14.2 热机的效率（考点解读）（原卷版）

142 热机的效率（考点解读）（原卷版） 1、燃料的热值及其计算 （1）热值概念：1kg 某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值，符号时q。 ①对于气体燃料而言，热值的定义是1m3的某种燃料完全燃烧时放出的热量。 ②热值是燃料的一种属性。 （2）热值单位：焦 / 千克（ /kg ） ，读作焦每千克。 （3）公式：Q=mq M——燃料的质量——单位千克（ kg ） ； q——燃料的热值——单位焦 / 千克（ /kg ） ； Q——燃烧放出的热量——单位焦耳（）。 （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。 （5）同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值不同。 2、热机的效率 （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比，叫做热机的效 率，其表达式为： ，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。 3、有关热机的计算 （1）热机一个工作循环中对外做功1 次 ，活塞往复 2 次 ，曲轴转 2 周 ，飞轮转 2 圈 。 （ 2）对于公式 可推导出的公式： η= W 有用 Q总 ×100%= W 有用 qm ×100% 【考点1 燃料的热值及其计算】 【典例1-1】（2023•海州区一模）一瓶酒精用去三分之一，则剩余酒精的密度、比热容和 热值（ ） ．都不变 B．都变为原来的三分之二 ．密度不变，热值、比热容变为原来的三分之二 D．密度、比热容不变，热值变为原来的三分之二 【典例1-2】（2023•临沧三模）现在有些农村地区还是使用干木柴来烧水做饭，某次烧水 时完全燃烧了21kg 干木柴，产生的热量为 ；干木柴在燃烧过程中，其热值 大小 （选填“增大”、“减小”或“不变”）。（q 干木条＝12×107/kg） 【典例1-3】（2023•蒙阴县二模）高速铁路的广泛应用，使人们的出行更加快捷。放假期 间，小明与家人乘坐高铁去游玩。如图是他们乘坐的高铁列车，如表是列车的部分参数。 （1）满载的列车停在水平轨道上时，对轨道的压强是多少？ （2）列车在水平轨道上匀速行驶1m，通过3000m 路程，所受阻力是其满载时重力的 001 倍，此过程中牵引力的功率是多少？ （3）该车运行1km 耗电1075×108，若这些电能全部由燃烧柴油来获得，列车行驶1km 需要消耗多少柴油？（q 柴油＝43×107/kg，g＝10/kg） 满载时总质量 1200t 车轮与铁轨接触总面积 1m2 最高时速 360km/ 【变式1-1】（2023•什邡市模拟）2023 年4 月2 日16 时48 分，天龙二号遥一运载火箭在 我国酒泉卫星发射中心成功首飞成功。将搭载的爱太空科学号卫星顺利送入预定轨道， 发射任务获得圆满成功。对运载火箭说法正确的是（ ） ．火箭上升的过程中动能不变，重力势能增大 B．火箭选用液态氢作燃料，主要是因为液态氢具有较大的比热容 ．火箭升空时不受重力的作用 D．火箭升空是将燃料的内能转化成了机械能 【变式1-2】（2023•花山区二模）镁粉易燃，属于危险化学品。金属镁的热值约为 25×107/kg，14kg 的镁粉完全燃烧释放的热量全部被1000kg 空气吸收，可以使空气升温 ℃。[空气的比热容取07×103/（kg•℃）]。 【变式1-3】（2023•丹阳市校级模拟）小华利用三套完全相同的装置完成热学实验，如图 1 所示，液体1 和2 的质量相同，燃料和B 的质量也相同。 （1）丙装置在安装时的一处错误是 ，重新安装后，小华 所测液体的初温均如图2 所示，示数为 ℃； （2）同时点燃三套装置的燃料对液体进行加热，每隔半分钟记录液体升高的温度ΔT， 直至燃料全部烧完。