内能与热机提高训练
1．随着经济的发展，汽车已成为人们常用的交通工具。一辆使用汽油为燃料的小汽车，在路面水平的高速公路上匀速行驶。如表是当小汽车以100km/h的速度行驶时的部分参数及相关数据。
发动机功率/W
18750
百公里油耗/L
8
汽油的热值/（J•L﹣1）
3.375×107
①匀速行驶10km消耗了 0.8 L汽油；
②消耗的燃油完全燃烧放出的热量为 2.7×107 J；
③此时发动机的效率是 25% 。
2．小明同学学习了燃料的热值后，自己设计一个实验来比较煤油和菜籽油的热值的大小关系。
（1）小明是这样设想的：从热值的概念看，燃料热值=．热值的大小可由两个量计算得出，类比物体运动快慢的比较、物体做功快慢的比较，他想比较两种燃料的热值大小需要关注两个量：一个是燃料完全燃烧放出的热量。热量在初中物理中没有办法直接测量进行比较，可以转化为“比较水吸收的热量”。第二个，在实验中还应控制煤油和菜籽油的 质量 相同。
根据上述实验设计思想，他组装了如图所示的装置进行实验，这两套装置除灯中燃料外其余完全相同。
燃料
加热前的水温/℃
燃料燃尽后水温/℃
煤油
25
44
菜籽油
25
34
（2）小明记下温度计的示数，点燃灯具开始对水进行加热，当灯中燃料燃尽时，又记录了温度计的示数。实验记录如表所示，分析可得：煤油和菜籽油两种燃料中，热值较大的是 煤油 。
（3）小明同学还设想：根据水的质量和变化的温度计算出水吸收的热量，它等于燃料燃烧放出的热量，再除以燃料的质量就可以准确地计算出两种燃料热值的具体数值。他这种设想不可行的原因是 燃料燃烧放出的热量未全部被水吸收 （写出一种即可）。
3．小王学习燃料的热值之后，自己设计一个实验来探究酒精和碎纸片的热值大小。
（1）实验装置如图甲、乙所示，你认为图中横杆、温度计、铁圈、燃具四个器件的安装顺序是
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由下而上 （由下而上/由上而下）。
（2）为保证实验结论的可靠，在实验中应控制的因素有： 酒精和碎纸片的质量 ， 两杯水的质量 等。
（3）实验数据记录如表：
燃 料
加热前水温℃
燃料燃尽时水温℃
燃料的热值 J/kg
酒 精
15
35
2.4×106
碎纸片
15
25
？
根据表中数据，计算出碎纸片的热值是 1.2×106 J/kg。
（4）通过实验得到的燃料热值与实际相比是偏 小 （选填“大”或“小”），你认为出现这样情况的主要原因是： 存在热损失或者燃料没有完全燃烧 。
（5）另一组同学用同样的装置进行实验，在实验中两种燃料完全燃烧完之前都使得水沸腾了，你能否比较出两种燃料的热值？ 不能 （能/不能）理由： 水沸腾后吸热温度保持不变，因此无法比较燃料放出热量的多少 ，为避免这种情况的出现，你可以对他们组提什么改进建议？ 增加水的质量或减少燃料的质量 。
4．阅读短文，回答问题：
喷气发动机
随着航天和航空事业的发展，普通的内燃机已经不能提供足够的动力，人们迫切需要大功率的发动机以提高飞行器的飞行速度，因此 喷气发动机就应运而生，它主要有涡轮喷气发动机 和火箭发动机。
涡轮喷气发动机使压缩缩后的混合气体在燃烧室燃烧（如图甲），燃烧后剧烈膨胀的气体从尾部高速喷出，其目大的反冲推力成为飞机的推进力，减小发动机的体积和质量，使用高能燃料，可以获得更人的推进力。
火箭发动机和涡轮喷气发动机十分相似，主要的差别是：火箭自带燃料和氧化剂（如图乙），涡轮喷气发动机只带燃料，利用空气做氧化剂，同涡轮喷气发动机相比较，火箭发动机的最大特点是：它自身既带燃料，又带氧化剂，靠氧化剂来助燃，不需要从周围大气层中汲取氧气所以它不但能在大气层内也可以在大气层之外的宇宙真空中工作。
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火箭发动机可用于航天器推进，也可用于导弹等在大气层内飞行。迄今为止发射的人造卫星、月球飞船以及各种宇宙飞行器所用的推进装置，都是火箭发动机，火箭发动机基本都是内燃机。
（1）喷气发动机把燃气的内能转化为 机械能 ，从而提供动力。
