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专题 6.1 内能利用
★知识点一:热机
1.热机:利用 叫热机。
热机的种类:分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。
内燃机:燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。内燃机根据其所使用燃料分为 和
两类。
2. 内燃机的工作原理
(1)汽油机:四冲程汽油机的结构—汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞。
冲程—活塞在气缸内往复运动时,从汽缸的一端运动到另一端的过程,叫做一个冲程。
汽油机的工作过程: 、 、 、 。
吸气冲程—靠惯性运动,吸进汽油与空气的混合物;
压缩冲程—外界对气体做功,机械能转化为 ,气体温度 ;
做功冲程—化学能转化为 ,气体温度升高,气体 做功,内能转化为 ;
排气冲程—靠惯性运动,排出废气。
(2)柴油机:四冲程柴油机的结构—汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、喷油嘴。
柴油机的工作过程与汽油机几乎一样,但有三个区别:1)吸气冲程:汽油机吸进的是汽油和空气的混
合物,柴油机吸进的仅仅是空气;2)压缩冲程:汽油机压缩的是汽油和空气的混合物,汽油机压缩的仅仅
是空气;3)做功冲程:汽油机用火花塞点火,柴油机用喷油嘴喷油。
【真题跟踪一】(2019·武威)如图所示是汽油机的______冲程。
【答案】做功。
【解析】由图知,两气门都关闭,火花塞冒出电火花,活塞向下运行,气缸容积增大,是做功冲程。2
故答案:做功。
【真题跟踪二】(2018·滨州)如图是内燃机工作循环中的一个冲程,它是( )。
A.压缩冲程,将化学能转化成内能;B.压缩冲程,将机械能转化成内能;
C.做功冲程,将内能转化成机械能;D.做功冲程,将机械能转化成内能
【答案】C。
【解析】图中的气门关闭,活塞下行,并且电火花打火,这是做功冲程的特点;在做功冲程中,能量
转化关系是气体的内能转化为机械能,故选 C。
【真题跟踪三】(2019·达州)下列关于热现象的说法中正确的是( )。
A.物体的温度越高所含的热量越多;
B.内燃机的做功冲程将机械能转化成内能;
C.打扫卫生时灰尘飞扬说明分子在永不停息地做无规则运动;
D.物质的比热容越大反映了物质吸收或放出热量的能力越强
【答案】D。
【解析】A、热量是一个过程量,不能说物体含有多少热量,只能说吸收热量或放出热量,故 A 错误;
B、内燃机的一个工作循环有四个冲程,做功冲程是将内能转化成机械能,故 B 错误;
C、灰尘是可以看得见的物体,因此灰尘的飞扬不是分子的运动,而是物体的机械运动,故 C 错误;
D、比热容是物质的一种特性,它反映了物质吸收或放出热量的能力,比热容越大反映了物质吸收或放
出热量的能力越强,故 D 正确。故选 D。
★知识点二:热机效率
1.热值(q): 某种燃料 燃烧放出的热量,叫热值;热值单位是: 。
(1)燃料燃烧放出热量: ;(Q 放是燃料放出的热量,单位是J;q 是热值,单位是J/kg;m是质量,单位是
kg。)
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3
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。
(2)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 等均
无关。
2.热机的效率:用来做 的那部分能量和燃料 之比,叫热机的效率。热机的效率是热机
性能的一个重要指标。公式:
3.在热机的各种损失中,废气带走的能量最多,设法利用废气的能量,是提高燃料利用率的重要措施。
注意:热机能量的损失:① (完全燃烧条件: , );② (废气的
利用);③ ,消耗能量(使用润滑剂,减小摩擦)。
【真题跟踪一】(2019·湘潭)图是某电水壶的铭牌,该电水壶正常工作 1min 产生 J 的热量,
