14.2 热机的效率（专题训练）【五大题型】（解析版）

142 热机的效率（专题训练）【五大题型】 【题型1 有关热机的计算】.....................................................................................................................................1 【题型2 对热值的理解】.........................................................................................................................................8 【题型3 燃料燃烧的相关计算】........................................................................................................................... 11 【题型4 对热机效率的理解】...............................................................................................................................15 【题型5 热机效率问题的相关计算】................................................................................................................... 18 【题型1 有关热机的计算】 1．（2023 春•凤台县期中）一台柴油机，功率为70k，机械效率为40%，已知柴油的热值 为42×107/kg，当它正常工作时，每分钟消耗的柴油是（ ） ．025g B．250g ．04g D．400g 【答】B 【分析】已知柴油机的功率，根据＝Pt 求出每分钟做的功，再根据效率公式求出每分钟 消耗柴油完全燃烧释放的热量，再根据Q 放＝mq 求出每分钟消耗柴油的质量。 【解答】解：每分钟柴油机做的功： ＝Pt＝70×103×60s＝42×106， ∵机械效率为40%， ∴每分钟消耗柴油完全燃烧释放的热量： Q 放＝ ＝ ＝105×107， Q ∵ 放＝mq， ∴每分钟消耗柴油的质量： m＝ ＝ ＝025kg＝250g。 故选：B。 2．（2021 秋•兴平市期末）如图所示是某单缸四冲程汽油机的工作示意图。下列说法正确 的是（ ） ．一个工作循环的正确顺序是：丁、丙、甲、乙 B．热机常用水做冷却剂，是因为水的沸点高 ．丙图冲程是做功冲程，主要将内能转化为机械能 D．若飞轮的转速为1800r/m，则该汽油机每秒做功30 次 【答】 【分析】（1）判断汽油机的四个冲程，先看进气门和排气门的关闭情况，进气门打开 的是吸气冲程，排气门打开的是排气冲程，进气门和排气门都关闭的是压缩冲程或者做 功冲程；活塞上行为压缩冲程和排气冲程；活塞下行为吸气冲程和做功冲程；在压缩冲 程中机械能转化为内能；做功冲程中内能转化为机械能；对外提供内能的冲程只有做功 冲程，其它三个冲程都是依靠惯性完成的； （2）因为水的比热容较大，相同质量的水与其它物质相比，升高相同的温度，吸收的 热量多，冷却效果好，常用来做冷却剂； （3）内燃机的四个冲程中有两个冲程发生了能量转化，在压缩冲程中机械能转化为内 能，在做功冲程中内能转化为机械能； （4）四冲程内燃机曲轴转一圈，完成2 个冲程，活塞往复1 次，1 个工作循环中包括4 个冲程并对外做功1 次。 