（2）据中央电视台新闻联播报道，2017年4月20日19时41分长征七号火箭搭载“快递小哥”天舟一号（图丙）货运飞船成功发射升空。发射天舟一号的遥二运载火箭使用的燃料主要是液态氢，这是因为氢 C 。
A．比热容大 B．凝固点低 C．热值大 D．沸点低
（3）喷气压缩发动机使混合气体在燃烧室燃烧直到膨胀的气体再从尾部高速喷出过程中，燃气的温度是不断变化的，下列能大致反应燃气温度随时间而变化的是 D 。
A． B． C． D．
（4）涡轮喷气发动机 不能 （能/不能）在大气层外工作；
（5）美F﹣1是有史以来人类制造的推力最大的火箭发动机，F﹣1设计海平面平均推力约为6.8×106牛，这样大的竖直向上推力能够在5台并联的时候，将起飞质量3000多吨的土星5号火箭在150秒的时间内推到约6.4×104米的高度，同时最大速度达到2.76千米/秒。美F﹣1I火箭发动机的设计海平面推力的平均功率约为 2.9×109 W。
5．（1）在探究物质某些属性的实验中，有如图1所示甲、乙、丙三套完全相同装置，燃料的质量都是10g，烧杯内的液体的体积都相同。
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比较不同燃料的热值，应选择 甲、丙 两图进行实验；比较不同物质的比热容，应选择 甲、乙 两图进行实验；题中有一处表述错误，请你找出上述的错误，并改正。
错误： 烧杯内的液体的体积都相同 ；改正： 烧杯内的液体的质量都相同 。
（2）某实验小组利用如图2所示的实验装置粗略测量蜡烛的热值q，图中A为穿有小木棍的容器（内装有水），B为下部开了许多通气孔的罩子。
物理量
测量值
容器中水的质量m/g
150
容器中水的初温t1/℃
25
容器中水的末温t2/℃
40
燃烧前蜡烛的质量m1/g
20.6
燃烧后蜡烛的质量m2/g
20
①观察实验装置可知，实验小组同学是通过测量容器中水升高的温度和水的质量间接测量 蜡烛燃烧放出的热量 ；
②某次实验测得的数据如右表，则粗略测得这支蜡烛的热值q= 1.575×107 J/kg。
③本实验测出的热值会比真实值更 小 ，造成这一偏差的原因是 蜡烛燃烧放出的热量没有被水完全吸收 （写一条即可）。
6．小明将装有热奶的奶瓶放入室温的水中，容器中的水的初温约为20℃，热奶的温度约为90℃，同时，他还利用温度计和秒表测出温度随时间的变化情况，并作出了水和热奶的温度随时间变化的关系曲线，如图2所示。其中 ② 曲线是表示热奶的温度随时间的变化情况，大约经过 14 min 时间热奶和水温刚好达到一致。从图象分析可以看出：热奶温度随时间的变化特点是： 随时间的变化热奶温度是先快后慢的降低
思考：
（1）参考这位同学实验的图象，你认为沸水放在房间里，温度自然降低的规律是 A 。
A．先快后慢 B．先慢后快 C．均匀降低
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（2）参考这位同学记录的数据，如果你要喝一杯奶咖，可以有两种方式供你选择：
①先将烧开的热咖啡倒入杯中，冷却5min，然后加一匙冷牛奶；
②先将烧开的热咖啡倒入杯中，立即将一匙冷牛奶加进杯中，然后冷却5min．你认为方式 ① 的冷却效果较好。
7．某型号汽车在车型测试中，在一段平直的公路上以90km/h的速度匀速行驶了9km，消耗汽油2kg．已知汽油的热值q汽油=4.5×107 J/kg．假设汽油完全燃烧，汽油机的效率为40%，则：
（1）汽油完全燃烧放出的热量是多少？
（2）该型号汽车在以此速度行驶的过程中，受到的阻力是多大？
（3）结合汽车内燃机的能量流向图，你认为目前汽车生产厂家及用户们是如何提高该车汽油机的效率？（答出两点即可）
8．如图所示，甲、乙、丙三图中装置完全相同。燃料的质量都是10g，烧杯内的液体初温相同。
（1）比较不同燃料的热值，应选择 甲乙 两图进行实验；比较不同物质的比热容，应选择 甲丙 两图进行实验；
（2）若在研究不同燃料热值实验时，记录数据如下表：
加热前液体温度/℃
燃料燃尽时液体温度/℃
燃料的热值/（J/kg）
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燃料
