热值越大，热机的效率就越高
【答案】C
【详解】AB．热值指单位质量的燃料完全燃烧时放出的热量，在数值上等于1kg汽油完全燃烧放出的热量，热值是燃料的一种特性，和燃料是否燃烧、是否完全燃烧、燃料的质量等无关，故AB错误；
C．使燃料燃烧更充分，可以增大有效利用的能量，提高热机的效率，故C正确；
D．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，与燃料的热值无关，故D错误。
故选C。
角度2：热机效率的计算
例5.
某汽油机在一次工作中消耗了2kg汽油，对外做功为2.3×107J，则该汽油机的效率是 _____（汽油的热值为4.6×107J/kg）。
【答案】25%
【详解】根据题意可得，汽油完全燃烧放出的热量为Q放＝mq＝2kg×4.6×107J/kg＝9.2×107J
汽油机的效率为
角度3：提高热机效率的方法
例6.
汽车的发动机用水来冷却汽缸是因为水的_______较大。热机的效率是热机性能的重要指标，下列操作中不能提高汽车热机效率的有_______（选填序号）
①定期保养，更换机油，保持润滑；
②添加燃油添加剂，使燃烧更充分；
③停车等待较长时间时，熄火；
④使用涡轮增压，利用尾气的能量做功。
【答案】 比热容 ③
【详解】[1]用水来冷却汽缸，因为水的比热容较大，即相同质量的水和其它液体相比较，若都是升高相同的温度，水能吸收的热量较多，故用水冷却效果较好。
[2]①定期保养，更换机油，可以减小摩擦，减少额外功，从而提高热机效率，故①不符合题意。
②添加燃油添加剂，使燃烧更充分，可提高燃料的利用率，从而提高热机效率，故②不符合题意。
③停车等待较长时间时，熄火，可节约能源，减少做功时间，但不能提高热机效率，故③符合题意。
④使用涡轮增压，利用尾气，减少了热量损失，从而提高热机效率，故④不符合题意。
角度4：燃料的利用与环境保护
例7.
人们通常用砖砌成炉灶烧煤来加热水（如图甲），小明同学将这些普通的炉灶壁改装成装水的容器，这样在给水壶内的水加热的同时，也加热了炉灶壁内的水（如图乙）。这样做有利于（ ）
A．提高煤的热值B．煤的充分燃烧
C．提高炉子的效率D．水壶内水吸收热量
【答案】C
【详解】A．热值是燃料的特性，只与燃料的种类有关，所以其热值不变，故A不符合题意；
BCD．由题意可知，双加热煤炉相对于普通煤炉，在给壶内水加热的同时，还可将炉壁间的水加热，减少了热量的损失，提高了炉子的效率，对煤的充分燃烧没有影响；两个炉灶水壶内水质量相等，初温相等，水沸腾时末温相等，由可知，水壶里的水在两个炉灶中吸收的热量相等，所以改装炉灶壁不能影响水吸收的热量，故C符合题意，BD不符合题意。
故选C。

1．（2022·山东日照）(多选）2021年10月16月，搭载“神舟十三号”载人飞船的运载火箭精准点火，液氢燃料燃烧，火箭拔地而起。2022年3月23日，航天员在“天宫课堂”做了将水连接在两块玻璃板之间形成“水桥”，液体结晶使“冰球发热”等实验。2022年4月16日，“神舟十三号”载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。返回舱进入大气层时，与大气剧烈摩擦，发出耀眼的光。下列判断正确的是（ ）
A．选择液氢燃料主要是液氢的比热容大
B．“水桥”的形成是因为分子之间存在引力
C．液体结晶的球发热是因为液体结晶过程中内能增加
D．返回舱进入大气层发出光是做功改变了返回舱的内能
【答案】BD
【详解】A．选择液氢燃料主要是液氢的热值高，与燃烧质量相同的其他的燃料相比产生的热量更多，故A错误；
B．在太空中可以在两块玻璃板之间，用水搭出的一座桥，说明水分子之间存在相互作用的引力，故B正确；
C．液体结晶过程中液态变为固态的过程，即凝固过程，而凝固的过程向外放出热量，内能减少，故C错误；
D．返回舱进入大气层，与大气剧烈摩擦，发出光，是做功使返回舱的内能增大，故D正确。