【解答】解：甲冲程，两气门都关闭，活塞向上运行，气缸容积减小，是压缩冲程，将 机械能转化为了内能，是第二冲程； 乙冲程，排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程，是第四冲程； 丙冲程，气门都关闭，火花塞点火，活塞向下运行，气缸容积增大，是做功冲程，将内 能转化为了机械能，是第三冲程； 丁冲程，进气门打开，活塞向下运行，气缸容积增大，是吸气冲程，是第一冲程； 、四个冲程的正确顺序是丁、甲、丙、乙，故错误； B、热机常用水做冷却剂，是因为水的比热容大，相同质量的水与其它物质相比，升高 相同的温度，吸收的热量多，冷却效果好，故B 错误； 、丙图是做功冲程，汽油机的做功冲程将内能转化为机械能，气缸内气体内能减少，温 度降低，故正确； D、四冲程汽油机的飞轮转速为1800r/m，则该飞轮每秒钟转30 圈，完成了60 个冲程， 对外做功15 次，故D 错误。 故选：。 3．（2022 秋•雁塔区校级期中）下列有关热的说法正确的是（ ） ．晶体在熔化过程中温度不变，内能也不变 B．某台四冲程汽油机的转速为2400r/m，则1s 内该汽油机对外做功80 次 ．在沿海的白天，由于海水的比热容比陆地大，所以海水升温快 D．“天问一号”搭载的火箭发动机，也属于热机中的一种 【答】D 【分析】（1）晶体熔化过程中要持续吸热，内能增加，温度不变； （2）根据汽油机的飞轮转速求出每秒的转数，汽油机1 个工作循环完成4 个冲程，飞 轮获取曲轴转2 圈，对外做功1 次，据此可求1s 内该汽油机对外做功的次数； （3）水的比热容比砂石大，相同质量的水和砂石相比，吸收相同的热量，水升温慢； （4）热机是通过燃料燃烧获取内能并转化为机械能的装置。 【解答】解：、晶体熔化过程中温度不变，但由于需要不断吸热，所以内能增加，故错 误； B、四冲程汽油机的转速为2400r/m＝40r/s，由于汽油机1 个工作循环完成4 个冲程，飞 轮获取曲轴转2 圈，对外做功1 次，所以1s 内该汽油机对外做功20 次，故B 错误； 、海水的比热容比砂石大，相同质量的海水和砂石相比，吸收相同的热量，海水升温慢， 故错误； D、“天问一号”搭载的火箭发动机，是通过燃料燃烧获取内能并转化为机械能的装置， 所以火箭发动机也属于热机的一种，故D 正确。 故选：D。 4．（2023•海陵区三模）检修发动机时需要抬起图示中的引擎盖，此时该引擎盖可看作 省力 杠杆。四冲程汽油机在工作时，每秒飞轮转了30 转，则发动机每分钟完成 3600 个冲程。该汽车冷却系统用水来冷却发动机，这是利用水的 比热容较大 特 点来工作的。 【答】省力；3600；比热容较大 【分析】（1）动力臂大于阻力臂的杠杆是省力杠杆，动力臂小于阻力臂的杠杆是费力 杠杆，动力臂等于阻力臂的杠杆是等臂杠杆； （2）汽油机一个工作循环完成4 个冲程，飞轮和曲轴转2 圈，对外做功1 次； （3）水的比热容较大，相同质量的水和其它物质相比，升高相同的温度，水吸收的热 量较多。 【解答】解：检修发动机时需要抬起图示中的引擎盖，此时动力臂大于阻力臂，所以该 引擎盖可看作省力杠杆； 四冲程汽油机在工作时，每秒飞轮转了30 转，则每分钟飞轮转了1800 转， 由于汽油机一个工作循环完成4 个冲程，飞轮和曲轴转2 圈，对外做功1 次，所以发动 机每分钟完成3600 个冲程； 该汽车冷却系统用水来冷却发动机，这是利用水的比热容较大的特点，因为相同质量的 水和其它物质相比，升高相同的温度，水吸收的热量较多。 故但为：省力；3600；比热容较大。 5．