1
15
35
2.4×106
2
15
25
？
（2）根据表中数据计算：完全燃烧10g燃料1放出的热量为 2.4×104 J；燃料2的热值是 1.2×106 J/kg。
（3）通过实验得到的燃料热值与实际相比是偏小，你认为出现这种情况的主要原因是什么。 燃料燃烧释放的热量不能全部被液体吸收 。
9．某物理兴趣小组的同学，用煤炉给10dm3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。
【解答】解：
（1）2kg煤完全燃烧产生的热量Q放=mq=2kg×3×107J/kg=6×107J；
（2）10dm3水的质量m=ρV=1kg/dm3×10dm3=10kg；
水所吸收的热量Q吸=cm（t﹣t0）=4.2×103J/（kg•℃）×10kg×（80℃﹣20℃）=2.52×106J；
（3）煤炉烧水时的热效率η==×100%=4.2%。
答：
（1）煤完全燃烧产生的热量为6×107J；
（2）经过6min时间加热，水所吸收的热量为2.52×106J；（3）煤炉烧水时的热效率为4.2%。
10．我国首个大型页岩气田﹣﹣涪陵页岩气田已如期建成年产能100亿立方米，相当于建成一个千万吨级的大油田。页岩气是一种清洁新能源，对加快节能减排和大气污染防治具有重要意义。页岩气的热值约为3.0×107J/m3．问完全燃烧1m3的页岩气，能使质量100kg的常压下30℃的水温度升高到多少℃
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？（水的比热容为4.2×103J/（kg℃）
【解答】解：
1m3的页岩气完全燃烧后放出的热量：
Q放=Vq=1m3×3.0×107J/m3=3.0×107J；
由Q吸=cm△t=Q放得，水的温度变化量：
△t==≈71.4℃，
理论上水的末温t=t0+△t=30℃+71.4℃=101.4℃，
在一个标准大气压下，水在100℃沸腾，且沸腾后吸热温度不变，所以最后水温为100℃。
答：吸热后，水温度可升高到100℃。
11．常熟冬天的平均气温逐年走低，越来越多的家庭采用“水地暖”进行供暖。其原理是：在房间地面装饰层下铺设散热管道，通过管道内的热水散热提高室温。当供水温度为50℃时，单位面积的散热功率与地面装饰层材料、散热管材料的对应关系见下表：
散热管\地面装饰层材料
陶瓷
塑料
木地板
聚乙烯（PE﹣RT）
136.6W/m2
103.5W/m2
93.5W/m2
聚丁烯（PB）
125.7W/m2
96.9W/m2
90.0W/m2
（1）若该地暖系统的总水量为2.0×103kg，将全部的水从10℃加热至50℃，水至少需要吸收多少热量？【c水=4.2×103J/（kg•℃）】
（2）某家庭木地板的面积为100m2，散热管材料为聚丁烯（PB），供水温度为50℃，则该地暖系统每1分钟的散热量为多少焦耳？
（3）若该地暖系统中水加热吸收的热量约有50%能有效供暖，则地暖系统中的水用（1）中方式加热一次可以给上述家庭供暖多少分钟？
【解答】解：
（1）水吸收的热量：
Q吸=cm（t﹣t0）=4.2×103J/（kg•℃）×2×103kg×（50℃﹣10℃）=3.36×108J；
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（2）由题知，散热管材料为聚丁烯、装饰层材料用木地板时，该家庭地面单位面积上的散热功率P=90.0W/m2，且该家庭木地板的面积为100m2，
该供暖系统1min的散热量：
Q散=90.0W/m2×100m2×60s=5.4×105J；
（3）有效供暖的热量：
Q有效=50%×Q吸=50%×3.36×108J=1.68×108J，
可供暖时间：
t==≈311min。
答：（1）水至少需要吸收3.36×108J的热量；
（2）该地暖系统每1分钟的散热量为5.4×105J；
（3）若该地暖系统中水加热吸收的热量约有50%能有效供暖，则地暖系统中的水用（1）中方式加热一次可以给上述家庭供暖311分钟。