故选BD。
2．（2022·湖南株洲）（多选）为了提高工作效率，机场工作人员经常以电动平衡车（如图甲）代步。某次工作人员骑着平衡车（其铭牌如图乙）在水平地面上以最高速度匀速直线行驶了一段距离，行驶时平衡车受到的阻力为120N，功率为额定功率，此过程中下列说法正确的是（ ）
A．牵引力的大小约为150NB．牵引力做功的功率约为600W
C．牵引力做功的功率约为480WD．电动平衡车的效率约为80%
【答案】CD
【详解】A．电动平衡车做匀速直线运动，处于平衡状态，所受的牵引力为，故A错误；
BC．电动车牵引力做功的功率为，故B错误，C正确；
D．电动平衡车的效率为，故D正确。
故选CD。
3．（2022·广西柳州）下列关于热机的说法正确的是（ ）
A．热机的效率为100%B．热机只有汽油机和柴油机两种
C．好的热机工作时不排放废气D．热机工作时都要利用燃料的化学能
【答案】D
【详解】A．热机工作过程中不可避免地要克服机件间的摩擦而做额外功，无法使热机的效率达到100%，故A错误；
B．蒸汽机、火箭、柴油机、汽油机等都属于热机，故B错误；
C．热机排气冲程中排出废气，故C错误；
D．热机工作时时，热机先将燃料的化学能转化为内能，后把内能转化为机械能，故D正确。
故选D。
4．（2022·吉林长春）内燃机的能量流向图如图所示。内燃机的效率为（ ）
A．7%B．28%C．31%D．34%
【答案】D
【详解】内燃机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，所以，结合能量流向图可知，该内燃机的效率为34%。
故选D。
5．（2022·湖北十堰）为实现国家关于“碳达峰”“碳中和”目标，东风汽车集团研发了一款新型汽车。与某款汽车同样油耗和使用条件下，发动机工作时，尾气中“汽油味”明显降低，动力更强劲。如图为其发动机某一冲程示意图，下列有关说法错误的是（ ）
A．尾气中“汽油味”降低，是因为汽油在汽缸中燃烧比较完全
B．该冲程为做功冲程，内能转化为机械能
C．汽油在汽缸内完全燃烧，发动机效率可达100%
D．该发动机减少了碳排放，有利于节约能源和环境保护
【答案】C
【详解】A．尾气中“汽油味”明显降低，这说明汽油的燃烧率较高，燃烧较完全，故A正确，不符合题意；
B．如图所示，两个气门都关闭，火花塞点火，活塞向下运动，为做功冲程，此冲程燃气的内能转化为活塞的机械能，故B正确，不符合题意；
C．汽车在工作时不可避免的要克服机械部件间的摩擦做额外功，机械效率一定小于100%，故C错误，符合题意；
D．尾气中“汽油味”明显降低，这说明汽油的燃烧率较高，在做相同有用功时，消耗的燃料少，减少了碳排放，有利于节约能源和环境保护，故D正确，不符合题意。
故选C。
6．（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
【答案】C
【详解】ABC．热值是燃料自身的一种属性，大小与燃料的质量、温度、燃烧情况无关，故AB错误，C正确；
D．根据公式Q=mq可知，燃料燃烧放出的热量多少与燃料的热值、燃料的质量有关，与燃烧时的温度无关，故D错误。
故选C。
7．（2022·湖南衡阳）汽车的发动机大多数是内燃机，内燃机是热机的一种，下列关于热机和环境保护的说法，正确的是（ ）
A．热机排出的尾气没有内能B．热机的效率能达到100%
C．热机的大量使用会造成环境污染D．汽油机的做功冲程是将机械能转化成内能
【答案】C
【详解】A．一切物体在任何温度下都有内能，所以热机排放的尾气也有内能，故A错误；
B．热机在工作时不可避免地要损失一部分能量（如散热、克服机械部件间的摩擦），所以热机的效率不可能达到100%，故B错误；
C．热机在使用时会排放出一些有害的气体，会造成环境污染，故C正确；
D．汽油机的做功冲程对外做功，将内能转化为机械能，故D错误。
