第十四章内能的利用专题训练热学综合计算2021—2022学年人教版九年级物理全一册（有答案）

第十四章 专题训练 热学综合计算
小华家里用的是天然气灶，他尝试估测该灶的效率。小华用容量为5L的水壶装满水，水的初温是20℃，然后将水烧开。烧水前天然气表的示数是2365.02m3，水刚烧开时天然气表的示数变为2365.12m3，天然气的热值为3.2×107J/m3，水的比热容c=4.2×103J/（kg ℃），当地大气压为标准大气压。求：
（1）水吸收的热量Q吸（不计水的热量损失）；
（2）天然气完全燃烧放出的热量Q放；
（3）天然气灶的效率η。
某工厂为了测试新型汽车发动机的性能，让汽车匀速一段时间，平均阻力4600N，用去汽油2L，已知汽油的密度为0.7×103kg/m3，热值为4.6×107J/kg。求：
（1）消耗的汽油的质量；
（2）汽油完全燃烧放出的热量。
（3）若该发动机的效率可达50%，则这些能量最多让汽车行驶多远？
最新一款无人驾驶汽车，自动驾驶时使用雷达传感器和激光测距仪来了解周围的交通状况。这款车以72km/h的速度在一段平直的公路上匀速行驶了8km，消耗汽油1.5L。假设汽油完全燃烧，汽油机的效率为30%，已知：汽油的密度为0.8×103kg/m3，汽油的热值为4.5×107J/kg。在这段运动过程中，求：
（1）所消耗汽油的质量
（2）汽油燃烧所放出的热量
（3）汽车发动机的牵引力
（4）汽车发动机的功率
某家庭需要将50 kg、20℃的水加热到60℃作为生活用热水，他们利用煤气灶烧水，需燃烧0.8 kg的煤气。已知c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，q煤气＝4.2×107 J/kg。求：
（1）水吸收的热量Q吸。
（2）完全燃烧0.8 kg煤气放出的热量Q放。
（3）煤气灶烧水的效率η。
冬天即将来临，学校积极创造条件为学生供应开水。在这个过程中，若用锅炉将300kg的水从20℃加热到100℃，燃烧了11.2kg的煤[c水＝4.2×103J/（kg ℃），煤的热值为3×107J/kg]，则：
（1）锅炉内300kg的水吸收的热量是多少？
（2）此锅炉的效率是多少？
（3）某同学从开水房打了3kg的100℃的开水，为了便于使用，他将这100℃的开水和质量为5kg的20℃的冷水混合，若不计混合过程的热损失，则混合后温水的温度为多少？
用酒精灯给烧杯里的水加热，把0.2kg的水从50℃加热到90℃，燃烧消耗了7g的酒精。已知酒精的热值为3×107J/kg，水的比热容为4.2×103J/（kg ℃）。试求：
（1）此过程中水吸收的热量是多少？
（2）完全燃烧7g酒精释放的热量是多少？
（3）酒精灯加热这些水的效率是多少？
可燃冰是一种新型能源，它是水和天然气在高压低温情况下形成的类冰状结晶物质，主要成分是甲烷，其开采是世界难题。据中央电视台2017 年5 月18 日报道，我国可燃冰已试采成功，技术处于世界领先。用燃气锅炉烧水时，把质量为500 kg，初温为20 ℃的水加热到100 ℃，共燃烧了12 m3 天然气。已知水的比热容c水=4.2 ×103 J/(kg·℃)，天然气热值 q=4.2×107 J/m3，可燃冰的热值为同体积天然气的160 倍。求：
(1)水吸收的热量。
(2)燃气锅炉烧水时的效率(保留小数点后2 位）。
(3)若换用可燃冰，应使用多少 m3可燃冰。
某汽车发动机的功率为92kW，该汽车以10m/s的速度行驶了10km，消耗汽油10kg。汽油的热值为q=4.6×107J/kg，求：
（1）10kg汽油完全燃烧放出的热量；
（2）发动机做的有用功；
（3）发动机的效率。
某物理兴趣小组的同学，用煤炉给10kg的水加热，同时他们绘制了如图所示的加热过程中水温随时间变化的图线。若在6min内完全燃烧了0.2kg的煤，水的比热容为4.2×103J/（kg ℃），煤的热值约为3×107J/kg。求：