12．液化气炉是人们目前比较普遍的炉具，而电磁炉则是新一代的智能炉具。为了比较它们的耗能费用，小明同学进行了调查，得出如下两组数据：
液化气炉（用气）
电磁炉（用电）
热效率
50%
热效率
90%
液化气每瓶净重
15Kg
额定电压
220V
液化气热值
3.54×107J/kg
额定功率
1000W
当地液化气价格
100元/瓶
当地市电价格
0.5元/kW•h
请问：
（1）若小明家每天所需热量相当于把50kg的水从40℃加热到100℃，则他家一天消耗多少热量？【C=4.2×103J/（kg•℃）】
（2）上述热量若靠电磁炉提供，需耗电多少度？若靠液化气提供，需燃烧多少千克的液化气？
（3）通过计算，你认为使用哪种炉具较经济？
【解答】解：（1）他家一天需消耗的热量：
Q=mc△t=50kg×4.2×103J/（kg•℃）×（100℃﹣40℃）=1.26×107J；
（2）上述热量若靠电磁炉提供，需要消耗的电能：
W电===1.4×107J≈3.9kW•h，
若用液化气燃烧放热提供，
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Q放===2.52×107J，
所需液化气的质量：
m==≈0.71kg，
（3）使用电磁炉的费用：3.9kW•h×0.5元/kW•h=1.95元；
使用液化气灶的费用：100元/15kg×0.71kg≈4.7元，
∵1.95元＜4.7元，
∴使用电磁炉更经济。
答：（1）他家一天消耗1.26×107J的热量；
（2）上述热量若靠电磁炉提供，需耗电3.9度；若靠液化气提供，需燃烧0.71kg的液化气；
（3）通过计算，使用电磁炉更经济。
13．为了比较水和煤油的吸热能力，小明设计了如下实验步骤：
A．在两个同样的烧杯中，分别装入等体积的水和煤油；
B．用两支温度计分别测出水和煤油的初温；
C．在烧杯中，分别放入功率相同的电热器，加热时间相同；
D．用温度计分别测出水和煤油的末温。
小聪认为：
（1）步骤A存在的错误是： 装入等体积的水和煤油 ，应改为 装入等质量的水和煤油 ；
（2）步骤C，加热时间相同是为了使水和煤油 吸收的热量相同 。
（3）步骤B和D是为了得出水和煤油的 升高的温度 。
14．现代家庭装修中有些浴室使用燃气热水器提供热水，小芳家安装了燃气热水器。已知水进入热水器前的温度是10℃，洗澡时热水器输出热水的温度设定为40℃；如果小芳洗一次澡用热水0.05m3，水的比热容是4.2×103J/kg•℃．求：
（1）所用热水的质量为多少？
（2）水从热水器中吸收多少热量？
（3）若天然气完全燃烧释放热量的70%被水吸收，需要消耗多少m3的天然气？（天然气的热值q=4×
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107J/m3）
【解答】解：
（1）∵ρ=，
∴热水的质量：m=ρV=1.0×103kg/m3×0.05m3=50kg；
（2）热水吸收的热量：
Q吸=cm（t﹣t0）=4.2×103J/（kg•℃）×50kg×（40℃﹣10℃）=6.3×106J；
（3）天然气完全燃烧释放热量：
Q放===9×106J，
∵Q放=Vq，
∴需要天然气的体积：
V===0.225m3。
答：（1）所用热水的质量为50kg；（2）水从热水器中吸收6.3×106J的热量；
（3）若天然气完全燃烧释放热量的70%被水吸收，需要消耗0.225m3的天然气。
15．空气能热水器是通过吸收空气中的热量来制造热水的“热量搬运”装置。其工作原理是：空气能热水器在工作时，吸收空气中的能量Q，消耗的电能为W，通过热交换使水吸收的热量为Q吸，即Q吸=Q+W，所以它的热效率（的值）可以达到300%～500%．已知某型号空气能热水器的热效率为400%，电功率为1400W，当用此热水器将100kg的水从15℃加热到55℃时[水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），干木柴的热值为1.2×107J/kg]．求：
（1）水吸收的热量；
（2）水吸收的热量相当于完全燃烧多少千克的干木柴所释放的热量；
