50讲 热机及其效率、燃料的热值及其计算、能量及其守恒、能量的利用效率（学生版） 2023年初中物理自主招生讲义68讲

第1 页/ 共27 页 初中物理自主招生讲义50 热机及其效率、燃料的热值及其计算、能量及其守恒、能量的利用效率 一．热平衡方程的应用（共1 小题） 1．我国北方地区冬季用燃煤取暖所造成的大气污染，已越来越引起人们的关注。现在有些 家庭已经改用燃油取暖，以降低对大气的污染。小明家的住房面积约110m2，若将住房 的门窗关闭好，用燃烧柴油来取暖，并使室温升高10℃，已知柴油的热值为43×107/ kg，空气的密度约为l3kg/m3，空气的比热容为10×103/（kg•℃），所需的柴油约为（ ） ．001 kg B．01 kg ．1 kg D．10 kg 二．热机（共1 小题） 【知识点的认识】煤炭、汽油和柴油等燃料燃烧时，将储存的化学能转化为蒸汽或燃气的 内能，各种将蒸汽或燃气的内能转化为机械能的发动机称为热机．热机的种类分为：①蒸 汽机；②内燃机；③汽轮机；④喷气发动机． 其中内燃机是热机的一种，是燃料在汽缸内燃烧的热机．内燃机分为汽油机和柴油机． 一、汽油机： （1 ）构造：进气门、排气门、气缸、火花塞、曲轴、连杆等． （2 → ）工作原理：在气缸内燃烧汽油，生成高温高压的燃气〔化学能 内能〕，使燃气推动 → 活塞做功〔内能 机械能〕． （3）冲程：活塞在往复运动中从气缸一端运动到另一端叫做一个冲程． （4）工作过程：多数汽油机是由吸气、压缩、做功〔燃烧﹣膨胀做功〕和排气冲程的不断 循环来保证连续工作的． 第1 页/ 共27 页 （5）工作过程中能量的转化：① → 压缩冲程：机械能 内能；② → 做功冲程：先是化学能 → 内能，再由内能 机械能． （6）汽油机工作的四个冲程中，只有做功冲程是燃气对活塞做功，其它三个冲程要靠飞轮 的惯性来完成．在开始运转时，要靠外力先使飞轮和曲轴转动起来，由曲轴通过连杆带动 活塞运动，以后，汽油机才能自己工作． 二、柴油机： （1 ）构造：与汽油机相似，区别在于柴油机顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴． （2 ）工作原理：与汽油机相同． （3）工作过程：与汽油机相似． （4 ）柴油机启动时也要靠外力使飞轮和曲轴转动起来． （5）特点与应用： 特点：柴油比汽油便宜，但柴油机比较笨重． 应用：载重汽车、拖拉机、坦克、火车、轮船以及发电机． 【命题方向】 第一类常考题： 关于热机错误的说法是（ ） ．利用内能来做功的机器叫热机 B．蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机都叫热机 ．一切热机的工作过程都包括四个冲程 D．用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率 第二类常考题： 柴油机和汽油机在构造上的主要区别是：柴油机气缸顶部有 ，汽油机气缸顶部有 ，在吸气冲程中的不同是：汽油机吸入气缸里的是 ，柴油机吸入气缸里的 是 ． 【解题方法点拨】 （1）汽油机的柴油机的区别在于： 构造不同，汽油机为火花塞，柴油机为喷油嘴； 吸入物质不同，汽油机吸入汽油和空气的混合物，柴油机吸入的是空气； 汽油机为点燃式，柴油机为压燃式； 效率高低不同，汽油机效率低，比较轻巧，柴油机效率高，比较笨重． （2）内燃机各冲程之间的联系：内燃机的吸气、压缩、做功、排气四个冲程合在一起叫内 第1 页/ 共27 页 燃机的一个工作循环，从以上可以看出，内燃机的四个冲程中只有做功冲程燃气对外做 功，其它三个冲程不做功，靠飞轮的惯性来完成，而且还要消耗做功冲程提供的机械能， 但这三个冲程也必不可少，它们辅助做功冲程完成做功，即内燃机的一个工作循环，活塞 往复两次，曲轴转动2 周，在各冲程的相互协助下，对外做功一次． 