（2023•雁塔区校级模拟）如图甲所示，用酒精灯加热试管中的水，当水沸腾一段时间 后，塞子被试管内的水蒸气推开，这个过程中水蒸气的 内 能转化为塞子的机械能， 这与汽油机图 丙 （选填“乙”或“丙”）冲程中的能量转化相同。若汽油机的转 速为1800r/m，则每秒钟做功 15 次。 【答】内；丙；15。 【分析】物体对外做功，自身的内能减小，将内能转化为机械能，汽油机的做功冲程将 内能转化为机械能； 根据气门的打开和关闭情况，结合活塞的运动方向判断是哪一个冲程； 汽油机完成1 个工作循环，四个冲程，飞轮转2 转，对外做功1 次。 【解答】解：当水沸腾一段时间后，塞子被试管内水蒸气推出，水蒸气对塞子做功，将 水蒸气的内能转化为塞子的机械能； 图乙中进气门、排气门关闭，活塞由下向上运动，是压缩冲程；图丙中进气门、排气门 关闭，活塞由上向下运动，是做功冲程，将内能转化为机械能，与水蒸气对塞子做功的 能量转化相同。 汽油机完成1 个工作循环，完成四个冲程，飞轮转2 转，对外做功1 次，1800r/m＝ 30r/s，即每秒完成15 个工作循环，完成60 个冲程，对外做功15 次。 故答为：内；丙；15。 6．（2023•连云港二模）高空抛物现象被称为“悬在城市上空的痛”，对路面行人形成安 全隐患，这是由于物体的重力势能与 高度 有关，物体下落过程中重力势能转化为 动 能。利用能量转化可以造福人类，如热机是将 内 能转化为机械能的机械，若 一台四冲程汽油机的飞轮转速为2400r/m，则该汽油机1s 对外做功 20 次。 【答】高度；动能；内；20。 【分析】（1）物体由于被举高而具有的能量叫做重力势能，重力势能与物体的质量和 高度有关；动能与物体的质量和高度有关； （2）热机是利用燃料燃烧获取内能并转化为机械能的装置； （3）四冲程汽油机一个工作循环完成4 个冲程，飞轮和曲轴转2 圈，对外做功1 次。 【解答】解：（1）重力势能的大小与质量和高度有关，质量一定时，物体高度越高， 具有的重力势能越大，下落过程中物体的高度减小，速度增大，将重力势能转化为动能 就越多，对路人形成安全隐患； （2）热机是通过燃料燃烧获取内能并转化为机械能的装置； （3）若一台四冲程汽油机的飞轮转速为2400r/m＝40r/s，即汽油机飞轮每秒转40 圈， 四冲程汽油机一个工作循环完成4 个冲程，飞轮和曲轴转2 圈，对外做功1 次，所以该 汽油机1s 对外做功20 次。 故答为：高度；动能；内；20。 7 ．（2022 秋• 和平区校级期中）郝伶俐同学看到一些小汽车的尾部都标有 “08”、“16”、“18”或“20”等字样，她上查询得知这是汽车发动机“排气量”的数值， 所谓排气量就是发动机的工作容积，是指汽缸内活塞从下止点到达上止点所扫过的体积。 一般情况下发动机的“排气量”越大，功率越大。汽车发动机每一个工作循环要经历四 个冲程，带动曲轴转动2 周，做功一次。如现有一辆小轿车（四个气缸）发动机排气量 为V0，燃气每次对活塞的平均压强为p0，当该发动机以最大功率工作时，曲轴的转速 为0r/m。 （1）单个气缸一秒内燃气做多少次功？ （2）该汽油机一个做功冲程做功多少？ （3）该汽油机的功率是多少？ 【答】（1）单个气缸一秒内燃气做功 次； （2）该汽油机一个做功冲程做功p0V0； （3）该汽油机的功率是 p0V0。 【分析】（1）根据曲轴的转速求出曲轴每秒的转数；汽车发动机每一个工作循环要经 历四个冲程，带动曲轴转动2 周，做功一次，据此求出单个气缸一秒内燃气做功的次数； （2）假设活塞的横截面积为S，塞从下止点到达上止点所运动的路程为L，根据p＝ 求出燃气对活塞的平均压力，利用＝FL 求出汽油机一个做功冲程所做的功； （3）用1 秒做功的次数乘以汽油机一个做功冲程所做的功求出单个气缸1s 所做的功， 利用P＝ 求出一个气缸做功的功率，据此可求出汽油机的功率。 