故选C。
8．（2022·江苏镇江）如图所示，用甲、乙两种燃料分别对质量和初温相同的水进行加热，两图装置均相同。燃料的质量用m表示，燃料充分燃尽时水升高的温度用Δt表示（水未沸腾）（ ）
A．若m相同，Δt越小，燃料的热值越大B．若Δt相同，m越大，燃料的热值越大
C．若的值越大，燃料的热值越大D．若的值越大，燃料的热值越大
【答案】D
【详解】我们假定为两套装置的加热水的效率是相同的。燃料的热值大小不能直接测量，需要通过水吸收热量的多少来体现燃料燃烧放出热量的多少，而水吸收热量的多少跟水的质量和升高的温度有关，因此为了比较热值大小可以利用Q吸=Q放η，而Q吸=c水m水Δt，Q放=mq，即c水m水Δt=mqη
解得，通过这个式子可以做以下推导：
A．若m相同，Δt越小，则燃料的热值越小，故A错误，不符合题意；
B．若Δt相同，m越大，则燃料的热值越小，故B错误，不符合题意；
C．若的值越大，即的值越小，则燃料的热值越小，故C错误，不符合题意；
D．若的值越大，则燃料的热值越大，故D正确，符合题意。
故选D。
1．2016年8月，我国发射了全球首颗量子卫星 “墨子号”，发射卫星的火箭常用液态氢作为燃料，主要是因为液态氢具有（ ）
A．较大的比热容B．较高的热值C．较小的密度D．较低的沸点
【答案】B
【详解】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，与其他燃料比较，完全燃烧相同质量的氢时，可以释放出更多的热量，故B符合题意，ACD不符合题意。
故选B。
2．关于燃料和热值，以下说法正确的是（ ）
A．燃料热值与燃料的质量无关
B．容易燃烧的燃料，热值一定大
C．煤的热值大于干木柴的热值，燃烧煤放出的热量一定比燃烧木柴放出的热量多
D．热量在数值上等于1kg某种燃料燃烧放出的热量
【答案】A
【详解】A．燃料的热值只与燃料的种类有关，与燃料的质量无关，故A正确；
B．热值大小与燃料是否容易燃烧无关，故B错误；
C．煤的热值比干木柴大，说明1kg的煤完全燃烧放出的热量比1kg干木柴完全燃烧放出的热量多，本选项的说法中两者质量不一定相等，且不一定完全燃烧，故C错误；
D．根据公式可知，燃料放出热量的多少与质量和热值有关，故D错误。
故选A。
3．甲、乙两台汽油机，甲的热机效率比乙高，下列说法中正确的是（ ）
A．甲做的功多
B．乙的功率小
C．做同样多的有用功，甲消耗的汽油少
D．消耗同样多的汽油，甲做的有用功比乙少
【答案】C
【详解】AB．甲的热机效率比乙高，由机械效率的公式分析知，无法确定甲、乙做功的多少及功率的大小，故AB错误；
C．由机械效率的公式分析知，做同样多的有用功时，η与W总成反比，甲的热机效率比乙高，所以甲做的总功少，因此甲消耗的汽油就少，故C正确；
D．消耗同样的汽油时，说明两台汽油机做的总功相同。又知甲的热机效率比乙高，所以根据机械效率的公式分析知，做同样多的总功时，η与W有成正比。甲的热机效率比乙高，所以甲做的有用功多，故D错误。
故选C。
4．质量为3kg的汽油用去了三分之一，剩下的汽油（ ）
A．比热容为原来的三分之一，热值不变
B．热值为原来的三分之一，比热容不变
C．比热容和热值都保持不变
D．比热容和热值均变为原来的三分之一
【答案】C
【详解】比热容和热值是物体本身的属性，比热容和热值的大小与物体的体积、质量、形状都无关，与物质的种类有关，故ABD不符合题意，C符合题意。
故选C。
5．2021年10月16日0时23分，伴随着一阵轰鸣声神舟十三号顺利发射升空。如图是“神舟十三号”发射时的情境，关于飞船发射，下列说法正确的是（ ）
A．轰鸣声的传播需要介质
B．火箭加速升空的过程中，机械能不变
C．发射火箭用液体氢作燃料是因为氢的密度小
D．火箭升空时相对地面静止
【答案】A
【详解】A．轰鸣声不能在真空中传播，声音的传播需要介质，故A正确；
