14.2 热机的效率（解析版）

第十四章 内能的利用 第2 节 热机的效率 1 从生活中体会不同燃料燃烧释放热量的本领不同，建立热值的概念。 2 能简单计算燃料燃烧放出的热量。 3 能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热效率。 一、热值： 1 概念：我们把某种燃料 完全燃烧 放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值； 2 大小：热值在数值上等于1 kg 某种燃料完全燃烧放出的热量； 3 公式： q= Q放 m （或 q= Q放 V 一般用于气体、液体燃料） （1）其中：m 为燃料的质量，V 为燃料的体积，q 为燃料的热值 （2）公式变形：Q放=qm （已知热值及燃料质量，求燃烧放出的热） m= Q放 q （已知燃烧放出的热及热值，求燃料的质量） 4 单位：焦每千克（符号是/kg）。 （1）热值的单位由热量的单位和质量的单位组合而成； （2）在国际单位制中，热量的单位是焦耳（），质量的单位是千克（kg） 5 影响因素：热值是燃料本身的一种特性，只与 燃料的种类 和 状态 有关， 与燃料的形态、质量、体积等均无关； 6 常见物质的热值： ①煤气的热值约为39×107/m3， 物理意义为：体积为1m3的煤气完全燃烧放出的热量为39×107。 学习目标 1 预习导学 02 ②焦炭的热值30×107/kg， 物理意义为：质量为1 kg 的煤气完全燃烧放出的热量为30×107。 二、热机的效率： 1 概念：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率； 2 公式： η= W 有 Q放 ×100% 3 在热机的能量损失中，废气带走的能量最多。 4 提高热机的热效率方法： （1）废气回收利用：减少机械散热和废气带走热量； （2）使燃料充分燃烧：雾化液体燃料、粉碎固体燃料，通气足够； （3）减少机械摩擦损失。 知识点一：热值 【探究重点】 1、热值是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧等均无关。 2、燃料燃烧过程：化学能转化为内能。 3、热值反映了燃料燃烧特性，即不同燃料在燃烧过程中化学能转化为内能的本领大小，是一个理想量，只与燃料 的种类有关，与燃料是否完全燃烧无关，不随质量、体积的变化而变化。 4、在学习热值的概念时，应注意以下几点 “ ①完全燃烧”是指燃料全部燃烧变成另一种物质。 ②强调所取燃料的质量为“lkg”，要比较不同燃料燃烧本领的不同，就必须在燃烧质量和燃烧程度完全相同的条 件下进行比较。 “ ③某种燃料”强调了热值是针对燃料的特性与燃料的种类有关。 ④燃料燃烧放出的热量的计算：一定质量m 的燃料完全燃烧，所放出的热量为：Q=mq，式中，q 表示燃料的热 值，单位是/kg；m 表示燃料的质量，单位是kg；Q 表示燃烧放出的热量，单位是。 ⑤若燃料是气体燃料，一定体积V 的燃料完全燃烧，所放出的热量为：Q=qv，式中，q 表示燃料的热值，单位 是/m3；V 表示燃料的体积，单位是m3；Q 表示燃烧放出的热量，单位是。 【例题精讲】（2023•邵阳）2023 年5 月30 日，长征二号F 遥十六运载火箭搭载神舟十六号载人飞船成功发射（如 图）。火箭使用一种叫做偏二甲肼的液体燃料，是因为该燃料具有较大的（ ） 探究提升 03 ．热值 B．比热容 ．密度 D．体积 【答】 【分析】热值是燃料的一种特性，热值越大的燃料在完全燃烧相同质量的燃料时，释放出的热量越多。 【解析】火箭使用一种叫做偏二甲肼的液体燃料，主要的原因是它具有较大的热值，完全燃烧相同质量的该液 体燃料时，可以释放出更多的热量，故正确，BD 错误。 故选：。 【点评】本题考查了对热值特性的理解，属于基础题目。 