【知识点的认识】 1 “ ” 、蒸汽机：相对内燃机讲属于外燃机．由锅炉与汽缸、活塞+连杆机构、配汽机构等构 “ ” 成，燃料加热锅炉（燃料在汽缸外燃烧，叫外燃机），将水烧开，产生蒸汽，蒸汽通过 配汽机构进入汽缸，推动活塞做往复运动，活塞再通过连杆机构把往复运动转换为圆周运 动输出做功．老式的机车冒着黑烟、喷着蒸汽，电影里经常看到． 2、内燃机：燃料在气缸内燃烧．主要由气缸、活塞、连杆机构、配气机构构成．燃料在气 缸内燃烧，体积膨胀，推动活塞做往复运动，活塞再通过连杆机构把往复运动转换为圆周 运动输出做功．配气机构主要是吸进空气、排出废气．现在用的最多的柴油机、汽油机等 都是内燃机． 3 “ ” “ ” 、气轮机：严格上分为气轮机和汽轮机．主要由燃烧室（或锅炉）、喷嘴、气轮 （或汽轮）组成．高温高压的燃气或蒸汽通过喷嘴作用在气轮（或汽轮）的叶片上，使叶 片旋转输出能量做功．现在火力发电厂大都是汽轮机，一些大型油轮上也用汽轮机做主推 进装置．一般以天然气为燃料的发电厂使用的是燃气轮机． 4、喷气式发动机：利用发动机本身高速喷射的燃气流所产生的反作用力做功的，燃料燃烧 产生的高温燃气通过喷管时，在其中绝热膨胀而高速喷出，常见的超音速飞机和火箭发动 机都是喷气式发动机． 【命题方向】 例：如图所示，人类登上月球已经成为现实，这是宇航员操纵着用蓄电池的电力驱动的车 在月球上行走．为什么第一个登上月球的车是用电来驱动的，而不是用内燃机来驱动的． 2．如图所示，弹簧一端固定于水平面上，另一端与质量为m 的活塞拴接在一起，一开口 向下、质量为M 的气缸与活塞一起封闭了一定质量的气体，气缸和活塞均是热的良导 第1 页/ 共27 页 体。若外界环境的温度缓慢降低，则活塞将 ；气缸将 “ （两空均选填向上 ” “ ” “ ” 移动、静止不动或向下移动）。 三．四冲程内燃机的工作过程（共7 小题） 【知识点的认识】 内燃机是热机的一种，是燃料在汽缸内燃烧的热机．内燃机分为汽油机和柴油机． （1）汽油机的工作原理：燃料在汽缸中燃烧时，将存储的化学能转变为高温高压的燃气 （蒸汽）的内能，又通过燃气（蒸汽）推动活塞做功，由内能转变为机械能． （2）汽油机的工作流程：内燃机通过吸气、压缩、做功、排气四个冲程不断循环来保证连 续工作的，如图． ①吸气冲程：进气门打开，排气门关闭．活塞由上端向下端运动，汽油和空气组成的燃料 混合物从进气门吸入气缸． ②压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，压缩汽缸内燃料混合物，温度升 高． ③做功冲程：在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃 气，高温高压气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功． ④排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸． （3）工作过程中能量的转化：① → 压缩冲程：机械能 内能；② → 做功冲程：先是化学能 → 内能，再由内能 机械能． （4）柴油机是以柴油为燃料的内燃机，在工作时与汽油机工作原理相同． 区别：①在吸气冲程里吸进气缸的只有空气，而汽油机吸进的是汽油和空气的混合物； ② 在压缩冲程里，活塞把空气的体积压缩得很小，空气的压强更大，温度更高；③点火 第1 页/ 共27 页 方式：柴油机﹣压燃式；汽油机﹣点燃式． 【命题方向】 第一类常考题： 下列流程图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及到的主要能量转化情况． 