小华根据记录的数据绘制出对应装置升高温度与时间关系图线，如 图3 所示； ①通过图1 中的 两个装置可比较液体1 和液体2 的比热容，根据图3 中所绘制 的图线分析：液体 的比热容大。 ②分析图线可知：燃料和B 的热值之比为 （设燃料完全燃烧且放出的热量全被 液体吸收）。 【变式1-4】（2023•柳州一模）一个体重为600 的人，从大厦的1 楼步行至第11 楼共升高 了30m，用时2m。那么： （1）他克服重力做了多少焦耳的功？ （2）他克服重力做功的功率是多大？ （3）完成以下计算可以帮助我们认识汽油的热值的大小：汽油的热值约为45×107/kg。 如果汽油完全燃烧获得热量的焦耳数和上述功相等，需要汽油的质量是多少？ 【考点2 热机的效率】 【典例2-1】（2023•雁塔区校级模拟）下列说法其中正确的是（ ） ．温度越高的物体，内能越大 B．水和酒精混合后总体积减少表明分子间有引力 ．我国“长征五号B”大型运载火箭使用氢作燃料，是因为氢的热值大 D．小明认为随着科技发展，内燃机效率可以达到100% 【典例2-2】（2023•朝阳区校级三模）小明一家五一假期自驾游，在高速公路上匀速行驶 时，小明发现路边有确认车距的标志牌，从确认标志牌0m 到200m，车行驶只用了8 秒 钟，则车行驶的速度为 m/s；小明发现前面一辆汽车排出“黑烟”，这时汽车发 动机的效率 。 【变式2-1】（2023•西区二模）一辆使用汽油为燃料的小汽车，以72km/的速度在水平路 面上匀速行驶时，发动机的实际输出功率为20k。若小汽车行驶的路程为108km，已知 汽油的热值q＝46×107/kg。小汽车发动机的效率为25%。则下列说法正确的是（ ） ．运动的时间为1 B．发动机所做的有用功为108×108 ．汽车所受的阻力为2000 D．消耗汽油的质量为5kg 【变式2-2】（2023•合阳县一模）早在宋朝时期，我国就发明了如图所示的“走马灯”。 点燃底部蜡烛，在热空气上升驱动扇叶转动的过程中，其能量的转化方式与四冲程汽油 机的 做功 冲程相同。某单缸四冲程柴油机对外做功43×108时，消耗的柴油质量为 25kg，已知柴油的热值为43×107/kg，则此柴油机的效率为 40% 。 【变式2-3】（2023•洛阳一模）冰雪运动越来越受到人们的喜爱，小明一家寒假期间去滑 雪场游玩，看到一辆雪地摩托车，如图所示。其空车质量为100kg，静止时与雪地接触 的总面积为02m2。试问： （1）该车装有宽大的履带，目的是为了 。 （2）该车载着质量为50kg 的人静止时，对水平雪地的压强为多少？（g 取10/kg） （3）该车以36km/的速度在水平雪地上匀速直线行驶2，行驶过程中车所受阻力大小恒 为800，共消耗燃油36kg。则该车的效率为多少？（燃油的热值q＝40×107/kg） 【考点3 有关热机的计算】 【典例3-1】（2023•尉氏县一模）汽油机是传统小汽车的“心脏”某四冲程单缸汽油机的 曲轴在1m 内转了1200 转，该汽油机的汽缸横截面积为S，活塞冲程长为L，满负荷工 作时做功冲程中燃气的平均压强为p。则（ ） ．做功冲程中将机械能转化为内能 B．汽油机活塞每秒做功600 次 ．汽油机满负荷工作1m 做功为1200pSL D．汽油机满负荷工作时做功的功率为10pSL 【典例3-2】（2023•汕尾二模）在汽油机的四个冲程中，机械能转化为内能的是 冲 程，如图所示，汽油机正在进行的是 冲程。若该汽油机的飞轮转速为1800r/m， 则它1s 完成 个冲程。 【变式3-1】（2023 春•海州区校级月考）某品牌汽车以72km/的速度匀速行驶时，仪表盘 显示发动机转速是1800r/m，若做功冲程每次做功6000，则下列有关该汽车发动机的说 法错误的是（ ） ．每秒完成60 个冲程 B．每秒对外做功15 次 ．发动机提供的牵引力为4500 D．