第04講 熱機的效率（預(yù)習(xí)）（原卷版）

第04講熱機的效率內(nèi)容導(dǎo)航——預(yù)習(xí)三步曲析教材學(xué)知識：教材精講精析、全方位預(yù)習(xí)練習(xí)題講典例：教材習(xí)題學(xué)解題、快速掌握解題方法練考點強知識：六大核心題型精準練串知識識框架：思維導(dǎo)圖助力掌握知識框架、學(xué)習(xí)目標復(fù)核內(nèi)容掌握過關(guān)測穩(wěn)提升：小試牛刀檢測預(yù)習(xí)效果、查漏補缺快速提升①背景引入：在歷史上很長一段時期，木柴和煤炭是人類的主要生活燃料。20世紀末，煤氣成為城市居民日常使用的生活燃料，煤氣生產(chǎn)出來后儲存在巨大的“煤氣包”(圖10-4-2)中，并通過管道輸送到千家萬戶；進入21世紀以后，更清潔環(huán)保的天然氣逐步替代煤氣成為居民的主要生活燃料.遍布城市各處的“煤氣包”也陸續(xù)退出歷史舞臺。②燃料燃燒放出的熱量與哪些因素有關(guān)a.根據(jù)常識，通常情況下，質(zhì)量（或體積）不相等的同種燃料，在完全燃燒時所放出的熱量不相同；b.通常情況下，體積相同的煤氣和天然氣完全燃燒，天然氣放出的熱量比煤氣放出的熱量多。研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量（或體積）相等的不同燃料，在完全燃燒時所放出的熱量一般不同。那么，燃料燃燒放出的熱量與哪些因素有關(guān)？2、熱值①燃料的熱值：在物理學(xué)中，把某種燃料完全燃燒時放出的熱量Q與燃料質(zhì)量m之比，叫做這種燃料的熱值,用q表示，單位是焦/千克，符號是J/kg。熱值q可表示為Qm所以，燃料完全燃燒放出的熱量Q=mq。②氣體燃料熱值的第二定義（或公式氣態(tài)燃料的熱值也可以用1個標準大氣壓、0℃時，氣體完全燃燒時放出的熱量與其體積之比來表示，熱值q可表示為單位是焦/米3,符號是J/m3。3、表10-4-1是一些常見燃料的熱值。知識點2熱機效率1、熱機工作時的能量分配熱機工作時對外做功的能量只是從高溫物體吸收的一部分能量；高溫物體的相當一部分能量散失了。對于內(nèi)燃機而言，由于其排出的廢氣溫度較高，帶走很大一部分能量；此外，還有一部分能量損耗在散熱及克服摩擦做功上。圖10-4-4為某汽車發(fā)動機的能量分配圖。2、熱機效率①熱機效率：熱機工作時，用來做功的能量與燃料完全燃燒放出的能量之比，叫做熱機的效率。*②熱機效率的公式表示；其中W做功表示用來做功的能量，單位是焦（JQ放表示燃料完全燃燒放出的能量，單位是焦（Jη表示熱機效率,通常用百分率表示。③常見熱機的熱機效率：蒸汽機的效率很低、只有6%～15%。內(nèi)燃機中的燃料與空氣充分混合后在氣缸內(nèi)燃燒，效率普遍高于蒸汽機。目前，汽油機的效率一般可達20%～30%,柴油機的效率則可達30%～45%。熱機的效率是熱機性能的重要指標，在做功相同的情況下，熱機的效率越高，燃料的消耗越少。高效率、低油耗熱機的研制是現(xiàn)代科技的一個重要方向。④提高熱機效率的途徑a.提高燃料利用率，使燃料充分燃燒；b.改進熱機，減少各種能量損失；c.充分利用廢氣的能量；d.注意保養(yǎng)，保證良好的潤滑，減少因克服摩擦阻力而額外消耗的能量。3、熱機的使用對環(huán)境有何影響?第一次工業(yè)革命以來，熱機的大量使用使人類擺脫了繁重的體力勞動，促進了生產(chǎn)力的發(fā)展。但是熱機工作時所排放的廢氣中含有二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等多種氣體，會對環(huán)境產(chǎn)生一定程度的破壞。二氧化硫與氮氧化物排放在大氣中形成酸雨(圖10-4-5)。