关于对图中①②③④ 的补充正确的是（ ） ．① 做功冲程② 内能转化为机械能③ 压缩冲程④机械能转化为内能 B．① 压缩冲程② 内能转化为机械能③ 做功冲程④机械能转化为内能 ．① 压缩冲程② 机械能转化为内能③ 做功冲程④内能转化为机械能 D．① 做功冲程② 机械能转化为内能③ 压缩冲程④内能转化为机械能 第二类常考题： 如图所示是四冲程汽油机的一个工作循环示意图，其中属于做功冲程的是（ ） ． B． ． D． 【解题方法点拨】 根据各冲程的特点确定是哪一个冲程，一般从2 个方面突破：①看进气门和排气门的开、 闭．进气门开的为吸气冲程，排气门开的为排气冲程，进气门和排气门都闭合为压缩或做 功冲程②看活塞的运动方向．活塞向下运动为吸气或做功冲程，活塞向上运动为压缩或排 气冲程． 3 ．下列有关热和能的说法中，正确的是（ ） ．一块0℃的冰熔化成0℃的水后，温度不变，内能变大 B．发生热传递时，热量总是从内能大的物体传递给内能小的物体 ．内燃机的压缩冲程，主要通过热传递增加了汽缸内物质的内能 D．夏天在室内洒水降温，利用了水的比热容较大的性质 4．上世纪人类制成了世界上第一盏用海浪发电的航标灯。它的气室示意图如图所示，其工 作原理是利用海浪上下起伏的力量将空气吸入气室，压缩后再推入工作室，然后推动涡 轮机带动发电机发电。那么（ ） 第1 页/ 共27 页 ．当海水下降时，阀门K1开启，阀门K2关闭 B．当海水上升时，阀门K1关闭，阀门K2开启 ．当海水下降时，类似于汽油机的做功冲程 D．当海水上升时，类似于汽油机的压缩冲程 5．如图是四冲程内燃机的示意图，其中，B 是 冲程；把内能转化成机械能的冲程是 （选填字母代号）。 6．一台单缸四冲程汽油机，如图甲是 冲程，其能量转化情况与 （选 “ ” “ ” 填乙或丙）图相同，是通过 方式飞轮改变了内能，转速是3600r/m，该汽油 机每秒钟完成 个工作循环。该汽油机的能量流向如图丁所示，则该汽油机的热机 效率为 。 7．科学家发明了一款单缸六冲程内燃机，它每一个工作循环的前四个冲程与单缸四冲程内 燃机相同，在第四冲程结束后，立即向汽缸内喷水，水在高温汽缸内迅速汽化成高温、 高压水蒸气，推动活塞再次做功，水蒸气温度 “ ”“ ” “ ” （填升高 降低或不变），这 第1 页/ 共27 页 样燃烧同样多的燃料获得了更多的机械能，提高了热机的 。为进入下一个工作循 环，这款内燃机的第六冲程是 冲程。 8．在四冲程汽油机中，将机械能转化为内能的冲程是 冲程，如图所示的是汽油机的 冲程。 9．如图所示，是单气缸四冲程内燃机的 冲程。假设在活塞的运动过程中，气缸内的 气压始终为P，气缸的容积为V，则活塞从上端运动到下端的过程中，气体对活塞所做 的功是 。 四．有关热机的计算（共7 小题） 【知识点的认识】题型1 “ ：莲莲家的汽车尾部上标有20T” “ 的字样，其中T” “ 就是涡轮增 ” “ ” “ ” 压，是利用高温、高压的废气去冲击废气涡轮高速旋转，来带动同轴的进气涡轮也 高速旋转，从而增加吸气冲程的进气量并增大进气气压，使汽油燃烧更充分，燃气压强更 大，同时也减少了废气中的有害物质，达到提高发动机效率和减少废气污染的目的．这辆 汽车的最低油耗可达02kg/（k•），已知汽油的热值为46×107/kg．（温馨提示：最低油耗 是指燃烧最少的汽油获得最大有用功的能量；02kg/（k•）表示获得1k•能量消耗02kg 汽 油）． 求：（1）02kg 的汽油完全燃烧时放出的热量为多少？ （2）该汽车发动机的效率最高可达多少？（结果保留整数） 第1 页/ 共27 页 题型2：某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为30m2，一个冲程活塞在气缸中移动的距离 是50mm，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为90×l5P，飞轮1m 转动1800 周，当汽 油机满负荷工作时（不计摩擦），若1m 消耗汽油001L．