发动机的输出功率是80k 【变式3-2】（2023•苍溪县模拟）汽车已经成为现代生活不可缺少的一部分，汽车多数采 用汽油机作为发动机，如图是四冲程汽油机的工作循环示意图，汽油机一个工作循环正 确的顺序是： ，若汽油机飞轮的转速为3600r/m，则在1s 内，汽油机对 外做功的次数是 次。 一、选择题。 1．（2023•玄武区一模）如图所示，用相同装置进行下列两个实验：①探究不同物质吸热 升温的现象；②比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量。以下判断正确的是（ ） ．利用甲、乙装置可以完成实验① B．实验①中的研究对象是烧杯中的液体，实验②中的研究对象是燃料 ．两个实验中，都需要天平和秒表 D．实验①中通过升高温度比较吸热多少，实验②中通过加热时间比较放热多少 2．（2023•临渭区一模）羊肉泡馍是陕西一道地方传统的名小吃，它料重味醇肉烂汤浓， 营养丰富，香气四溢，食后回味无穷。下列有关说法正确的是（ ） ．刚出锅的羊肉泡馍温度约为10℃ B．用燃气灶煮馍时，调大火力可以提高燃气的热值 ．不敢大口喝热气腾腾的汤，因为汤里含有的热量多 D．羊肉泡馍香气四溢，说明分子在永不停息地做无规则运动 3．（2022 秋•青山区期末）现实生活中，我们经常看到消防战士不顾危险，保护人民的生 命和财产。下列关于油桶爆炸火灾现场的解释中正确的是（ ） ．爆炸后现场冒起的黑烟是扩散现象 B．油桶爆炸过程与汽油机的做功冲程原理相同 ．离爆炸现场较远的地方也能闻到很大的汽油味，这说明分子间存在相互作用的斥力 D．汽油的热值是46×107/kg，说明1kg 汽油燃烧所放出的热量是46×107 4．（2022 秋•东丽区期末）一台四冲程汽油机曲轴的转速为1200r/m，此汽油机每秒钟完 成的工作循环是（ ） ．40 个 B．20 个 ．10 个 D．5 个 5．（2023•南海区二模）如图所示为常用四冲程汽油发动机的某个冲程示意图，下列说法 正确的是（ ） ．如图所示冲程为汽油机的做功冲程 B．如图所示冲程中燃气对外做功内能增大 ．如图所示冲程是机械能转化为内能 D．汽油机轻便且工作效率可达100% 6．（2023•宜兴市模拟）下列有关汽油机的说法正确的是（ ） ．采取有效措施、汽油机效率能达到100% B．除了做功冲程，其余三个冲程均是靠飞轮的惯性来完成 ．汽油机的压缩冲程，主要是用热传递的方法增加了气缸内的物质的内能 D．某台汽油机飞轮的转速为2400r/m，在1s 内该汽油机做功10 次 7．（2022 秋•益阳期末）某单缸四冲程汽油机的飞轮转速是2400r/m，下列关于该汽油机 的说法正确的是（ ） ．1m 完成吸气冲程2400 次 B．1m 完成2400 个冲程 ．1s 完成20 个工作循环 D．1s 对外做功40 次 二、填空题。 8．（2023•临潼区三模）在四冲程汽油机中，将机械能转化为内能的冲程是 冲程； 汽车发动机工作时，当汽油在发动机内燃烧不充分时会冒“黑烟”，这时发动机的效率 （选填“升高”、“不变”或“降低”）；发动机散热器常用水做冷却剂，因为 水的 较大。 9．（2023•禅城区二模）一台单缸四冲程内燃机正常工作时的转速为1800r/m，该内燃机每 秒做功 次，如图所示的单缸四冲程汽油机正处于 冲程。汽油机是汽车的 “心脏”，气缸外面有“水套”，汽车行驶时水的温度会升高，水的内能会增大，这是 通过 方式改变水的内能。 10．（2023•肥西县模拟）内燃机的一个工作循环有四个冲程，某台汽油机飞轮的转速为 2400r/m，在1s 内，活塞对外做功 次。 11．（2023•韩城市二模）2022 年11 月29 日，搭载神舟十五号载人飞船的长征二号遥F 运 载火箭发射升空，运载火箭用液态氢作为燃料，因为液态氢具有较高的 ；并于11 月30 日成功对接天和核心舱，如图所示。对接后，以核心舱为参照物，神舟十五号载 人飞船是 （填“运动”或“静止”）的。 