备战2020年中考物理专题15热平衡方程（含解析）

1 专题 15 热平衡方程 一、热平衡方程 1.对于一个与外界没有热交换的系统，一个物体放热，另一个物体吸热，且 Q 吸= Q 放 当物体温度相同时， 热交换停止。据此我们可以列出热平衡方程。 （1）高温物体放热公式：Q 放=c1m1(t01-t) （2）低温物体吸热公式：Q 吸=c2m2(t-t02) 2.热平衡方程思想拓展 高温物体和低温物体混合达到热平衡时，高温物体温度降低放出的热量等于低温物体温度升高吸收的 热量。这时 Q 放=c1m1(t01-t)，Q 吸=c2m2(t-t02)。燃料完全燃烧放出的热量等于另外物体吸收的热量。这时 Q 放=qm1，或者 Q 放=qV，Q 吸=cm2(t-t0)。电热器通电流放出的热量等于另外物体吸收的热量，这时 Q 放=I2Rt （焦耳定律公式），Q 吸=cm(t-t0)。利用热平衡方程可以求解很多问题，有时结合比例式，解题更简单。 3.比热容 （1）定义：我们把单位质量的某种物质温度升高（或者降低）1℃所吸收（或者放出）的热量叫做这种物 质的比热容，简称比热。符号：c。 （2）公式： （3）常用单位：焦耳/(千克· ℃) （4）符号：J/(kg · ℃) （5）读作焦耳每千克摄氏度 （6）同种物质来讲,比热容是一个确定的数值（相等的）,跟物体质量的大小,温度改变的多少，物体的形 状、体积、位置等无关，它仅与物质的种类和状态有关。 对不同物质来讲，比热容一般是不相同的。 （7）记住水的比热容：c 水＝4．2×103J/(kg·℃)，物理意义为：1kg 的水温度升高（或降低）1℃，吸收 （或放出）的热量为 4．2×103J。因为水的比热容较大，所以水常用来调节气温、取暖、作冷却剂、散热 等。 4.燃料完全燃烧放出热量 （1）燃料完全燃烧释放出的热量公式为：Q 放=mq。 Qc m t = ⋅∆ 专题学啥 2 （2）气体燃料完全燃烧释放出的热量公式也可为：Q 放=qV。推导过程如下： 说明：①中的公式对固体、液体、气体、均适用。②只对气体适用。两个公式的得出都是根据热值的定义 式得到的。 其中，Q 放表示燃料完全燃烧放出的热量，单位是 J；q 表示燃料的热值，单位是 J/kg；m 表示质量，单 位是 kg。V 表示体积，单位是ｍ3。 二、解答与热量相关的综合应用题的思维方法和解题技巧 首先阅题、思题，找出物体原来的温度 t。和升高到的温度（或降低到的温度）t，看看物体的质量 m 是多少，查查物质的比热容是多少，或者对常见的物质（如水）的比热容记住即可，有时题中或试卷前给 出。对这些物理量做到心中有数。 然后对物体温度升高的情况，可用公式 Q 吸=cm(t-to)列出方程，代入数值和单位求出物体应吸收的热 量；对物体温度降低的情况，可用公式 Q 放=cm(to-t)列出方程，代入数值和单位求出物体应放出的热量。 对燃料燃烧的问题，可用公式 Q 放=mq 求解燃料燃烧放出的热量。 （1）如果题中物体吸热的多少是由电阻放热提供，那么放出的热量可用焦耳定律 Q 放=I2Rt 求出，利用 Q 吸=Q 放建立方程，将把电学量与热学量紧密联系起来。 （2）如果题中物体吸热只吸收了电阻放热的 80%，则可列方程 Q 吸=80%Q 放，所求量一定在此方程中，用电 器的效率问题也可迎刃而解。 （3）如果物体吸收的热量完全由另外燃料燃烧获得，则可用 Q 吸=cm(t-to)和 Q 放=mq 结合 Q 吸=Q 放来求出所要的物理量。 （4）如果物体吸收的热量只吸收了燃料完全燃烧的 80%，则可列方程 Q 吸=80%Q 放，燃料的热效率问题也可 迎刃而解。 （5）其它方面与热有关的问题按以上思路都会找到解题技巧。注意：在计算时，题中各个物理量要一一对 应，并且都要化为国际单位。 【例题 1】（2018 内蒙古包头）A、B 两物体质量相等，温度均为 10℃；甲、乙两杯水质量相等，温度均为 50℃。现将 A 放入甲杯，B 放入乙杯，热平衡后甲杯水温降低了 4℃，乙杯水温降低了 8℃，不考虑热量的 损耗，则 A、B 两物体的比热容之比为（ ） A 4:9 B．3:5 C．