二氧化碳及大量熱量通過廢氣排入空氣中，導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇、全球氣候變暖。為此，我國不斷提升機動車污染物排放標準，促進熱機技術(shù)升級。與此同時，大力發(fā)展公共交通系統(tǒng)，鼓勵公眾綠色環(huán)保出行，倡導(dǎo)節(jié)能減排的生活方式。4、STSE（部分2022年，北京冬季奧運會首次使用氫（作為火炬）燃料。氫燃燒時，只生成水而不產(chǎn)生二氧化碳，幾乎實現(xiàn)零碳排放，真正體現(xiàn)北京冬季奧運會的持續(xù)的“綠色環(huán)?！崩砟睢?、氫燃料不但綠色環(huán)保，而且熱值大，完全燃燒相同質(zhì)量的氫燃料，氫燃料可以放出更多的熱量；故氫燃料（液態(tài)氫）常作為火箭發(fā)動機的燃料。教材習(xí)題01閱讀表10-4-1,回答下列問題。(1)酒精熱值的物理意義是什么?(2)完全燃燒2kg干木柴可以釋放出多少熱量?如果放出相同的熱量，則需要完全燃燒多少立方米天然氣(0℃,1個標準大氣壓)?(3)燃料燃燒實際放出的熱量，往往比根據(jù)熱值計算出來的要少，而且有效利用的熱量又比放出的熱量少，為什么?題型一計算題1．已知柴油的熱值為4.3×107J/kg，求4kg柴油完全燃燒釋放的熱量。2．太陽能熱水器深受廣大用戶的青睞，如圖是常見的太陽能熱水器。假如該熱水器內(nèi)盛有100kg、25℃的水，在陽光的照射下，水溫升高到55℃,那么這些水吸收了多少熱量？這些熱量相當于多少焦炭完全燃燒所釋放的熱量水的比熱容為4.2×103J/(kg.℃)，焦炭的熱值是3.0×107J/kg）3．小紅家煮飯、燒水使用的是管道天然氣，已知天然氣的熱值是8.4×107J/m3，放出的熱量有50％被有效利用，現(xiàn)要將質(zhì)量為4kg，初溫為25℃的水加熱到100℃,求：(1)水吸收的熱量是多少？(2)需要完全燃燒多少立方米的天然氣？4．小明同學(xué)的爸爸駕車去往40km的目的地，此過程消耗了汽油2.1kg，已知汽油的熱值為4.6×107J/kg。若汽車行駛過程中發(fā)動機的牽引力為725N。求：(1)完全燃燒2.1kg汽油放出的熱量；(2)該汽車的熱機效率。5．某家庭需要將50kg、20℃的水加熱升高60℃作為生活用熱水，他們利用煤氣灶燒水，需燃燒0.8kg煤氣。已知煤氣的熱值q=4.2×107J/kg，水的比熱容c=4.2×103J/（kg·℃)。求：(1)50kg、20℃的水加熱升高60℃需吸收的熱量；(2)完全燃燒0.8kg煤氣放出的熱量；6．如圖所示，輕巧便攜的卡式爐已成為戶外餐桌上的神器，卡式爐又叫便攜式丁烷氣爐，某種氣瓶裝有250g液化丁烷氣，若該液化丁烷氣的熱值約為4.8×107J/kg。水的比熱容為4.2×103J/（kg·℃)。求：(1)這瓶丁烷氣完全燃燒放出的熱量；(2)若這些熱量有35%被水吸收，可以把多少kg初溫為20℃的水燒開（標準大氣壓下）？7．某家庭天然氣熱水器將質(zhì)量為80kg，溫度為20℃的自來水加熱到70℃,消耗的天然氣體積為1m3（假設(shè)天然氣完全燃燒）。已知水的比熱容為c水=4.2×103J/(kg.OC)，天然氣的熱值為3.0×107J/m3。求：（1）1m3天然氣完全燃燒放出的熱量。（2）該熱水器的工作效率。8．下表列出了幾種燃料的熱值，單位是J/kg。干木柴無煙煤酒精煤油氫氣1.2×1073.4×1073.0×1074.6×1071.4×108（1）完全燃燒1g的酒精可放出熱量為多少J？（2）放出相同的熱量，求完全燃燒干木柴與氫氣的質(zhì)量之比。題型二熱值的有關(guān)概念辨析、填空9．汽油在使用過程中，隨著質(zhì)量的減小，它的()A．熱值不變、比熱容不變B．熱值變小、比熱容變小C．熱值不變、比熱容變小D．熱值變小、比熱容不變10．