第十四章 第2节 热机的效率-【教材解读】2022-2023学年人教版物理九年级全册（有详解）

第2节热机的效率
基础知识·细解读
知识点一 燃料的热值 【重点+难点】
1.燃料燃烧时的能量转化
燃料的燃烧是一种化学反应，燃烧过程中，储存在燃料中的化学能被释放出来，加热物体，转变成物体的内能，即化学能转化为内能。
2.燃料的热值
(1)定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫作这种燃料的热值，热值用字母q表示。
(2)单位：焦每千克，符号是J／kg。
(3)物理意义
表示燃料燃烧时放热的本领。
(4)理解热值的定义时注意三个关键词
①某种燃料
②完全燃烧
③与其质量之比
热值是个比值，它与释放的热量和质量无关，仅与燃料的种类有关。
生活物理
不同燃料燃烧的效果
图为一个家庭若只用某种燃料做饭时，该燃料一个月的用量，由图可知获得相同热量，需要的各种燃料的质量不同。
燃料的热值只与燃料的种类有关。
物理脱口秀
热值
燃料特性日热值，
物理意义要理清。
质量体积不管用，
大小只由种类定。
3. 燃料燃烧的简单计算
根据热值的定义我们可以推导出质量为(或体积为V)的某种燃料完全燃烧时放出的热量的计算公式。
(1)固体和液体
(2)气体
【注意】
(1)运算时单位一定要统一!
(2)只有燃料完全燃烧时，才能用或进行计算。
【例1】 (山东日照中考)1 kg铀全部裂变，释放的能量不低于2 000 t煤完全燃烧时释放的能量。已知煤的热值为3.0×107J／kg，那么1.2 k铀全部裂变，释放的能量至少为 J。
解析：1.2 kg铀对应的煤的质量为m=1.2×2000 t=2400t一2.4×106。2.4×106kg煤完全燃烧释放的能量为。
答案：7.2×1013
提醒
的含义
由热值的定义得到。注意公式中每个物理量都有其特殊的物理意义，不能错误地认为q与Q成正比，与m成反比。
知识点二 热机的效率 【重点】
1.燃料的燃烧
(1)燃料不完全燃烧时能量的流向
燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要小，而且有效利用的热量又比放出的热量要小，例如用煤烧水时煤的利用率如图所示。
(2)内燃机燃料燃烧释放的能量的流向
(3)燃料燃烧的热效率
①定义：有效利用的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比叫作热效率。
三类热机的效率
②表达式
生活物理
三类热机的效率
蒸汽机的效率只有6％~15％
汽油机的效率为20％~30％
柴油机的效率为30％~45％
2.热机的效率
(1)定义：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，叫作热机的效率。
(2)公式：，其中有表示用来做有用功的能量，总表示燃料完全燃烧放出的能量。
(3)物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是描述热机性能的一个重要指标。
3.提高热机效率的方法
【例2】下图是某内燃机能量流向图，该内燃机的效率是 ( )
A.25％ B．40％ C．75％ D．35％
解析：热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，即做有用功的能量在燃料完全燃烧放出的能量中所占的百分比，所以该内燃机的效率100％一25％一40％一35％。
答案：D
常考题型·巧突破
题型一 燃料燃烧及其相关计算
角度1对热值的理解
【例1】(多选)下列关于热值的说法正确的是 ( )
A．燃料燃烧时，用的燃料越多，获得的热值越大
B．燃料燃烧时，放出的热量越多，这种燃料的热值越大
c．相同质量的不同燃料完全燃烧时，放出热量较多的燃料，热值较大
D．不同的燃料完全燃烧，放出相同热量时，所用质量较少的燃料，热值较大
解析：燃料的热值只与燃料的种类有关，与燃料燃烧时放出热量的多少、燃料的质量和燃料的燃烧程度无关，故A、B错误；相同质量的不同燃料完全燃烧时，放出热量较多的燃料，热值较大，故C正确；不同的燃料完全燃烧，放出相同热量时，所用燃料的质量少的，热值大，故D正确。
答案：CD