2:3 D．1:2 专题考法 3 【 答 案 】 A 【 解 析 】 设 A、 B 的 质 量 均 为 m， 水 的 质 量 均 为 M， 则 对 于 A 物 体 而 言 ， 它 吸 收 的 热 量 等 于 水 所 放 出 的 热 量 ， 故 cA m×(46℃－ 10℃)=c 水 M×4℃； 则 对 于 B 物 体 而 言 ， 它 吸 收 的 热 量 等 于 水 所 放 出 的 热 量 ， 故 cB m×(42℃－ 10℃)=c 水 M×8℃； 联 立 以 上 二 式 解 之 得 cA： cB=4： 9， 故 A 是 正 确 的 。 【例题 2】（2019•赤峰）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。 一、选择题 1.（2018 陕西）甲、乙两容器中装有质量相等的水，水温分别为 25℃和 75℃，现将一温度为 65℃的金属 球放入甲容器中，热平衡后水温升高到 45℃，然后迅速取出金属球并放入乙容器中，热平衡后乙容器中水 温为（不计热量散失和水的质量的变化）（　　） A．65℃ B 60℃ C．55℃ D．50℃ 【 答 案 】 B 【 解 析 】 ① 当 将 金 属 球 放 入 甲 容 器 中 时 ， 金 属 球 放 出 的 热 量 与 水 吸 收 的 热 量 相 等 ， 即 ： Q 金 =Q 水 ． 设 金 属 球 的 质 量 为 m 金 、 比 热 容 为 c 金 、 水 的 质 量 为 m 水 、 水 的 比 热 容 为 c 水 则 ： Q 金 =m 金 ×c 金 （ 65℃-45℃）， Q 水 =m 水 ×c 水 （ 45℃-25℃）4 因 为 ： Q 金 =Q 水 所 以 ： m 金 ×c 金 （ 65℃-45℃） =m 水 ×c 水 （ 45℃-25℃） 化 简 得 ： m 水 ×c 水 / m 金 ×c 金 =1:1 ② 当 将 金 属 球 放 入 乙 容 器 中 时 ，乙容 器 中 的 水 放 出 的 热 量 与 金 属 球 吸 收 的 热 量 相 等 ，即：Q 水 =Q 金 ． 由 于 甲 乙 容 器 中 的 水 的 质 量 相 等 ， 又 是 同 一 个 金 属 球 ， 所 以 仍 设 金 属 球 的 质 量 为 m 金 、 比 热 容 为 c 金 、 水 的 质 量 为 m 水 、 水 的 比 热 容 为 c 水 ， 此 时 两 者 共 同 的 温 度 为 t℃ 则 ： Q 水 =m 水 ×c 水 （ 75℃-t℃）， Q 金 =m 金 ×c 金 （ t℃-45℃） 因 为 ： Q 水 =Q 金 即 ： m 水 ×c 水 （ 75℃-t℃） =m 金 ×c 金 （ t℃-45℃）， ∴ 75℃-t℃=t℃-45℃ 解 得 ： t=60℃， 故 选 B． 2.（2018 山东东营）水的比热容为 4.2×103J/（kg·℃），1kg 水温度从 50℃降低到 20℃，放出的热量是 （ ） A．4.2×103J B．8.4×104J C．1.26×105J D．2.1×105J 【答案】C 【解析】只要理解放出热量的公式 Q 放=cm(t0-t)=cm⊿t 中各个字母代表的物理含义，知道单位的使用方法， 看清题中已知条件，就可以根据公式求解该题。题中已给出比热容 c、质量 m、初温 t0、降低后的温度 t。 求解放出热量 Q 放可以直接根据公式 Q 放=cm(t0-t)。 二、填空题 3．（2019•凉山州）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℃。5 可以使水的温度升高到 20℃+20℃＝40℃。 4.（2018 湖北孝感）截止到 2018 年，全球处于使用状态的汽车数量已突破 10 亿辆。每辆汽车每年耗油 1.8t，这些汽油完全燃烧放出的热量为 J（q 汽油=4.6×107J／kg）。当汽车从身边经过时，我们会闻到 汽油味，说明汽油分子在不停地做 。 【答案】8.28×1010；无规则运动。 【解析】第一个空是利用燃料完全燃烧放出热量的公式 Q 放=qm 命制的试题。