焦炭的熱值是3×107J/kg，它的物理含義是。11．關(guān)于燃料的熱值，以下說法正確的是()A．燃料的熱值與燃料的燃燒情況有關(guān)B．1g汽油和2kg汽油，它們的熱值是一樣的C．煤的熱值比干木柴大，燃燒煤放出的熱量一定比干木柴的多D．容易燃燒的燃料，熱值一定大12．下列關(guān)于燃料的熱值說法正確的是()A．燃料燃燒越充分，其熱值越大B．燃料的熱值越小，完全燃燒放出的熱量越少C．一瓶酒精用去三分之一，剩余酒精的熱值將減小D．焦炭的熱值是3.0×107J/kg，完全燃燒1kg焦炭能放出3.0×107J的熱量題型三比較不同燃料的熱值大小13．目前，大部分汽車使用汽油作為燃料，這是因為汽油的熱值（選填“大”或“小”如果油箱中的汽油用去了一半，則剩余汽油的熱值（選填“增大”“減小”或“不變”）。14．我國航天事業(yè)迅猛發(fā)展，科學(xué)家正在研制大功率液氫發(fā)動機，主要是因為氫燃料()A．比熱容大B．密度小C．熱值大D．內(nèi)能大題型四熱值、熱機效率綜合辨析、填空15．2024年10月30日，搭載著神舟十九號載人飛船的長征二號F遙十九運載火箭成功發(fā)射。此過程中，火箭燃料的熱值（選填“增大”“減小”或“不變”熱機效率（選填“一定”或“不可能”）達到100%。16．下列關(guān)于熱機和熱值說法正確的是()A．所用燃料的質(zhì)量越多，燃料熱值越大B．熱機功率越大，熱機效率越高C．熱機消耗的燃料越多，熱機的效率越低D．盡量熱機保持良好潤滑，可以提高熱機效率17．下列關(guān)于熱值和熱機效率的描述，正確的是()A．一瓶酒精用去一半，酒精的熱值減小一半B．使燃料充分燃燒，可以增大燃料的熱值C．通過技術(shù)改進，汽車發(fā)動機的效率可以達到100%D．熱機效率越高，它將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的比例越大18．關(guān)于熱機的效率，下列說法正確的是()A．熱機的效率越高說明做功越快B．熱機的效率越高說明做功越多C．在做功同樣多的情況下，熱機的效率越高，消耗的燃料越少D．熱機損失的能量中，廢氣帶走的最少19．關(guān)于熱值和熱機效率，下列說法正確的是()A．熱機消耗燃料越少，效率越高B．使燃料燃燒更充分，可以增大熱值C．燃料燃燒釋放的熱量越多，熱值越大D．使燃料燃燒更充分，可以提高熱機的效率題型五熱機工作時的能量分配圖20．如圖是某內(nèi)燃機工作時的能量流向圖，該內(nèi)燃機的效率是()A．25%B．35%C．60%D．40%21．汽車發(fā)動機一般是汽油機，汽油的熱值為4.5×107J/kg。某內(nèi)燃機的能量流向如圖所示，下列說法正確A．該汽油機的效率為35%B．1kg的汽油燃燒能夠釋放4.5×107J/kg的能量C．換用熱值較大的燃料，熱機效率會提高D．如果改進技術(shù)，汽油機的效率就可以達到100%22．汽車發(fā)動機一般是汽油機或柴油機。小明閱讀了某牌號汽車發(fā)動機的說明書后，將內(nèi)燃機的能量流向制成如圖所示的圖表。根據(jù)圖表給出的信息，該發(fā)動機的效率是。當汽油在發(fā)動機內(nèi)燃燒不充分時會冒“黑煙”，這時發(fā)動機的效率將（填“升高”、“不變”或“降低”）。23．如圖甲所示是我國研制的重型燃氣發(fā)動機。該發(fā)動機若選擇用液態(tài)氫作為燃料，是因為液態(tài)氫有較大的（選填“比熱容”或“熱值”）。某次試驗中該發(fā)動機的能量流向圖如圖乙所示，若該實驗中消耗的燃料完全燃燒放出的熱量為3×108J，則該次實驗中發(fā)動機所做功的有用機械能為J。題型六熱值、熱機效率的應(yīng)用24．一臺單缸四沖程柴油機，飛輪轉(zhuǎn)速為3600轉(zhuǎn)/分鐘，該柴油機活塞1s對外做功次。