汽油的密度ρ＝08×103kg/m3；汽 油的热值为46×l07/kg．求： （1）做功冲程中燃气对活塞的平均压力； （2）一个做功冲程中燃气对活塞做的功； （3）汽油机的功率． （4）该汽油机的效率． 10．一台单缸四冲程汽油机，飞轮的转速为1800r/m ，则此汽油机每秒内（ ） ．完成60 个冲程，做功15 次 B．完成60 个冲程，做功60 次 ．完成30 个冲程，做功30 次 D．完成120 个冲程，做功30 次 （多选）11．某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为S，一个冲程中活塞在气缸中移动的 距离是L．满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为p，t 时间内曲轴转动圈、消耗汽油 的体积为V．已知汽油的密度为ρ，汽油的热值为q，不考虑大气压对计算的影响，不 计摩擦损失。求满负荷工作时下列说法错误的是（ ） ．这种汽油机做功冲程中燃气对活塞的平均压力是F＝pS B．这种汽油机做功的功率是 ．这种汽油机把内能转化为机械能的效率 第1 页/ 共27 页 D．该汽油机t 时间内燃气对活塞做功 次 12．转速为2400r/m 的四冲程单缸内燃机在1s 内活塞对外做功 次，若每次做功 735，该内燃机的功率为 。 13．利用图示装置可以将机械能转化为内能。当挂在滑轮上的两个重物落下时，装满水的 容器中的叶片便转动起来，使水的温度升高。假设两边滑轮所挂重物的质量均为m1， 重物下落的高度为，容器内水的质量为m2 △ ，水升高的温度为 t，水的比热容为，这台 机器的效率为 。（用物理量符号表示） 14．转速为1800r/m 的四冲程内燃机，每秒钟有 次对外做功，若每次做功750，则此 内燃机的功率为 。 15．某排气量为V0L 的家庭轿车，其发动机为四缸四冲程汽油机，满负荷工作时做功冲程 燃气的平均压强为pkp，曲轴转速为r/m。汽油机工作时的最佳空燃比（即空气和燃油 的质量比）为k：1，若发动机汽油和空气的混合密度为ρkg/m3，汽油的热值为q/kg， 汽缸活塞面的直径为d 米，做功冲程中活塞的行程为s 米。当汽油机满负荷工作时（不 计摩擦），则一个做功冲程中燃气对活塞做的功为？该汽油机的效率为？ 16 “ ” ．在讲到车的性能时，人们经常会提到排量。为此小华特地从上查到了排量的定义： “ ” 活塞从上止点移到下止点所通过的工作容积称为气缸排量。如果发动机有若干个气 “ ” 缸，所有气缸工作容积之和称为发动机排量。小华从说明书上查到家中的轿车采用 LFX 直列四缸发动机，排量为20L，从上查找到了这种轿车的输出功率与转速的关系如 图所示。 （1）根据图分析，在发动机转速为1000 5000r/m ﹣ 范围内，它的输出功率与转速大致 有怎样的定性关系？ （2）小华又了解到当轿车行驶路况好时，这辆轿车平均车速为100km/，发动机转速为 2000r/m，平均油耗为10L/100km．参考图中的数据，分析这辆车在这种状态下行驶 时，发动机的效率为多少？（已知汽油的热值为46×107/kg，密度为07×103kg/m3） 第1 页/ 共27 页 （3）小华通过理论推导发现发动机的输出功率与其排量有一定的关系，并可据此计算 出气缸在做功冲程中的平均压强。请你计算当发动机转速为4000r/m 时做功冲程中气缸 内的平均压强。 五．