如果这些热量 84%被冷水吸收能使 2.0L 的水温度升高上 ℃。
【答案】9×104;9。
【解析】(1)由图知,电水壶的额定功率为 1500W,所以正常工作 1 分钟产生的热量:
Q=W=Pt=1500W×60s=9×104J;
(2)由 ρ= 可得水的质量:m=ρV=1.0×103kg/m3×2.0×10﹣3m3=2kg,
这些热量 84%被冷水吸收,即 Q 吸=84%Q 放,
由 Q=cm△t 得水升高的温度:△t= = =9℃。
故答案为:9×104;9。
【真题跟踪二】(2018·荆州)某家庭用的电热水器将体积为 60L,温度为 20℃的自来水加热到 50℃,
则水吸收的热量为 J[水的比热容 4.2×103J/(kg·℃)]。若热水器的功率为 2000W,用时 5000s,
则该热水器的效率为 。
【答案】7.56×106J;75.6%。
qm
W
Q
W 有用
总
有用 ==η4
【解析】根据公式 求 60L 水从温度为 20℃加热到 50℃,吸收的热量为:
(每升水质量为 1kg);
热水器发出的热量: ;
故效率为: 。
答案:7.56×106J;75.6%。
【真题跟踪三】(2019·苏州)苏州如图所示,在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小团干燥的棉花,
用力将活塞迅速下压,棉花被点燃。此过程的能量转化方式与汽油机的______冲程相同。某效率为 25%的汽
油机在一次工作中消耗了 4kg 汽油,该汽油机对外做的机械功为______J。(汽油热值为 4.6×107J/kg)
【答案】压缩;4.6×107。
【解析】(1)在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小撮干燥的棉絮,用力将活塞迅速向下压,棉絮燃
烧起来;说明压缩筒内空气做功,使空气的内能增大,温度升高;压缩过程中,活塞的机械能转化为空气
的内能,故该过程中,与内燃机的压缩冲程相同;
(2)汽油完全燃烧放出的热量:Q 放=mq=4kg×4.6×107J/kg=1.84×108J;
输出的机械能为:E=ηQ 放=25%×1.84×108J=4.6×107J。
故答案为:压缩;4.6×107。
★知识点三:能量转化与守恒
1.能量守恒定律:能量既不会 ,也不会 ,它只会从一种形式 为另一种形式,或者从一个
物体 到另一个物体,而在转化和转移过程中,能量的总量 。
2.能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体,小到原子核,也无论是物理学问题
还是化学、生物学、地理学、天文学的问题,所有能量转化的过程,都遵从能量守恒定律。
【真题跟踪一】(2018•温州)某智能百叶窗的叶片上贴有太阳能板,在光照时发电,给电动机供电以
调节百叶窗的开合。该过程中发生的能量转换是( )。
A.电能→机械能→光能;B.光能→机械能→电能;
C.光能→电能→机械能;D.机械能→电能→光
tcmQ ∆=吸
JCCkgCkgJtcmQ 63 1056.7)2050(60)·/(102.4 ×=°−°××°×=∆=吸
JsWPtQ 710150002000 ×=×==放
%6.75%100101
107.56%100 7
6J
=××
×=×=
JQ
Q
放
吸η5
【答案】C。
【解析】太阳能板,在光照时发电,即把太阳能转化为电能;电能供给电动机,转化为机械能,调节
百叶窗的开合;故该过程中发生的能量转换是光能→电能→机械能。故选 C。
【真题跟踪二】(2019·邵阳)电动自行车、电动摩托车、电动汽车、电动公交车等已广泛应用于现
代生活中,它们都是利用电动机来工作的,电动机工作过程中能量转化情况主要是( )。
A.电能转化成热能; B.电能转化成机械能;
C.机械能转化成电能;D.太阳能转化成机械能
【答案】B。
【解答】电动机工作过程中,消耗了电能,将其转化为机械能,故 B 正确。故选 B。
【真题跟踪三】(2019·福建)下表列出一些物质的比热容,根据表中数据,下列判断止确的是
( )。
A.不同物质的比热容一定不同;
B.物质的物态发生变化,比热容不变;
C.质屋相等的铝和铜升高相同的温度,铝吸收的热量更多;