（1）这些煤完全燃烧产生的热量；
（2）经过6min时间加热，水所吸收的热量；
（3）煤炉烧水时的热效率。
中国首次火星探索任务“天问一号”探测器的成功发射，是我国综合国力和创新能力提升的重要标志。如图所示是某火箭发射时的场景，目前运载火箭一般使用液态氢作为燃料、液态氧作为助燃剂。火箭燃料的发展如表1所示，表2是一些燃料的热值。
表1
第1代 第2代 第3代 第4代
燃料 氧气和汽油混合 偏二甲肼 煤油 液态氢
氧化剂 四氧化二氮 液态氧 液态氧
表2
燃料 热值 燃料 热值
汽油 4.6×107J/kg 煤油 4.6×107J/kg
柴油 4.3×107J/kg 氢 1.4×108J/kg
（1）写出使用氢作为燃料的两个主要优点；
（2）某火箭发射时携带了3×104kg液态氢燃料，若这些燃料完全燃烧时发出的热量全部能被水吸收，求可将初温为20℃的水加热至沸腾的水的质量[c水＝4.2×103J/（kg ℃），当地大气压为1标准大气压]；
（3）氢能源车的发动机工作时将液态氢转化为氢气在气缸中燃烧。某次测试中，一辆氢能源车以70kW的功率匀速行驶0.5h，消耗了2kg燃料，该发动机的效率。
参考答案
1.解：（1）水的体积V水=5L=5dm3=0.005m3，
由ρ=可得，水的质量：m=ρ水V水=1.0×103kg/m3×0.005m3=5kg，
5L水烧开，吸收的热量：Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg ℃）×5kg×（100℃-20℃）=1.68×106J；
（2）共燃烧天然气的体积：
V=2365.12m3-2365.02m3=0.1m3；
天然气完全燃烧放出的热量：
Q放=qV=3.2×107J/m3×0.1m3=3.2×106J；
（3）天然气灶的效率：η=×100%=×100%=52.5%。
答：（1）水吸收的热量为1.68×106J；
（2）天然气完全燃烧放出的热量为3.2×106J；
（3）天然气灶的效率为52.5%。
2.解：
（1）汽油的体积V=2L=2×10-3m3，由ρ=可得，汽油的质量：
m=ρV=0.7×103kg/m3×2×10-3m3=1.4kg；
（2）汽油完全燃烧放出的热量：
Q放=mq=1.4kg×4.6×107J/kg=6.44×107J；
（3）根据η=可得：机械功W=Q放η=6.44×107J×50%=3.22×107J，
根据W=fS得，汽车行驶的路程为：
s===7×103m。
答：（1）消耗的汽油的质量为1.4kg；
（2）汽油完全燃烧放出的热量为6.44×107J。
（3）若该发动机的效率可达50%，则这些能量最多让汽车行驶7×103m。
3.解：（1）消耗汽油的体积为：V=1.5L=1.5×10-3m3，
由ρ=得，消耗汽油的质量为：
m=ρV=0.8×103kg/m3×1.5×10-3m3=1.2kg；
（2）汽油完全燃烧放出的热量为：
Q放=mq=1.2kg×4.5×107J/kg=5.4×107J；
（3）由η=×100%可得，牵引力做的有用功为：
W=ηQ放=30%×5.4×107J=1.62×107J；
由W=Fs得，汽车发动机的牵引力为：
F===2025N；
（4）汽车行驶8km所用的时间为：
t===h=400s，
汽车发动机的功率为：
P===4.05×104W。
答：（1）所消耗汽油的质量为1.2kg；
（2）汽油燃烧所放出的热量为5.4×107J；
（3）汽车发动机的牵引力为2025N；
（4）汽车发动机的功率为4.05×104W。
4.（1）8.4×106 J ；（2）3.36×107 J；（3）25%
5.解：（1）锅炉内200kg的水吸收的热量：Q吸=cm（t-t0）=4.2×103J/（kg ℃）×300kg×（100℃-20℃）=1.008×108J；
（2）煤完全燃烧放出的热量：Q放=qm煤=3×107J/kg×11.2kg=3.36×108J；