若其效率為40%，消耗5kg的柴油轉(zhuǎn)化成的機械能是J。（q柴油=4.3×107J/kg）25．小明在2024年珠海航展上不僅觀摩了精彩的飛行表演，還了解到一個信息：某型號飛機，其熱機每消耗100kg燃油可讓飛機獲得2.1×109J的機械能。若燃油熱值取q=4.2×107J/kg，則100kg燃油完全燃燒產(chǎn)生的熱量為J，該熱機效率為。若要提高熱機效率，請給出一條建議。26．某大學(xué)的一項最新研究，直接把鋰金屬電池能量密度突破了500W?h/kg，超過現(xiàn)有鋰離子電池一倍以上，能量密度（能量與質(zhì)量的比值）相當于熱學(xué)中的（選填“密度”或“熱值”若某新能源車使用該電池，已知該新能源車的電池組電容量為3.6×108J，則電池組的質(zhì)量為kg。27．如圖所示為四沖程汽油機工作時的沖程，若其效率為30%，消耗100g汽油，對外做功J。若水箱中5kg的水由20℃升高到100℃,水吸收J的熱量。[q28．發(fā)動機是汽車的核心部件，發(fā)動機的質(zhì)量決定了整車的性能和品質(zhì)，現(xiàn)代汽車主要分汽油與柴油兩類發(fā)動機。（1）如圖A所示，汽油機一個工作循環(huán)包括四個沖程，一個汽缸正常工作四個沖程順序是（按“甲、乙、丙、丁”重新排序圖所示沖程汽油機給汽車提供動力，將燃料燃燒放出的能轉(zhuǎn)化為機械能。汽車發(fā)動機通常用水做冷卻劑是因為水的；（2）如圖B所示是某小轎車汽油機工作時的能量轉(zhuǎn)化示意圖，則該汽油機的效率是，該車完全燃燒2L汽油，釋放的熱量是J，若在效率不變的情況下，轉(zhuǎn)化為有用的機械能是J。（汽油的密度ρ=0.7×103kg/m3，汽油的熱值q＝4.6×107J/kg（3）近年來，我國汽車保有量在迅速增長。若一輛汽車每年耗油1.8t，汽車發(fā)動機的平均效率為25%，如果能把發(fā)動機效率提高1%，則每輛汽車每年大約可節(jié)約kg汽油（結(jié)果保留整數(shù)）。一、單選題1．實驗小組同學(xué)發(fā)現(xiàn)，相同情況下燒開一壺水，用天然氣比用煤氣的量要少，其原因是由于這兩種燃料具A．質(zhì)量B．熱值C．比熱容D．密度2．長征五號火箭為我國載人航天工程作出卓著貢獻。長征五號火箭發(fā)動機使用液氫作燃料，是利用液氫的A．密度大B．比熱容大C．熱值高D．熱效率高3．汽油的熱值為4.6×107J/kg，則燃燒2kg的汽油放出的熱量不可能為()7J4．兩種燃料的熱值是2:3，如果它們的質(zhì)量之比是1:3，那么它們完全燃燒放出的熱量之比是()A．2:1B．2:9C．1:15．關(guān)于熱機的效率，下列說法正確的是()A．一般情況下柴油機的效率比汽油機的高B．熱機的效率越高，在做功同樣多的情況下消耗的能量越多C．熱機的效率越高說明做功越快D．汽油機的效率可以達到100%6．利用一燃氣熱水器對10kg、20℃的水進行加熱時，完全燃燒了0.105m3的煤氣。已知水的比熱容為,煤氣的熱值為4×107J/m3，該熱水器燒水的效率是50%。下列說法中()①煤氣完全燃燒放出的熱量是4.41×103J②水吸收的熱量是2.1×106J③水溫升高了50℃④加熱過程中水的內(nèi)能保持不變A．只有①④正確B．只有②③正確C．只有①②正確D．只有②③④正確7．如圖是甲、乙兩臺汽油機燃燒同種燃油的能量流向及比例的餅形圖，下列正確的是()A．行駛同樣的里程，甲更省油B．若增加燃燒同種燃油的質(zhì)量，甲汽油機的熱機效率可以更高C．乙汽油機做有用功的比例比甲汽油機大，乙的熱機效率更大D．若燃燒質(zhì)量相同的同種燃油，乙汽油機各種能量損失的總和更多二、填空題8．汽油的熱值為4.6×107J/kg，它表示的物理意義是；現(xiàn)有汽油2kg，取其中一半完全燃燒，放出的熱量是J，剩余汽