12．（2023•海州区一模）用天然气热水器将5kg 的水升温20℃，此过程中水吸收的热量 是 ，至少需要燃烧 m3 的天然气，已知水＝42×103/（kg•℃），q 天然气＝ 42×107/m3。实际用气量大于这个值，除了天然气燃烧放出的热量没有全部被水吸收这 个原因外，还有什么原因？ 。 13．（2023•安徽模拟）为了知道某种燃料的热值，小明用完全相同的装置分别加热初温为 20℃、质量为1kg 的水，不计热量损失。如图所示是完全燃烧相同质量的燃料1、2 后 水的温度随时间变化的图像，则燃料2 的热值为 /kg[q 燃料1＝30×107/kg，水＝ 42×103/（kg•℃）]。 14．（2023•武进区校级一模）连日来，大风扬沙肆虐。政府各相关单位采取多项措施积极 应对极端天气，其中使用雾炮车向空中喷水雾能使尘埃粒子快速沉降到地面，起到净化 空气的作用，确保居民生活环境的健康安全。某型号雾炮车的发动机是柴油机，空载时 的质量为10t，它配备了一个体积为10m3的水箱，雾炮车在水平地面上匀速行驶时受到 的阻力为车重的005 倍。 （1）大风扬沙肆虐，该运动 （选填“是”或“不是”）分子热运动。 （2）柴油机四个冲程中的 冲程给车提供了动力，若该柴油机的转速为 1800r/m，则它每秒钟完成 个做功冲程。 （3）雾炮车在水平路面匀速行驶并不断向外喷水时，车受到水平地面的摩擦力 （选填“变大”、“变小”或“不变”），动能 （选填“变大”、“变小”或 “不变”）。 （4）当某次水喷洒完后空载返回时，沿水平路面匀速前进了10km，速度为2m/s，此过 程消耗柴油4kg，则该雾炮车的效率是 。（g 取10/kg，柴油的热值取4×107/kg） 三、实验探究题。 15．（2023•武江区校级一模）如图所示，甲、乙、丙三图中的燃料均为10g，烧杯内的液 体质量、初温均相同。 （1）比较不同物质的比热容，应选择 两图进行实验，不同物质吸热的多少是 通过 （选填“温度计示数”或“加热时间”）来反映的。 （2）比较不同燃料的热值，应选择 两图进行实验；当燃料完全燃烧时，通过 比较 （选填“温度计示数”或“加热时间”）来比较不同燃料的热值。 （3）质量和初温均相同的、B 两种液体吸热后，它们的温度随时间变化的图像如图丁 所示，由图可知， 液体的比热容较大。若其中比热容较大的液体是水，则另一种液 体的比热容为 /（kg•℃）。[水＝42×103/（kg•℃）] （4）若甲装置中的燃料为酒精，烧杯内的液体为水，测出水的质量和燃料烧尽时水升 高的温度，再结合燃料的质量这一数据，从而计算出燃料的热值，则该数值与实际值相 比 （选填“偏大”或“偏小”）。 四、计算题。 16．（2023•碑林区校级模拟）国产055 新型导弹驱逐舰的服役，使中国海军的装备又一次 得到提升。该型号驱逐舰满载时质量为125×104t，在海面上以恒定功率做直线运动，其 牵引力F 随时间t 的变化关系如图甲所示，其运动速度v 随时间t 的关系如图乙所示，求： （ρ 柴油＝085×103kg/m3，q 柴油＝40×107/kg，ρ 水＝10×103kg/m3，g 取10/kg） （1）该驱逐舰在34～44s 内行驶的路程为 m；驱逐舰满载时在匀速航行的过程中 所受浮力为 ； （2）在水下5m 处有一面积为200m² 的观察窗口，窗口受到水的压力大小； （3）在0～34s 内完全燃烧125L 柴油的过程中发动机的效率。 17．（2023•济阳区二模）氢燃料被公认为是21 世纪最理想的能源。某氢燃料新能源公交 车满载时的重力为2×105，某次满载后匀速直线运行1200m 从站到B 站，用时2 分钟。 此过程中，汽车所受阻力是总重力的007 倍。（氢的热值是14×108/kg，g 取10/kg）请 计算： （1）从站到B 站汽车牵引力所做的功。 （2）从站到B 站汽车牵引力的功率。 （3）若此过程中，汽车消耗氢燃料025kg，求汽车发动机的效率。