针对训练
1．向酒精灯内添加适量酒精后，燃料的热值与灯内原来的部分相比较 ( )
A．变大 B.不变
C．变小 D．无法确定
2．(江苏连云港中考)将一瓶酒精用去三分之一，则剩余酒精的密度、比热容和热值 ( )
A．都不变
B．都变为原来的三分之二
C．热值不变，密度、比热容变为原来的三分之二
D．热值变为原来的三分之二，密度、比热容不变
3．(江苏苏州中考)电火花发生器点燃塑料盒内的酒精气体能将盒盖喷出很远(如图所示)。此过程中能量转化方式与汽油机的 冲程相类似。实验时在盒内滴入2×10-4kg酒精，若这些酒精完全燃烧，则放出的热量是 J。()
规律总结
明确热值的两个关键点
角度2 燃料燃烧的相关计算
【例2】(广西钦州中考)天然气具有热值高、投资成本低、价格实惠、污染少、安全等优点。我市今年天然气用户预计达到6万户，年用气量将达到1 350万m3以上。小李家5月份使用天然气10 m3，已知天然气价格为3.27元／m3，热值为8．4×107J／m3。求：
(1)完全燃烧10 m3天然气放出的热量；
(2)小李家5月份天然气的费用。
解析：(1)完全燃烧10 m。天然气放出的热量
；
(2)小李家5月份天然气的费用
10 m3×3.27元／m3=32.7元。
答案：(1)8.4×108J (2)32.7元
规律总结
三步快解燃料燃烧的相关计算问题
题型二 对热机效率的理解及计算
角度1 对热机效率的理解
【例3】(湖北宜昌中考)为节约能源，需提高热机的效率，下列措施不能提高效率的是 ( )
A．尽量使燃料充分燃烧
B. 尽量减少热机部件间的摩擦
C．尽量减少废气带走的热量
D．尽量增加热机的工作时间
解析：热机效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。使燃料充分燃烧、减少热机部件间的摩擦、减少废气带走的热量都可以减少热量的损失，提高效率；增加热机的工作时间，并不能减少热量的损失，所以不能提高热机的效率。
答案：D
针对训练
4．有经验的柴油机维修师，不用任何仪器，只是靠近柴油机排气管口观察和闻一下，并将手伸到排气管口附近感觉一下尾气的温度，就能初步判断这台柴油机的节能效果。在同样负荷的情况下，关于柴油机的节能效果，下列判断正确的是 ( )
A．尾气的温度越高，柴油机越节能
B．尾气的温度越低，柴油机越节能
c．尾气的柴油味越浓，柴油机越节能
D．尾气的颜色越黑，柴油机越节能
角度2 热机效率问题的相关计算
【例4】下表是某品牌小轿车的一些技术参数。其中排气量是指发动机汽缸的工作容积，一般情况下，发动机的排气量越大，功率越大；空燃比是指汽缸内空气和燃油的质量比；汽油的热值表示每千克汽油完全燃烧放出的热量为4.6×107J。当该发动机以最大功率工作时，充入汽缸内的汽油和空气的混合密度为1．35 kg／m3，1 min内高温高压的燃气推动活塞做功2 600次。
某品牌轿车技术参数
排气量 1.8L
最大功率 75kW
空燃比 14∶1
汽油的热值 4.6×107J/kg
请你计算发动机在最大功率工作时：
(1)1 min内做的有用功；
(2)做功一次消耗汽油的质量；
(3)发动机的效率。
解析：(1)1 min内发动机做的有用功
。
(2)因为，所以发动机做功一次消耗汽油的质量。
(3)1 min内汽油完全燃烧释放的热量
，
发动机的效率。
答案：(1)4.5×106J (2)1.62×10-4kg (3)23．2％
针对训练
5．(山东济宁中考)完全燃烧100 g酒精所放出的热量为 J，若其放出的热量有70％被水吸收，能使10kg的水从20℃升高到 ℃。（kg·℃）]
6．发动机的效率是汽车的经济性能指标之一。如下为某厂家提供的一汽车出厂的部分参数。
①测试数据：汽车在平直公路上以90 km／h的速度匀速行驶时，百公里耗油量为，发动机输出功率为P0(kW)；
②使用燃料：92号汽油[热值为(J／kg)、密度为．(kg／m3)]。请用以上参数推算出在测试条件下，该汽车发动机的效率。
易误易混·精辨析
易错点：不能正确理解燃料的热值
【例题】有关热值的理解，下列说法正确的是( )
A．燃料燃烧时，随着不断放热，它的热值越来越小
B.采取措施使燃料燃烧得更充分，就可以提高燃料的热值
C．相同质量的不同种燃料完全燃烧时，放出热量较少的燃料，热值较小