【巩固训练】（2022•镇江）如图所示，用甲、乙两种燃料分别对质量和初温相同的水进行加热，两图装置均相同。 燃料的质量用m 表示，燃料充分燃尽时水升高的温度用Δt 表示（水未沸腾）（ ） ．若m 相同，Δt 越小，燃料的热值越大 B．若Δt 相同，m 越大，燃料的热值越大 ．若 的值越大，燃料的热值越大 D．若 的值越大，燃料的热值越大 【答】D 【解析】燃料的热值大小不能直接测量，需要通过水吸收热量的多少来体现燃料燃烧放出热量的多少，而水吸 收热量的多少跟水的质量和升高的温度有关，因此为了比较热值大小可以利用Q 吸＝Q 放，而Q 吸＝水m 水Δt，Q 放＝mq，即水m 水Δt＝mq，解得：q＝ ； 、若m 相同，Δt 越小，由q＝ 可知，燃料的热值越小，故错误； B、若Δt 相同，m 越大，由q＝ 可知，燃料的热值越小，故B 错误； 、若 的值越大，即 的值越小，由q＝ 可知，燃料的热值越小，故错误； D、若 的值越大，由q＝ 可知，燃料的热值越大，故D 正确。故选：D。 知识点二：热机效率 【探究重点】 1、公式：η=Q吸 Q放 ×100% 或 η=W 有用 W 总 ×100% 因为热机在工作过程中总是有能量损失，所以 。 2、热机的能量流图 3、热机的效率的计算一般有两种方法，一种是有用功与总功的比值，第二种是根据能流图进行计算。在很多热机 效率类题型中，Q 吸往往通过比热容计算，Q 放往往用热值计算。 4、求解热机效率的思维路径 （1）在大脑中要知道用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值，称为热机效率。 （2）根据题意研究燃料完全燃烧释放的能量Q 放 =mq，做有用功的能量有。 （3）若用有为做有用功的能量；Q 放为燃料完全燃烧释放的能量。则求解热机效率就可以写成数学表达式 η= 有/Q 放 。 注意：燃料不充分完全燃烧、各种热散失、各部件间的摩擦以减小因克服摩擦做功而消耗的能量、废气带走的能 量都是属于无用功的能量。 【例题精讲】（2023•长春）如图所示是我国《农书》中记录的槽碓（duì）。大木勺积水较多会下沉，使石锤上升； 当大木勺内的水流出变轻后，石锤落下击打石臼内的谷物。该槽碓（ ） ．机械效率可达100% B．是杠杆 ．机械效率可超过100% D．是热机 【答】B 【分析】任何机械使用时，不可避免地做额外功； 结合图片和生活经验，先判断“碓身”在使用过程中，绕着固定点转动的硬棒是杠杆；热机将内能转化为机械 能。 【解析】、任何机械使用时，不可避免地做额外功，任何机械的效率都不可能达到或超过100%，故、错误； B、结合图片和生活经验，槽碓在使用过程中，绕着固定点转动的硬棒，属于杠杆，故B 正确； D、槽碓使用时将水的机械能转化为石锤的机械能，没有将内能转化为机械能，不属于热机，故D 错误。 故选：B。 【点评】本题考查机械效率、杠杆和热机，属于中档题。 【巩固训练】（2021•聊城）一辆汽车以20m/s 的速度在平直的公路上匀速行驶了3km，受到的阻力为1200，燃烧 了03kg 汽油。（汽油的热值q＝46×107/kg）求： （1）牵引力做了多少功； （2）这些汽油完全燃烧放出的热量； （3）发动机的效率。 【答】（1）牵引力做了36×106的功； （2）这些汽油完全燃烧放出的热量为138×107； （3）发动机的效率为261%。 【解析】（1）已知汽车匀速行驶时受到的阻力为f＝1200， 由二力平衡的条件可知汽车的牵引力为：F＝f＝1200， 则牵引力做的功为：＝Fs＝1200×3×103m＝36×106； （2）这些汽油完全燃烧放出的热量为：Q 放＝qm＝46×107/kg×03kg＝138×107； （3）发动机的效率为：η＝ ＝ ≈261%。 答：（1）牵引力做了36×106的功； （2）这些汽油完全燃烧放出的热量为138×107； （3）发动机的效率为261%。 