【解答】解：（1）当该发动机以最大功率工作时，曲轴的转速为0r/m＝ r/s，即曲轴 每秒转过 周， 由于汽车发动机每一个工作循环要经历四个冲程，带动曲轴转动2 周，做功一次，所以 单个气缸一秒内燃气做功 次； （2）假设活塞的横截面积为S，塞从下止点到达上止点所运动的路程为L， 由p＝ 可知，燃气对活塞的平均压力：F＝p0S， 汽油机一个做功冲程所做的功：＝FL＝p0SL＝ p0V0； （3）单个气缸一秒内燃气所做的功′＝ × p0V0＝ ， 单个气缸做功的功率：P＝ ＝ ＝ ， 该汽油机的功率：P′＝4P＝4× ＝ p0V0。 答：（1）单个气缸一秒内燃气做功 次； （2）该汽油机一个做功冲程做功p0V0； （3）该汽油机的功率是 p0V0。 8．（2021•鄞州区校级模拟）小亮家有一辆轿车，爸爸在给他讲车的性能时，总是说“20 的排量”，却很少说“功率”，为此小亮特地从上查到了排量的定义：活塞从上止点移 动到下止点所通过的“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。小亮从说明书上查到家中的轿车采用的是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。 （已知所使用汽油的热值为46×107/kg，密度为072×103kg/m3） （1）根据如图分析，在发动机转速为1000～5000r/m 范围内，它的输出功率与转速大 致成 正 比。 （2）当发动机转速为3000r/m 时，则发动机每个工作循环所需要的时间为 004 s；设 做功冲程燃气对活塞的平均压强是p0，发动机排量为V 排，每个活塞的受力面积为S， 活塞移动距离为L，则发动机转速为时，该轿车的输出功率P 与发动机排量为V 排的关 系式为 ． B．p0V 排 2p0V 排 D4p0V 排 【答】见试题解答内容 【分析】（1）由这台发动机输出特性曲线可以得出发动机转速为1000～5000r/m 范围 内输出功率与转速的大致关系； （2）根据发动机转速得到每个工作循环所需要的时间； 先设出做功冲程燃气对活塞的平均压强和发动机排量，根据F＝PS 求出做功冲程燃气对 一个活塞的平均压力，根据＝Fs 求出每个做功冲程燃气对一个活塞做的功，再根据P＝ 得出发动机转速为时燃气对活塞做功的功率，进一步得出发动机的输出功率与其排量 的关系。 【解答】解：（1）由这台发动机输出特性曲线可以看出，在发动机转速为1000～ 500r/m 范围内，它的输出功率与转速大致成正比关系； （2）四缸发动机是每转2 圈对外做功1 次，转速是3000r/m，则1m 对外做功 ＝ 1500 次，也就是完成1500 个工作循环，所以发动机转速为3000r/m 时， 每个工作循环所需要的时间为t＝ s＝004s； 设做功冲程燃气对活塞的平均压强为p0，发动机排量为V 排，则一个活塞的排气量 V 排， 做功冲程燃气对一个活塞的平均压力：F＝p0S， 每个做功冲程燃气对一个活塞做的功：0＝FL＝p0SL＝ p0V 排， 发动机转速为时，燃气对活塞做功的功率：P＝ ＝2× p0V 排＝ 。 故选：。 故答为：（1）正；（2）004；。 【题型2 对热值的理解】 9．（2023•福州模拟）北京第24 届冬奥会火炬“飞扬”采用氢作为燃料，除了环保属性外， 还利用了氢具有（ ） ．较小的密度 B．较大的比热容 ．较低的沸点 D．较大的热值 【答】D 【分析】热值是燃料的一种特性，完全燃烧相同质量的不同燃料，热值越大，放出的热 量越多。 【解答】解：采用氢作为燃料，原因是氢具有较大的热值，完全燃烧相同质量的液态氢 时，可以放出更多的热量。 故选：D。 10．