D.质量相等的水和煤油吸收相同的热量,水升高的温度更多
【答案】C。
【解析】考查比热容的特点,属于中等题。
根据公式 可知,当m 和△t 一定时,铝的比热容比铜大,所以铝吸收的热量更多,所以选 C。
★考点一:热机
热机是内能利用的典型实例,也是内能利用的重点,在复习中应该着重掌握热机的工作原理和热机能
量转化过程。考试题型以选择题为主(考查工作过程的判断、能量的转化),填空题为辅(能量的转化)。
纵观各地中考考纲和近三年考卷来看,对本节知识点的考查主要集中在汽油机四冲程的判断和能量转化两
个方面。此问题一般与热现象的其他知识点结合在一起组成一个考题,也有单独作为一个考题的情况。
【典例一】(2017•烟台)如图所示,是汽油机工作时的四个冲程,其中属于做功冲程的是( )。
tcmQ ∆=6
A. B. C. D.
【答案】C。
【解析】A:进气门开启,气体流入汽缸,是吸气冲程;不符合题意。
B:两气门都关闭,活塞上行,汽缸容积变小,是压缩冲程,不符合题意。
C:两气门都关闭,火花塞点火,活塞下行,汽缸容积变大,是做功冲程,符合题意。
D:排气门开启,气体流出汽缸,是排气冲程;不符合题意。正确答案是 C。
【典例二】(2018•淄博)关于热和能,正确的说法是( )。
A.热传递过程中,内能大的物体放出热量;
B.热机做功冲程中,内能转化为机械能;
C.物体内能减少,温度一定降低;
D.燃料的热值越大,燃烧时放出的热量越多
【答案】B。
【解析】A、热传递过程中,温度高的物体放出热量,故 A 错误;
B、热机做功冲程中,高温高压的燃气推动活塞运动,内能转化为机械能,故 B 正确;
C、晶体在凝固的过程中,放出热量,但温度不变,故 C 错误;
D、燃料放出热量的多少与燃料的热值和质量有关,燃料的热值越大,燃烧时放出的热量不一定多,故
D 错误。故选 B。
【典例三】(2018·滨州)如图是内燃机工作循环中的一个冲程,它是( )。
A.压缩冲程,将化学能转化成内能 B.压缩冲程,将机械能转化成内能
C.做功冲程,将内能转化成机械能 D.做功冲程,将机械能转化成内能
【答案】C。
【解析】图中的气门关闭,活塞下行,并且电火花打火,这是做功冲程的特点;在做功冲程中,能量7
转化关系是气体的内能转化为机械能,故选 C。
【典例四】(2018·临沂)甲图中,迅速向下压活塞,能量的转化情况是 。乙图内燃
机的工作过程中与甲图能量转化情况相同的是 (选填图中的代号)。
【答案】机械能转化为内能;B。
【解析】图甲中,迅速向下压活塞,活塞的机械能转化为筒内空气的内能;
图乙中:A、进气门打开,排气门关闭,活塞向下运动,是吸气冲程,没有能量转化;
B、两个气门都关闭,活塞向上运动,是压缩冲程,将机械能转化为内能,故 B 符合题意;
C、两个气门都关闭,活塞向下运动,是做功冲程,将内能转化为机械能;
D、排气门打开,进气门关闭,活塞向上运动,是排气冲程,没有能量转化。
故答案为:机械能转化为内能;B。
【典例五】(2018·菏泽)天于热学知识.下列说法错误的是( )。
A.寒冷的冬天,双手互搓会使手的温度升高,这是用做功的方式改变内能;
B.刚煮熟的鸡蛋放在冷水中,鸡蛋的温度降低;
C.汽油机的压缩冲程是把内能转化为机械能;
D.用水作为汽车发动机的冷却剂,是因为水的比热容较大
【答案】C。
【解析】A. 对物体做功可以增加物体内能,所以寒冷的冬天,双手互搓会使手的温度升高,这是用做
功的方式改变内能,故 A 正确;
B. 刚煮熟的鸡蛋放在冷水中,鸡蛋的温度高,水的温度低,内能从鸡蛋转移给水,即通过热传递,鸡
蛋的内能减小,温度降低,故 B 正确;
C. 汽油机的压缩冲程是把将机械能转化为内能,故 C 错误;
D. 用水作为汽车发动机的冷却剂,是因为水的比热容较大,升高相同的温度时吸收的热量更多,故 D
正确;故 C 错误,符合题意。8
【典例六】(2018·龙东)内燃机一个工作循环有四个冲程,实现将内能转化为机械能的是 做功
冲程。某品牌汽车每行驶 100km 耗油 7kg,这些汽油完全燃烧要放出 J 的热量。(汽油的热值
q=4.6×107J/kg)。
【答案】做功;3.22×108。