汽油的热值 q 汽油=4.6×107J／ kg，汽油的质量 m=1.8t=1.8×103kg，应用公式直接代入数值计算即可。 5.（2018 湖北仙桃）在一标准大气压下，把体积为 2L，温度为 20℃的水烧至沸腾，水至少需要吸收 J 的热量。若不计热量损失，需要燃烧 kg 干木柴（q 干木柴=1.2×107J/kg）。 【答案】6.72×105；5.6×10－2。 【解析】该题的解题思路是利用燃料完全燃烧放出的热量等于水达到沸腾时需要吸收的热量这一点。本题 中“若不计热量损失”这个条件非常重要。 第一个空根据密度公式求出水的质量，然后直接应用吸热公式计算即可。第二个空属于利用燃料完全燃烧 放出热量的公式 Q 放=qm 命制的试题，需要对公式进行灵活变形。 6.（2018 湖南张家界）质量为 1.5g 的水温度升高 80℃，需吸收的热量是　　J；若用功率为 1400W 的电热 水壶来提供这些热量，需要的时间为　　s．[c 水=4.2×103 J/（kg•℃）]． 【答案】5.04×105；360． 【解析】（1）水吸收的热量： Q 吸=cm（t﹣t0） =4.2×103J/（kg•℃）×1.5kg×80℃=5.04×105J， （2）若不计热损失，则 W=Q 吸=5.04×105J， 由 P= 可得： t= = =360s． 7.（2018 哈尔滨）我国在南海进行的可燃冰试采获得成功．可燃冰是一种固态晶体，在常温压下会迅速　　 （填物态变化）为气态．它的热值约为 1.4×1010J/m3，2m3 的可燃冰完全燃烧后可放出　　J 的热量，若这 些热量 60%被水吸收，可以将　　kg 的水从 0℃加热到 100℃．（C 水=4.2×103J/（kg•℃）） 【答案】升华；2.8×1010；4×104． 【解析】物质由固态直接变成气态的过程叫做升华，升华吸热；知道可燃冰的质量和热值，根据 Q 放=mq 求6 出完全燃烧释放热量的计算，根据 η= ×100%求出水吸收的热量，再根据 Q 吸=cm（t﹣t0）求出加热水 的质量． （1）可燃冰在常温压下会迅速变为气态，此过程为升华过程； （2）2m3 的可燃冰完全燃烧释放的热量： Q 放=Vq=2m3×1.4×1010J/m3=2.8×1010J， 由 η= ×100%可得，水吸收的热量： Q 吸=ηQ 放=60%×2.8×1010J=1.68×1010J， 由 Q 吸=cm（t﹣t0）可得，加热水的质量： m= = =4×104kg． 8.（2018 绥化）菜油最适宜的烹饪温度在 150℃至 180℃之间．用天然气将质量为 0.02kg 的菜油从室温 20℃加热到 170℃，天然气燃烧释放出的热量有 60%被菜油吸收．则菜油吸收了　　J 热量，燃烧了　　m3 的天然气．（取 c 菜油=2.0×103J/（kg•℃），天然气的热值为 4×107J/m3） 【答案】6×103；2.5×10﹣4． 【解析】本题考查了学生对吸热公式、燃料燃烧放热公式的掌握和运用，因条件已给出，难度不大．知道 菜油的质量、比热容和菜油的初温和末温，利用吸热公式求菜油吸收的热量；知道效率，利用效率公式可 以求出天然气放出的热量，根据公式 Q=Vq 求出体积．菜油吸收的热量： Q 吸=c 菜油 m（t﹣t0 ）=2×103J/（kg•℃）×0.02kg×（170℃﹣20℃）=6000J； 天然气燃烧释放出的热量有 60%被菜油吸收，则天然气放出的热量为： Q 放= = =10000J； 由 Q=Vq 得天然气的体积为：V= = =2.5×10﹣4m3． 三、综合计算题 9．（2019•聊城）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；7 （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。 10.（2018 海南）某电热水器的铭牌如下表所示，现将冰箱装满水，电热水器正常工作时，把水从 20°C 加 热到 60°C．已知 C 水=4.2×103J/（kg•℃），不计热量损失，求： （1）水吸收的热量； （2）加热所需要的时间． 