（2023•莱芜区模拟）双燃料汽车以天然气或汽油作为燃料，汽车在行驶过程中燃料的 热值将（ ） ．始终不变 B．逐渐变小 ．逐渐变大 D．先小后大 【答】 【分析】1kg 某种燃料完全燃烧放出的能量，叫做这种燃料的热值。热值是燃料的一种 特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等均无关。 【解答】解：燃料的热值仅与燃料的种类有关，与燃料燃烧放出热量的多少无关，双燃 料汽车以天然气或汽油作为燃料，汽车在行驶过程中燃料的热值将始终不变，故正确， BD 错误。 故选：。 11．（2023•历下区三模）据统计，济南中心城区公交车辆已实现100%新能源化。其中投 入运营了60 辆氢燃料电池公交车，节能减排效果明显。采用氢燃料除了可以减少碳和 有害气体的排放之外，还因为氢燃料具有（ ） ．较大的热值 B．较低的沸点 ．较小的密度 D．较大的比热容 【答】 【分析】热值是指1 千克的某种燃料完全燃烧放出的热量，质量相同的不同燃料，热值 越大，完全燃烧时放出的热量越多。 【解答】解：氢燃料电池公交车，采用氢燃料，原因是液态氢具有较大的热值，完全燃 烧相同质量的氢时，可以放出更多的热量，故正确、BD 错误。 故选：。 12．（2022 秋•沈北新区期末）2022 年11 月12 日10 时03 分，天舟五号货运飞船在长征七 号火箭的稳稳托举下，满载货物飞上云霄，跨越星海奔赴天宫，如图所示。承载发射任 务的火箭用液态氢作为燃料，是因为液氢的 热值 （选填“比热容”“密度”或 “热值”）大；若火箭中液氢用去了一半，则剩余液氢的热值将 不变 （选填“增 大”“减小”或“不变”）。 【答】热值；不变。 【分析】热值是燃料的一种特性，质量相同的不同燃料，热值越大的燃料，在完全燃烧 时放出的热量越多； 热值大小与燃料的种类有关，而与燃料的质量大小、燃烧程度无关。 【解答】解：液态氢的热值大，与质量相同的其它燃料相比，在完全燃烧时放出的热量 多，所以承载发射任务的火箭用液态氢作为燃料； 若火箭中液氢用去了一半，质量减小、燃料的种类不变，剩余液氢的热值不变。 故答为：热值；不变。 13．（2023•宜兴市模拟）如图所示，某学校物理小组设计实验，探究“酒精、煤油”的热 值。甲、乙装置完全相同，水的质量和初温及待测燃料的质量也相同。通过测量 B （选填字母燃烧相同时间/B 燃料全部燃烧）后水的末温t 甲＜t 乙（均未达到沸点），可 以粗略知道它们的热值大小关系为：q 酒精 ＜ （＞/＜/＝）q 煤油。 【答】B；＜。 【分析】燃料的热值大小不能直接测量，需要通过液体吸收热量的多少来体现燃料燃烧 放出热量的多少，而液体吸收热量的多少跟液体的质量和升高的温度有关，因此为了比 较热值大小要用不同的燃料，加热同一种液体，让液体的质量相同，通过温度计的示数 高低得出吸热多少，进而判断热值大小。 【解答】解：由题意可知，在全部燃烧了质量相等的酒精和煤油，加热两个烧杯中质量 相等的水时，甲杯水的温度升高的较低，即酒精燃烧产生的热量少，所以酒精的热值小， 说明煤油的热值大于酒精的热值。 故答为：B；＜。 14．（2022 秋•唐河县期末）人类发展史也是利用燃料的历史，干木柴、煤的放热本领不 同，是因为它们的 热值 （选填“热值”、“热量”或“温度”）不同。月月参加 了一次长跑，身体消耗的能量约为84×106，这些能量相当于完全燃烧 021 m3的天然 气。（天然气热值q＝40×107/m3）。 【答】热值；021。 【分析】热值是燃料的一种特性，完全燃烧相同质量的不同燃料，热值大的放出的热量 多； 天然气完全燃烧放出的热量等于身体消耗的能量，利用Q 放＝Vq 求相当于完全燃烧天然 气的体积。 【解答】解：热值是燃料的一种特性，由于干木柴、煤的热