B．火箭加速升空的过程中，质量不变，速度增大，高度增大，动能增大，重力势能增大，所以机械能增大，故B错误；
C．发射火箭用液体氢作为燃料的主要原因是氢的热值高，相同质量的氢与其它燃料相比，完全燃烧放出的热量多，故C错误；
D．火箭升空时相对地面位置发生了变化，故火箭是运动的，故D错误。
故选A。
6．有经验的司机一旦发现汽车在行驶过程中冒“黑烟”就该进行保养了。这是因为此种情况下发动机的效率______（填“升高”或“降低”）；若某内燃机一个工作循环对外做功500J，则燃料完全燃烧所放出的热量一定______500J。（填“大于”“等于”或“小于”）
【答案】 降低 大于
【详解】[1]冒“黑烟”说明燃料燃烧不充分，消耗同样多的燃料，所做有用功减少，由可知，发动机的效率降低。
[2]热机在工作过程中，会损失大量的热量，用来做有用功的能量小于燃料完全燃烧放出的热量，所以，内燃机一个工作循环对外做功500J，则燃料完全燃烧所放出的热量一定大于500J。
7．如图所示是某汽车的内燃机能量流向图，根据信息解答下列问题：内燃机的效率为_________，请提出一条提高内燃机工作效率的措施_________________。
【答案】 30% 见解析
【详解】[1]由流向图可知，内燃机的效率为
[2]提高内燃机工作效率的措施有使燃料燃烧更充分或减少废气带走的热量等。
8．在“比较不同燃料热值”的实验中，小明利用与图示完全相同的两套实验装置，分别在燃烧皿中放入质量相同的燃料甲和燃料乙，点燃后对质量都为100g、初温都为20℃的水加热，燃烧相同时间后发现，用甲加热后的水温度为30℃，另一杯水温度为24℃，实验中通过比较___________来反映燃料燃烧放出热量的多少。此时不能说明甲的热值较大，理由是___________。
【答案】 温度计示数 燃料质量不一定相等
【详解】[1]吸收的热量越多，质量和初温都相同的水温度升高的度数大，则燃料燃烧放出热量的多少是通过温度计升高示数反映的。
[2]甲杯水的温度升高的较快，即甲燃烧产生的热量多，但相同时间两种燃料燃烧的质量不能比较，故不能比较热值的大小。
9．一架在一次执行任务的过程中，飞行距离为4000km，消耗航空煤油的质量为50t，若飞机飞行时受到的平均阻力的大小为2.5×105N，该过程中飞机发动机的推力做的功为______J，发动机的效率为______%（航空煤油的热值为4×107J/kg）。
【答案】 1×1012 50
【详解】[1]飞机匀速飞行时，发动机的推力与受到的阻力是一对平衡力，根据二力平衡条件可知，飞机发动机的推力
该过程中飞机发动机的推力做的功
[2]航空煤油完全燃烧放出的热量
发动机的效率
10．我国科学家首次在南海成功试采“可燃冰”。已知“可燃冰”的热值为，该热值所表示的物理含义是：___________
【答案】完全燃烧的可燃冰，释放的热量是
【详解】热值是燃料的一种属性，“可燃冰”的热值为，该热值所表示的物理含义是：完全燃烧的可燃冰，释放的热量是。
热值是燃料的一种固有性质
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
对完全燃烧的理解
对于热值的概念，要注重理解三个关键词：“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg是指燃料的质量，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不等于热值的数值；某种燃料是指热值与燃料的种类有关；完全燃烧意思是燃料要完全烧尽，否则1kg燃料燃烧过程中，化学能转变成内能就不是该热值所确定的值
热值的作用
燃料热值的高低是衡量燃料优劣的主要指标
几种常见燃料的热值/（J·kg-1）
燃料油
酒精
无烟煤
烟煤
4.2×107
3.0×107
约3.4×107
约2.9×107