型号 ××× 额定电压 220V 加热功率 2000W 频率 50Hz8 水箱容量 50kg 【答案】（1）使水温由 20℃升高到 60℃，水需要吸收 8.4×106J 的热量； （2）电热水器正常工作时电热丝的加热需 4200s． 【解析】由吸热公式 Q 吸=cm△t 计算吸收的热量．根据电热丝正常工作时所需要产生热量，由电热公式计算 电流产生这些热量所需要的时间． （1）使水温由 20℃升高到 60℃，水需要吸收热量为： Q 吸=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×50kg×（60℃﹣20℃）=8.4×106J． （2）不计热量损失，电热丝所产生热量的全部被水吸收， 由 Q 放=Q 吸=W=Pt 得： t= = = =4200s． 11. （2018 遵义）甲、乙两物体的质量之比为 4:1,用两个相同的酒精灯分别给它们加热，（设酒精燃烧放 出的热量全部被甲和乙吸收）。如图所示为甲、乙两物体的温度随时间的变化曲线，若甲的比热容为 0.42×103J／(kg·℃)，则乙的比热容是多少？ 【答案】 3.36×103J/（ kg•℃） 【 解 析 】 m 甲 ： m 乙 =4： 1， Q 甲 =Q 乙 ， C 甲 =0.4×103J/（ kg•℃）， 由 图 看 出 ： 经 过 4 分 时 ， △t 甲 =60℃-20℃=40℃， △t 乙 =60℃-40℃=20℃． 根 据 Q=Cm△t 得 ： C 甲 m 甲 △t 甲 =C 乙 m 乙 △t 乙 ， C 乙 =3.36×103J/（ kg•℃） 12.（2018 贵州毕节）图中是某太阳能热水器，向其中注入 50kg 的水，阳光照射—段时间后，水温从 10℃ 升高到 50℃。水的比热容是 4.2×103J／(kg·℃)。试求： (1)如果这段时间该太阳能热水器接收到太阳辐射的热量是 2.8×107J，则这段时间该热水器的效率是多少? (2) 如果水吸收的热量用天然气来提供，需要完全燃烧多少 m3 的天然气；（天然气的热值为 8.4×l07J／ m3，天然气完全燃烧放出的热量全部给水吸收）9 【 答 案 】（ 1） 该 热 水 器 的 效 率 是 30%； （ 2） 如 果 水 吸 收 的 热 量 用 天 然 气 来 提 供 ， 需 要 完 全 燃 烧 0.1m3 的 天 然 气 【解析】（ 1） Q 吸 =c 水 m（ t-t 0） =4.2×103J/（ kg•℃） ×50kg×（ 50℃-10℃） =8.4×106J． 热 水 器 接 收 到 太 阳 辐 射 的 热 量 Q=2.8×107J， η=Q 吸 /Q=8.4×106J/2.8×107J=30% （ 2） Q 放 =Q 吸 =8.4×106J， 由 Q 放 =Vq 得 V=Q 放 /q=8.4×106J/8.4×107J/m3=0.1m3 13.（2018 广西贵港）某太阳能热水器装有质量为 200kg 的水，在阳光的照射下，该热水器中的水的温度从 15℃升高到 65℃，求这些水吸收的热量是多少？[水的比热容为 4.2×103J/（Kg•℃）。] 【答案】这些水共吸收了 4.2×1O7J 的热量。 【解析】已知水的比热容、初温和末温、水的质量，根据 Q 吸=cm⊿t 很容易求出这些水吸收的热量。Q 吸=cm ⊿t=4.2×103J/（kg•℃）×200kg×（65-15）℃=4.2×1O7J。 14.（2018 深圳）某太阳能热水器装有质量为 200kg 的水，在阳光照射下，该热水器中的水的温度从 15℃ 升高到 65℃，求这些水吸收的热量是多少？[水的比热容为 4.2×103J/（Kg•℃）] 【答案】这些水共吸收了 4.2×1O7J 的热量。 【解析】本题考查了热量的计算，属于直接利用吸热公式求解的问题。但要注意水温升高到（末温）和升 高了（温度变化量）之间的区别。 已知水的比热容、初温和末温、水的质量，根据 Q 吸=cm⊿t 很容易求出这些水吸收的热量。Q 吸=cm⊿ t=4.2×103J/（kg•℃）×200kg×（65-15）℃=4.2×1O7J。