1．（2023•前郭县二模）一桶汽油用掉了一半，发生变化的物理量是（ ） ．比热容 B．热值 ．密度 D．质量 【答】D 【解析】、单位质量的某种物质温度升高1℃所吸收的热量叫做这种物质的比热容。比热容是物质的一种特性， 同种物质比热容是一定的，比热容与物体的质量、升高的温度、吸收的热量都无关，故不符合题意。 B、1kg 某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值。由热值定义可知，热值是燃料的一种特性，与燃料 的质量无关，同种燃料热值是一定的，故B 不符合题意； 、某种物质单位体积的质量叫做密度。由密度定义可知，密度是物体的质量与体积的比值，同种物质，质量与 体积成正比。所以密度与物体的质量和体积是无关的，即使物体的质量、体积发生了变化，但它们的比值是不 变的，故不符合题意； D、物体内所含物质的多少叫做质量。一桶煤油用去一半，则剩余的煤油是原来的一半，因此煤油的质量发生 了变化，故D 符合题意；故选：D。 2．（2023•长春一模）如图所示是某款汽车能量转化示意图，则汽车的效率是（ ） ．7% B．30% ．33% D．40% 【答】B 【解析】汽车的效率是η＝100% 33% 30% 7% ﹣ ﹣ ﹣ ＝30%，故D 错误，B 正确。故选：B。 3．（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 强化训练 040 【答】D 【解析】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。 4．（2023•特克斯县三模）2022 年，我国处于使用状态的汽车数量近2 亿辆。若每辆汽车每年耗油18t，汽车内燃 机的效率平均值取30%。如果能把内燃机的效率提高到36%，全国每年可以节约燃油（ ） ．6×1010 t B．36×109 t ．6×107t D．36×107t 【答】 【解析】因为汽车做的有用功为＝Q 放η＝mqη，提高效率前后，每辆汽车每年做的有用功相等， 则m1qη1＝m2qη2，即m1η1＝m2η2，18t×30%＝m2×36%， 解得：m2＝15t， 每辆汽车每年耗油节省的质量m＝m1 m ﹣ 2＝18t 15t ﹣ ＝03t， 全国每年可以节约燃油m 总＝m＝2×108×03t＝6×107t，故正确，BD 错误。故选：。 5．（2023•鹤山市校级二模）如图用蒸锅在天然气灶上烧水蒸包子的过程中，下列说法正确的是（ ） ．天然气燃烧越充分，热值越大 B．包子的温度越高所含热量越多 ．“蒸包子”是通过做功的方式改变包子内能的 D．锅盖被“顶起”，该过程将内能转化为机械能 【答】D 【解析】、热值是燃料本身的一种特性，热值由燃料本身决定，与燃料是否充分燃烧无关，故错误； B、在质量不变时，包子的温度越高，内能越大，但不能说所含的热量越多，因为热量是一个过程量，不能用 “含有”、“具有”来描述，故B 错误； 、“蒸包子”时，包子吸收热量，内能增加，温度升高，是通过热传递的方式改变包子的内能，故错误； D、锅盖被“顶起”时，水蒸气对锅盖做功，将内能转化为机械能，故D 正确。故选：D。 6．（2023•二道区校级模拟）小明测试了自己家中分别单独使用不同种类的燃料时的平均月消耗量分别为：木柴 约100kg，烟煤约40kg，液化石油气约15kg，煤气约30kg，这四种燃料中哪种燃料的热值最高（ ） ．木柴 B．烟煤 ．液化石油气 D．煤气 【答】 【解析】 从题可知，四口之家每月需要的能量是相同的，即四种燃料燃烧放出的热量相同， 而m 木柴＝100kg，m 烟煤＝40kg，m 煤气＝30kg，m 液化石油气＝15kg， 由公式q＝ 可知，在放出热量相同，质量越小，热值越大， 所以，液化石油气的热值最高。