D．煤油的热值比酒精的大，就是说煤油完全燃烧时放出的热量比酒精的多
正解热值是燃料本身的一种特性，不同燃料的热值一般不同。对于同一种燃料，它的热值是一定的，不随燃料的质量大小、是否完全燃烧等外界因素而改变，故A、B错误；由知，完全燃烧相同质量的不同种燃料时，放出热量少的热值小，故C正确；燃料完全燃烧放出的热量多少不仅跟热值有关，还与燃料的质量有关，煤油和酒精的质量不确定，无法比较放出热量的多少，故D错误。
答案C
【防错妙招】热值反映了燃料的一种性质，反映了不同燃料在燃烧过程中，化学能转化为内能的本领大小，也就是说，它是燃料本身的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积及是否完全燃烧均没有关系，不要受实际生活中燃料燃烧不充分等问题的影响。
高效训练·速提能
【基础必做】
1．甲、乙两台热机，甲的效率比乙的低，其含义是 ( )
A．甲热机消耗的燃料多
B．甲热机比乙热机做功少
C．甲热机的功率比乙热机的小
D．做相同的有用功，甲损失的能量比乙损失的多
2．下列关于热值和热机效率的描述，正确的是( )
A．使燃料燃烧更充分，可以增大热值
B．使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率
C．燃料燃烧释放的热量越多，热值越大
D．热值和热机效率都是定值，与外界条件无关
3．下表列出了几种燃料的热值，单位是J／kg。
干木柴 无烟煤 酒精 煤油 氢
1.2×107 3.4×107 3.0X107 4.6×107 1.4×108
从表中可以看出酒精的热值是3.0×107J／kg，表示的物理意义是 。
那么完全燃烧1 g的酒精可放出热量 J。放出相同的热量，完全燃烧干木柴与氢的质量之比是 。
【能力锤炼】
4．(江苏扬州中考)如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同，燃料的质量相同，烧杯内的液体质量也相同。下列说法正确的是 ( )
A．比较不同液体的比热容，可以选择甲、丙两图
B．比较不同液体的比热容，可以选择乙、丙两图
C．比较不同燃料的热值，可以选择乙、丙两图
D．比较不同燃料的热值，不可以选择甲、乙两图
5.(四川巴中中考)把l kg初温为35℃的水加热到85℃，消耗了10 g的煤气，此过程水吸收的热量为 J，加热装置的效率为 。[= 4.2x103J／(kg·℃)，煤气的热值=4.2×107J／kg]
6.某中学为学生供应开水，用焦炭作为燃料，已知焦炭的热值是3.0×107J／kg，现完全燃烧了4．2 kg的焦炭，放出的热量为 J，设该热量有25％被水吸收，能将 kg的水从25℃加热到100℃。[已知一4.2x103J／(kg·℃)]
7. (辽宁沈阳中考)出于对安全和环保的考虑，沈阳市政府为喜爱户外烧烤的市民提供了专门的场所。烧烤的主要燃料是木炭，已知它的热值是3.4×107J／k，那么84 g的木炭完全燃烧放出 J热量，如果这些热量全部被水吸收，则能使初温为20℃、质量为17 kg的水温度升高到 ℃。[水的比热容为4.2×103J／(kg·℃)]
8.(安徽中考)某同学家使用燃气热水器，平均每天需将100 kg的水从18℃加热到58℃。若天然气完全燃烧放出热量的70％被水吸收，则热水器平均每天消耗天然气 m3。[=4.2×103J／(kg·℃)，=4.0×107J／m3]
9.某学习小组的同学想研究酒精灯烧水时的热效率，他们用酒精灯给100 g的水加热，经过一段时间测得水温升高了60℃，消耗了4.2g酒精。已知水的比热容为4.2×103J／(kg·℃)，酒精的热值为3.0×107J／kg。求：
(1)此过程中水吸收的热量；
(2)4．2 g酒精完全燃烧放出的热量；
(3)酒精灯烧水时的热效率。
【素养提升】
10．如图所示，某四冲程汽油机活塞面积为5×10-3m2，汽油燃烧产生的高温高压气体对活塞的压强为8×105Pa，该汽油机正常工作10 min消耗160 g汽油，所做的功为1.8×106J。(=4.6×107J／kg)求：
(1)高温高压气体对活塞产生的压力
(2)该汽油机的功率；
(3)该汽油机的效率。
本书参考答案
第2节热机的效率