燃料的热值及其计算（共4 小题） 【知识点的认识】 （1）概念：1kg 某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值，用q 来表示，于气 体燃料而言，热值的定义是1m3的某种燃料完全燃烧时放出的热量。热值是燃料的一种属 性。 （2）单位：焦/千克（/kg），读作焦每千克。 （3）公式：Q＝mq（m 为燃料的质量，q 为燃料的热值，Q 为燃烧放出的热量）。 （4）热值的物理意义：热值表示一定质量的燃料在完全燃烧时所放出的热量的多少，如木 炭的热值为340×107/kg。 同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值不同。 【命题方向】 第一类常考题： 对于燃料的热值，下列说法中，属于正确理解的是（ ） ．燃料的热值跟燃料燃烧时放出的热量成正比 B．燃料的热值跟燃料的质量成正比 ．容易燃烧的燃料热值一定大 D．就某种确定的燃料而言，它的热值是一个确定的值，跟燃料的质量及燃料燃烧放出的 热量无关 第二类常考题： “可燃冰”作为新型能源，有着巨大的开发使用潜力。同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出 “ ” 的热量达到煤气的数十倍，说明可燃冰的 很大。以10 倍的关系粗略计算， 1kg“ ” 可燃冰完全燃烧放出的热量为 ，这些热量可以使 kg 的水从20℃加热 至100 [ ℃＝42×103/（kg•℃ • ）q 煤气＝42×107/kg]。 第1 页/ 共27 页 【解题方法点拨】（1）燃料的热值指的是1kg 某种燃料完全燃烧放出的热量，是燃料本身 的一种特性，它与燃料的质量以及燃烧条件无关。（2 “ ）燃料燃烧越充分，只能说越接近 ” 完全燃烧，燃烧效果越好，而不能说热值越大。 （3）只有在完全燃烧时放出的热量才是这种燃料的热值，如果没有完全燃烧，放出的热量 要比热值小。 17 ” ．如图甲所示是小聪同探究固体的熔化过程的实验装置图，图乙是他描绘出的温度随时 间变化的图象，则下列说法正确的是（ ） ．烧杯内的水温度升高，含有的热量也随之增多 B．B、两点的温度相同，具有的内能也相同 ．该物质液态的比热容大于固态时的比热容 D．随着酒精灯中酒精量的减少，酒精的热值也在减小 18．一台效率为40%的柴油机，当输出344×107 有用功时，消耗的柴油质量是多少？（ ）（柴油的热值是43×107/kg） ．08kg B．2kg ．032kg D．28kg 19 “ ．小汽车的发动机的排气量有的标有18T” “ ，有的标有18L” “ 。T” “ ” 表示涡轮增压，通 “ 过给发动机足量的空气来使汽油更充分地燃烧，因而比标L”汽车发动机更节能，同样 ” 的汽油加在标T” ” 汽车发动机内和加在标L“汽车发动机内，其热值 “ （选填变 ” “ ” “ ” 大 变小 或 不变 ）。200g 的汽油完全燃烧放出的热量是 （q 汽油＝ 46×107/kg）。 20．碳的热值是30×107/kg，表示 碳在完全燃烧的情况下放出的热量是30×107，完全 燃烧05kg 的碳放出的热量为 。 六．热机的效率（共9 小题） 【知识点的认识】（1）定义：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之 第1 页/ 共27 页 比，叫做热机的效率，其表达式为：η＝ ×100%．由于热机在工作过程中总有能量损 失，所以热机的效率总小于1． （2）热机在工作过程中造成能量损失的因素有： ①燃料很难全部燃烧； ②排出的废气带走能量； ③热机部件要散热； ④克服运转机件之间的摩擦消耗能量． （3）提高热机效率的方法： ①尽量让燃料充分燃烧； ②设法利用废气的能量； ③减少能量损失； ④保证良好的润滑． 【命题方向】 第一类常考题：为了节约能源，需提高热机的效率，下列措施中