故选：。 7．（2023•郯城县二模）关于温度、内能、热量、热值和比热容，下列说法正确的是（ ） ．温度高的物体内能大 B．物体吸收热量，温度不一定升高 ．燃料燃烧越充分，放出的热量越多，燃料的热值越大 D．水的比热容较大，相同情况下加热水和沙子，水的温度升高得快 【答】B 【解析】．内能的多少与物体的质量、温度、状态有关，温度高的物体内能不一定大，故错误； B．物体吸收了热量，其温度不一定升高，内能一定增大，例如晶体的熔化，吸收热量、内能增大、温度不变， 故B 正确； ．热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料燃烧的是否充分等因素无关，故错误； D．质量相同的水和沙子，加热相同的时间，即吸收相同的热量，又因为水的比热容大于沙子的比热容，根据 吸收热量的计算公式Q 吸＝mΔt，水升高的温度低，即温度升高的更慢，故D 正确。故选：B。 8．（2023•铁锋区模拟）汽油的热值是46×107/kg，沼气的热值约为2×107/m3，则完全燃烧05kg 的汽油所放出来的 热量如果由沼气来提供，需要沼气的体积是下列选项的哪一个？（ ） ．015m3 B．115m3 ．115m3 D．46m3 【答】B 【解析】汽油完全燃烧放出的热量： Q 放＝q 汽油m＝46×107/kg×05kg＝23×107， 由Q 放＝qV 知，需要沼气的体积： V＝ ＝ ＝115m3。故选：B。 9．（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】 【解析】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：。 10．（2023•内江模拟）甲、乙两台热机，甲的效率比乙的低，其含义是（ ） ．甲比乙做的有用功少 B．甲比乙消耗的燃料多 ．在做相同有用功的条件下，甲损失的能量少 D．在做相同有用功的条件下，甲消耗的燃料多 【答】D 【解析】、若消耗相同的燃料时，甲的效率低，说明甲做的有用功少，由于不知道消耗燃料多少的关系，所以 无法确定甲比乙做的有用功少，故错误； B、甲的效率比乙的低，但由于不知道有用功的大小关系，所以不能确定甲比乙消耗的燃料多，故B 错误； 、做相同的有用功时，甲的效率低，甲消耗的燃料多，则甲损失能量的就多，故错误； D、做相同的有用功时，甲的效率低，说明甲消耗的油多，故D 正确。故选：D。 11．（2023•德惠市校级模拟）为了节约能源，需提高热机的效率，下列措施中不能提高热机效率的是（ ） ．尽量使燃料充分燃烧 B．尽量减少热机部件间的摩擦 ．尽量减少废气带走的热量 D．尽量减少热机工作的时间 【答】D 【解析】热机效率是指热机有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。所以减少热量的损失可以提高热 机的效率。所以使燃料充分燃烧、减少废气带走的热量、减少热机部件间的摩擦都可以减少热量的损失，提高 效率，故B 不符合题意； 减少热机的工作时间，并不能减少热量的损失，所以不能提高热机的效率，故D 符合题意。故选：D。 12．（2023•西山区二模）艾灸是中华医学的瑰宝，利用艾条燃烧产生的热量刺激人体穴位，达到防病治病的目的。 如图所示，艾灸时远远就能闻到艾烟的气味，这是 现象；若一根质量为008kg 的艾条完全燃烧能放出 224×106的热量，则艾条的热值为 /kg。 【答】扩散；28×107。 【解析】（1）艾灸时远远就能闻到艾烟的气味，这是扩散现象，说明分子在不停地做无规则运动； （2）艾条的热值为：q＝ ＝ ＝28×107/kg。 13．（2023•汕头二模）当汽油在发动机内燃烧不充分时会冒“黑烟”，这时发动机的效率会 （选填“升高”、 “降低”或“不变”）。