此锅炉的效率：η=×100%=×100%=30%。
（3）不计热损失，Q吸=Q放，
即：cm1（t-t01）=cm2（t02-t），
即：4.2×103J/（kg ℃）×5kg×（t-20℃）=4.2×103J/（kg ℃）×3kg×（100℃-t）
解得：t=50℃。
答：（1）锅炉内200kg的水吸收的热量是1.008×108J；
（2）此锅炉的效率是30%；
（3）混合后温水的温度为50℃。
6.解：（1）此过程中水吸收的热量：
Q吸=cm水△t=4.2×103J/（kg ℃）×0.2kg×（90℃-50℃）=3.36×104J；
（2）7g酒精完全燃烧放出的热量：
Q放=m酒精q=0.007kg×3×107J/kg=2.1×105J；
（3）酒精灯烧水时的热效率：
η=×100%=×100%=16%。
答：（1）此过程中水吸收的热量为3.36×104J；
（2）7g酒精完全燃烧放出的热量为2.1×105J；
（3）酒精灯烧水时的热效率为16%。
7.解：（1）水吸收的热量：
Q吸=c水m△t=4.2×103J/（kg ℃）×500kg×（100℃-20℃）=1.68×108J；
（2）天然气完全燃烧放出的热量：
Q放=Vq天然气=12m3×4.2×107J/m3=5.04×108J；
燃气锅炉烧水时的效率：
η=×100%=×100%≈33.33%；
（3）可燃冰的热值为同体积天然气的160倍，
则可燃冰的热值：q可燃冰=160q天然气=160×4.2×107J/m3=6.72×109J/m3，
若换用可燃冰燃烧放出相同的热量，应使用可燃冰的体积：
V可燃冰===0.075m3。
答：（1）水吸收的热量为1.68×108J。
（2）燃气锅炉烧水时的效率为33.3%。
（3）若换用可燃冰，应使用0.075m3可燃冰。
8.解：（1）汽油完全燃烧放出的热量：
Q=mq=10kg×4.6×107J/kg=4.6×108J；
（2）由v=可得，行驶10km需要的时间：
t====1000s，
由P=可得发动机做的有用功：
W=Pt=92kW×1000s=92000W×1000s=9.2×107J；
（3）汽车发动机的效率：
η==×100%=20%。
答：（1）10kg汽油完全燃烧放出的热量是4.6×108J；
（2）发动机做的有用功是9.2×107J；
（3）汽车发动机的效率是20%。
9.解：
（1）煤完全燃烧产生的热量：
Q放=mq=0.2kg×3×107J/kg=6×106J；
（2）由图可知，经过6min时间加热后水温由20℃达到80℃，则水吸收的热量：
Q吸=cm （t-t0）=4.2×103J/（kg ℃）×10kg×（80℃-20℃）=2.52×106J；
（3）媒炉烧水时的热效率：
η=×100%=×100%=42%。
答：（1）这些煤完全燃烧产生的热量为6×106J；
（2）经过6min时间加热，水所吸收的热量为2.52×106J；
（3）煤炉烧水时的热效率为42%。
10.解：（1） 氢的热值大，燃料质量相同时，氢放出的热量更多；氢燃烧的产物清洁无污染；
（2）3×104kg液态氢完全燃烧释放的热量：
Q放=m氢q氢=3×104kg×1.4×108J/kg=4.2×1012J，
水吸收的热量Q吸=Q放=4.2×1012J
一标准大气压下水的沸点为100℃，
水的质量为：m′===1.25×107kg；
（3）氢能源车所做的功为：W=Pt=70000W×0.5×3600s=1.26×108J，
2kg燃料完全燃烧释放的热量：Q′=m″q=2kg×1.4×108J/kg=2.8×108J，
该发动机的效率为：η=100%=100%=45%。
答：（1）氢的热值大，燃料质量相同时，氢放出的热量更多；氢燃烧的产物清洁无污染；
（2）这些燃料完全燃烧最多能将1.25×107kg初温为20℃的水加热至沸腾；
（3）该发动机的效率为45%。