（3）空气能热水器完成上述加热过程所用的时间。
【解答】解：
（1）水吸收的热量：
Q吸=cm（t﹣t0）=4.2×103J/（kg•℃）×100kg×（55℃﹣15℃）=1.68×107J；
答：水吸收的热量为1.68×107J；
（2）由题知，Q吸=Q放，
需要的干木柴质量：
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m===1.4kg；
答：需要完全燃烧1.4kg干木柴；
（3）由题意的η===400%，
即=400%
解得t=3×103s，
答：空气能热水器用时3×103s。
16．卫星在太空中飞行时，向阳面与背阴面之间的温度相差250℃．为了保证卫星上的设备正常工作，在卫星上安装了热管。热管的传热本领是一般金属的上万倍，通热管可以把向阳面的热量迅速的传递到背阴面，使卫星个部分均匀受热。如图所示，热管是一根密闭的金属真空管，管内衬有一层叫吸液芯的多孔材料，里面装有酒精或其他液体，热管就是利用里面所装物质的汽化和液化过程来完成传热。请根据所学的知识说明热管的工作过程。
【解答】解：在热管被称作蒸发段的一端，工作液体从外界热源受热而汽化，流向称作冷凝段的另一端，将热量传给外界受热体而冷凝；冷凝液沿吸液芯流回蒸发段，如此不断循环，实现热量在两个外部物体间的连续传递。
17．一种太阳能热水器，装有160L的水。
（1）在太阳辐射下，水温由15℃升高到65℃．水箱中的水吸收的热量为多少？（不计热量损失）
（2）如果水吸收的热量由效率为40%的煤气灶提供，则需燃烧多少煤气。ρ水=1.0×103 J/（kg•℃），煤气的热值约为 q=4.0×107J/kg}。
【解答】解：（1）水的质量是，m=ρV=1.0×103kg/m3×160×10﹣3m3=160kg。
水吸收的热量：Q吸=cm（t﹣t0）=4.2×103 J/（kg•℃）×160kg×（65℃﹣15℃）=3.36×107J。
（2）由题可知，40%Q放=Q吸．==8.4×107J。
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由Q放=mq变形得，m气===2.1kg。
答：水箱中的水吸收的热量为3.36×107J．需燃烧2.1kg煤气。
18．某汽车在平直路面上以 75km/h 的速度匀速行驶 1h 的过程中，消耗了 5kg 汽油，汽油燃烧释放能量的 40%随废气通过热电转换装置，如图所示，汽油热值近似取 q=5×107J/kg，设汽油在气缸内完全燃烧。
（1）如图所示时刻，四冲程汽油机处于 压缩 冲程；若该汽油机每分钟完成 7200 个冲程，则它每秒钟完成 30 个工作循环。
（2）若上述过程中汽油燃烧释放能量的 30%用来驱动汽车行驶，求汽车所受的阻力f。
（3）研究表明新材料的出现可将热电转换装置的效率大幅提高到 15%，据此计算，上述过程中，随废气排出的能量通过热电转换装置后可获得多少电能？这些电能可供车内总功率为 1000W 的用电器持续工作多长时间？
（4）汽车在水平路面上加速行驶时，对路面的压力的变化情况为 变小 。
19．小婷家购买了一辆轿车，如图所示，汽车应用了许多物理知识。请你运用所学的物理知识解答下列问题：
（1）汽油机是汽车的“心脏”，汽油机的做功冲程是将 内 能转化为 机械 能。
（2）小轿车前方的挡风玻璃是倾斜的，目的是使车内物体所成的 虚 像（填“实”或“虚”）位于玻璃的上方，不妨碍司机视线。
（3）汽车发动机是用水作冷却剂的，这是利用了水的 比热容 较大的性质；冬天，小婷的父亲开车行驶在路上，不一会儿汽车挡风玻璃的内侧出现了一层“白雾”，为了尽快消除“白雾”，你认为应该开启空调的 热 （填“冷”或“热”）风，从而加快“白雾”的消失。
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（4）开车上坡前，往往加大油门，以提高汽车的速度，这是为了增大汽车的 动能 （填“惯性”和“动能”）。
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