某型号汽车发动机的能量流向图如图所示，该发动机完全燃烧02kg 的汽油能够获得 的能量，这些能量能产生 的有用功。（汽油的热值为46×107/kg） 【答】降低；92×106；276×106。 【解析】（1）汽车发动机工作时将内能转化为机械能，冒“黑烟“说明燃烧不充分，用来做有用功的能量占燃 料完全燃烧放出总能量的比值比较小，所以发动机的效率降低； （2）完全燃烧02kg 的汽油产生的热量Q 放＝mq＝02kg×46×107/kg＝92×106； 由图可知，汽车输出的有用功所占总能量的比例为：100% 33% 30% 7% ﹣ ﹣ ﹣ ＝30%，即汽车的效率为η＝ 30%， 则产生的有用功有用＝ηQ 放＝30%×92×106＝276×106。 1．（2020•甘孜州）下列关于热值和热机效率的说法，正确的是（ ） ．燃料燃烧释放的热量越大，热值越大 B．使燃料燃烧更充分，可以增大热值 ．柴油机的热机效率通常为100% D．使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率 【答】D 【解析】B、热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与放出的热量或燃烧是否充分等因素无关，故、B 错误； 、热机在工作时不可避免的要克服机械部件间的摩擦做额外功，因此机械效率不可能达到100%，故错误； D、使燃料燃烧更充分，可以增大有效利用的能量，因此可以提高热机的效率，故D 正确。故选：D。 2．（2022•宜昌）关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（ ） ．没有燃烧的燃料，热值等于零 B．燃料完全燃烧时，它的热值最大 ．燃料的热值与质量和燃烧状态无关 D．燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多 【答】 【解析】（1）热值是燃料本身的特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量无关，与燃料是否完全燃烧无关， 与产生的热量无关，故B 错误、正确； （2）由Q 放＝mq 可知，燃料燃烧放出的热量，与燃料的质量、热值和是否完全燃烧有关，与燃烧的温度无关， 故D 错误。故选：。 3．（2022•长春）内燃机的能量流向图如图所示。内燃机的效率为（ ） ．7% B．28% ．31% D．34% 【答】D 【解析】由内燃机的能量流向图知，用来做有用功的能量占燃料完全燃烧放出能量的34%，即内燃机的效率为 34%。故选：D。 4．（2021•苏州）如图是“探究不同物质吸热升温的现象”和“比较不同燃料燃烧时放出的热量”的甲、乙两组 实验装置。下列关于该两组实验的说法正确的是（ ） ．每组实验中，燃料的质量均应相等 B．每组实验中，杯中物质的质量均应相等 ．甲组实验中，可以根据温度计示数的变化来比较吸热的多少 D．乙组实验中，可以根据加热时间的长短来比较吸热的多少 【答】B 【解析】B、根据比较不同燃料燃烧放出的热量大小和探究“不同物质吸热升温现象”两实验的要求，容器中 被加热物质的质量都要相同，而探究“不同物质吸热升温现象”实验时，不需要控制燃料的质量相同，故错误， B 正确； 、甲组实验中，可以根据加热时间来比较吸热的多少，故错误； D、乙组实验中，可以根据温度计示数的变化来比较吸热的多少，故D 错误。故选：B。 5．（2020•桂林）酒精的热值为30×107/kg、比热容为24×103/（kg•℃）以下说法中正确的是（ ） ．质量越大，酒精的热值越大 B．质量越大，酒精的比热容越大 ．完全燃烧1kg 酒精可放出30×107的热量 D．1kg 酒精温度升高1℃需要放出24×103的热量 【答】 【解析】B、热值和比热容的大小与燃料