【解析】(1)内燃机的四个冲程中,实现将机械能转化成内能的是压缩冲程;实现将内能转化为机械
能的是做功冲程;
(2)7kg 汽油完全燃烧要放出的热量:Q=qm=4.6×107J/kg×7kg=3.22×108J。
故答案为:做功;3.22×108。
★考点二:热机效率
热机效率是本考点重点内容,主要涉及到热值的概念及其相关计算,热机效率的计算三个方面。故本
节主要内容是应用热值进行有关计算问题,希望在复习中加强学生计算能力的培养。中考试卷中有关效率
和热值的计算,虽然分值不一定很高,但在考查学生计算能力和对效率概念的理解上,属于典型考题;考
试题型以选择题、填空题为主,有的也作为一个知识点与其他压轴题结合。
纵观各地中考考纲和近三年考卷来看,对本节知识点的考查主要集中在热机效率的计算和热值概念的
应用两个方面。本节考点在 2020 年中考物理试卷中出现概率很大,也会延续以前的考查方式和规律,不会
有很大变化。考查思路主要分为:考查学生计算能量和对热机效率的计算能力,以及热值的应用等方面。
【典例一】(2019·绵阳)一个标准大气压下,将质量 1.0kg 的水从 20℃加热到沸腾,水吸收的热量
是________J。小明家天然气热水器的热效率是 84%,他某次洗澡,耗水 40kg,自来水进热水器的温度是
24℃,出热水器的温度是 40℃,小明这次洗澡消耗天然气________m3。已知水的比热容是 4.2×103J/
(kg℃),天然气的热值是 3.2×107J/m3。
【答案】3.36×105;0.1。
【解析】(1)水吸收的热量:
Q 吸=cm△t=4.2×103J/(kg•℃)×1.0kg×(100℃-20℃)=3.36×105J;
(2)他某次洗澡时水吸收的热量:
Q 吸′=cm′△t′=4.2×103J/(kg•℃)×40kg×(40℃-24℃)=2.688×106J;
由 η= 可得,天然气放出的热量: ;9
由 Q 放=Vq 可得,消耗天然气体积: 。
故答案为:3.36×105;0.1。
【典例二】(2018·荆州)某家庭用的电热水器将体积为 60L,温度为 20℃的自来水加热到 50℃,则
水吸收的热量为 J[水的比热容 4.2×103J/(kg·℃)]。若热水器的功率为 2000W,用时 5000s,
则该热水器的效率为 。
【答案】7.56×106J;75.6%。
【解析】根据公式 求 60L 水从温度为 20℃加热到 50℃,吸收的热量为:
(每升水质量为 1kg);
热水器发出的热量: ;
故效率为: 。
答案:7.56×106J;75.6%。
【典例三】(2018•广安)用天然气灶给水加热,在 1 标准大气压下,把体积为 10L,温度为 15℃的水
加热到沸腾,求:
(1)水吸收了多少热量?[ρ 水=1.0×103kg/m3 C 水=4.2×103J/(kg•℃)]
(2)若不计热量损失,需要燃烧多少 m3 的天然气?(q 天燃气=4.2×107J/m3)
【解析】(1)由 ρ= 得,10L 水的质量:
m=ρV=1.0×103kg/m3×10×10﹣3m3=10kg,
水吸收的热量:
Q 吸=c 水 m 水(t﹣t0)=4.2×103J/(kg•℃)×10kg×(100℃﹣15℃)=3.57×106J;
(2)不计热量损失,则 Q 放=Q 吸,
由 Q 放=Vq 可得,需要燃烧天然气的体积:
V 天然气= = = =0.085m3。
答:(1)水至少需要吸收的热量为 3.57×106J;(2)若不计热量损失,需要燃烧 0.085m3 的天然气。
【典例四】(2018·桂林)若家用天然气的热值为 4.2×107J/kg 水的比热容为 4.2×103J/(kg•℃)。
(1)完全燃烧 0.04m3 天然气放出的热量是多少?
tcmQ ∆=吸
JCCkgCkgJtcmQ 63 1056.7)2050(60)·/(102.4 ×=°−°××°×=∆=吸
JsWPtQ 710150002000 ×=×==放
%6.75%100101
107.56%100 7
6J
=××
×=×=
JQ
Q
放
吸η10
(2)若某新型天然气灶烧水的效率为 40%,完全燃烧 0.04m3 天然气可使室温下 5kg 的水温度升高多少?