常考题型·巧突破
1．B解析：向酒精灯内添加适量酒精后，酒精的质量增加，燃料的种类不变，热值不变。
2.A解析：密度、比热容和热值都属于物质的特性，它们的大小与物体的质量和体积均无关，A正确， B、C、D错误。
3．做功 6×103
解析：电火花发生器点燃塑料盒内的酒精气体能将盒盖喷出很远，是内能转化为机械能的过程，此过程中能量转化方式与汽油机的做功冲程相类似。2×10-4kg酒精完全燃烧放出的热量。
4．B解析：尾气的温度越低，说明尾气带走的能量越少，热机的效率越高，就越节能。尾气的柴油味越浓、颜色越黑，则说明柴油燃烧越不充分，越不节能。
5．3×106 70解析：100 g酒精完全燃烧放出的热量Q放=，nq酒精：O．1 kg×3．O×107 J／kg一3×106 J。由得水吸收的热量，由可知，水升高到的温度。
6． 解析：汽车以90 km／h的速度匀速行驶时，百公里消耗的时间，则发动机做的有用功为，汽车百公里消耗汽油的质量。(kg)，则这些汽油完全燃烧放出的热量，则汽车发动机的效率。
高效训练·速提能
1．D解析：效率和功率是不同的两个概念。热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率高，在做功同样多的情况下，消耗更少的燃料。甲的效率低，说明做相同的有用功，甲损失的能量多，D正确。
2．B解析：热值是燃料本身的一种特性，与燃烧情况无关，与放出热量的多少无关，A、C错误；燃料燃烧更充分，可以使有效利用的能量增多，提高热机的效率，B正确；热值取决于燃料的种类，与外界条件无关，而燃料的燃烧情况、能量损失的多少都会影响热机效率，D错误。
3．1 k酒精完全燃烧放出的热量是3.0×107J 3×104 35：3
解析：由热值的概念可知，酒精的热值是3.0× 107J／kg，表示的物理意义是：1kg酒精完全燃烧放出的热量是3.0×107J；；已知放出相同的热量，由得，，即1.2×107J／kg×m木=1.4×108 J／kg×m氢，m木：m氢=35：3。
4．A解析：为了比较不同液体的比热容，需要用同种燃料加热相同质量的不同液体，让液体温度的变化相同，通过比较加热时间，进而判断两种液体比热容的大小关系，应选择甲和丙两图进行实验，故A正确，B错误；比较不同燃料的热值要用相同质量的不同燃料加热质量相同的同一种液体，待燃料燃尽后，通过温度计的示数变化的大小比较液体吸热多少，进而判断热值大小，应选择甲和乙两图进行实验，故C、D错误。
5．2.1×105 50％ 解析：水吸收的热量为，煤气完全燃烧放出的热量为，加热装置的效率为.
6．1.26×108 100解析：焦炭完全燃烧放出的热量；水吸收的热量；由得，水的质量。
7．2.856×106 60解析：木炭完全燃烧放出的热量；由题知，J，由可得，因此水的末温为20℃+40℃=60℃。
8．0.6 解析：用燃气热水器给水加热，水吸收的热量，燃烧天然气放出的热量每天消耗的天然气。
9．(1)2.52×104J (2)1.26×105J (3)20％
解析：(1)100 g=0.1 k，水吸收的热量；(2)酒精完全燃烧放出的热量；(3)酒精灯烧水时的热效率叩。
10．(1)4×103 N(2)3×103 W(3)24．5％
解析：(1)由压强公式的变形式得压力：
(2)由功率公式得；
(3)160 g汽油完全燃烧放出的热量。则
教材参考答案
第2节热机的效率
教材第22页【想想议议】
相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量不相同。例如，要烧开同样一壶水，分别用木柴、煤、天然气三种燃料，需要的质量不一样。
教材第24页【想想议议】
在内燃机中燃料不能完全燃烧。燃料燃烧放出的热量一部分被废气带走了，一部分克服机器内部摩擦消耗了，只有较少的一部分转化成有用的机械能。
教材第26页【动手动脑学物理】
1．解：令g取10 N／kg，则人克服重力做的功 需要汽油的质量，这相当于一粒黄豆的质量。
2．解：根据题意得，所以干木柴的质量应该等于煤油质量的3．83倍。
3．解：内燃机效率提高前，需要燃油的质量 效率提高后，需要燃油的质量全球每年节约燃油
4．提高热机的效率的意义：(1)节约能源，缓解能源压力；(2)减少碳的排放，减少大气污染。