【解析】(1)完全燃烧 0.04m3 天然气放出的热量:
Q 放=Vq=0.04m3×4.2×107J/m3=1.68×106J;
(2)由题知,水吸收的热量:Q 吸=Q 放×40%=1.68×106J×50%=6.72×105J,
由 Q 吸=cm△t 可得水升高的温度:△t= = =32℃。
故答案为:(1)完全燃烧 0.04m3 天然气放出 1.68×106J 的热量;(2)完全燃烧 0.04m3 天然气可使常
温下 5kg 的水温度升高 32℃。
★考点三:能量转化与守恒
能量转化与守恒比较抽象,也是学生学习热学内容的收尾,在本节主要考查能量的转化形式和理解能
量的守恒概念。尤其是对能量守恒概念的理解是学生学习的难点,同样也是本节的重点。中考试卷中有关
转化与守恒的问题也会经常出现,希望引起大家的重视。本节内容一般不会单独组成一个试题,大多数会
和热学部分的其他知识点结合在一起组成一个题目;考查主要方向是能量之间的转化,考试题型以选择题、
填空题为主。
【典例一】(2017•岳阳)随着人们的生活水平的提高,汽车走进千家万户。关于小汽车涉及的知识说
法正确的是( )。
A.用甘油做发电机的冷却剂; B.发电机做功冲程将内能转化为机械能;
C.精心保养可使发电机的效率达到 100%;D.排出的尾气对环境没有任何污染
【答案】B。
【解析】A.用甘油做发电机的冷却剂,错误;用水的比热容大的特性,用水做冷却剂。
B.发电机做功冲程将内能 转化为机械能,正确。
C.精心保养可使发电机的效率达到 100%,错误,任何机械运动都会发热做额外功。
D.排出的尾气对环境没有任何污染,错误,排出的尾气对环境有污染。故选 B。
【典例二】(2018•聊城)在热机的四个冲程中,把机械能转化为内能的是 冲程。汽油机工作
时要产生大量的热,通常采用水循环将热带走,这是利用水 的特性。
【答案】压缩;比热容大。
【解析】(1)在热机的四个冲程中,把机械能转化为内能的是压缩冲程。11
(2)汽车的散热器可用水做冷却剂,是因为水的比热容比较大,在升高相同的温度时可以吸收更多的
热量,降低发动机的温度。
故答案为:压缩;比热容大。
【典例三】(2019·内江)太阳能、水能、天然气、地热能、风能、潮汐能中,属于不可再生能源的是
___________,太阳能热水器内装有 100kg 水,水温从 20℃升高到 70℃[c 水=4.2×103J/kg·℃)]所吸收的
热量是_________J。
【答案】(1)天然气;(2)2.1×107。
【解析】太阳能、水能、天然气、地热能、风能、潮汐能中,属于不可再生能源的是天然气,天然气
属于化石类能源,不可在短期内再生;
太阳能热水器内装有 100kg 水,水温从 20℃升高到 70℃,所吸收的热量为:
。
【典例四】(2018·龙东)生活中能量转化的实例很多,下列描述中正确的是( )。
A.摩擦生热是把内能转化为机械能;
B.燃料燃烧放热是把内能转化为化学能;
C.电动机带动水泵把水送到高处是把电能转化为机械能;
D.摩擦起电是把电能转化为机械能
【答案】C。
【解析】A、摩擦生热是克服摩擦做功,摩擦过程中,消耗了机械能,内能增大,把机械能转化为内能,
故 A 错误;
B、燃料燃烧放热是把化学能转化为内能,故 B 错误;
C、电动机带动水泵把水送到高处是把电能转化为机械能,故 C 正确;
D、摩擦起电是消耗了机械能,获得了电能,故是把机械能转化为电能,故 D 错误。故选 C。