第十四章 内能的利用
一、单选题
1.图是热机工作时的四个冲程,其中属于内能转化为机械能的冲程是( )
A. B. C. D.
2.汽车作为我们生活中不可缺少的交通工具,它的动力机械就是内燃机,下列有关内燃机的说法正确的是( )
A.柴油机的吸气冲程吸入的只有空气
B.汽油机的效率一般比柴油机的效率高
C.汽油机的点火方式是压燃式
D.柴油机的做功冲程是把机械能转化为内能
3.如图所示,用热水壶烧水至沸腾时,水蒸气会顶开壶盖。热机工作中,与此能量转化相同的冲程是( )
A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程
4.下列关于热机的说法中,错误的是( )
A.热机是把内能转化为机械能的装置
B.热机是把机械能转化为内能的装置
C.对内燃机不断革新,也不能把气体的内能全部转化为机械能
D.即使没有漏气、也没有摩擦等能量损失,内燃机也不能把内能全部转化为机械能
5.下列有关热机效率、燃料热值、物体内能的说法中,正确的是( )
A.热机所用燃料的热值越大,效率越高
B.摩擦生热是利用做功的方式来增加物体的内能
C.物体的内能越大,温度越高
D.热机所用燃料的化学能转化成内能越多,效率越高
6.长征五号火箭发动机采用氢氧发动机,用氢气做燃料获得动力,是由于氢气的( )
A.比热容的较大 B.热值高
C.密度大 D.导热性好
7.2020年11月24日凌晨4时30分、我国在文昌发射中心用长征五号运载火箭将嫦娥五号发射升空。下列说法正确的是( )
A.用液态氢作燃料是因为氢的热值大
B.火箭离开大气层后,外壳的内能增大
C.火箭发射时将机械能转化为内能
D.火箭加速升空,机械能守恒
8.下列对能量转化的描述不正确的是( )
A.蓄电池充电:电能→化学能
B.发电机发电:电能→机械能
C.人骑自行车:化学能→机械能
D.内燃机工作:化学能→内能→机械能
二、多选题
9.关于汽油机,下列说法中正确的是( )
A.顶部有火花塞
B.吸气冲程将空气吸入汽缸
C.压缩冲程汽缸内气体的内能增加
D.做功冲程内能转化为机械能
10.关于热机,下列说法中正确的是( )
A.汽车的发动机就是一种热机
B.通过改进技术,可以使热机的效率达到100%
C.冬夜,把冷却热机的水箱中的水放出,是防止气温降低时水凝固而胀坏水箱
D.用水而不用其他循环物质降低热机的温度,主要是利用水的比热容大的特性
11.如图为液化石油气压缩机,通过电动机带动活塞压缩石油气,使石油气液化。关于此机器说法正确的是( )
A.活塞压缩石油气的过程,主要是能量转移的过程
B.工作中的电动机温度会升高,这一过程中它的内能不变
C.压缩机工作过程中,虽然能量存在损耗,但能量总量守恒
D.液化石油气灌存储时,一旦周围发生火灾要向罐体喷水冷却,防止罐体温度过高爆炸,原因之一是因为水具有较大的比热容
三、填空题
12.一台单缸四冲程汽油机飞轮的转速是2400r/min,则该汽油机每秒钟完成______ 个冲程,对外做功______次。
13.如图,是汽油机模型,正在进行的是___冲程,该冲程将___能转化为___能.
14.某四冲程内燃机的转速是3000r/min,它1s内完成___________个冲程。某型号汽车发动机效率为30%,行驶20min消耗4L汽油,已知汽油热值q=4.0×107J/m3,这一过程该发动机输出机械功是________J。
15.有50kg液化气,液化气的热值取4.2×107J/kg,则液化气全部完全燃烧放出的热量是_______J,若放出的热量有80%被利用,在标准大气压下可把_________kg的水从20℃加热至沸腾[c水=4.2×103J/(kg ℃)]。
16.小美的奶奶在冬天遇寒会肩痛,于是她就购买如图所示的暖宝宝,让奶奶贴用,暖宝宝主要是由铁粉、活性炭、蛭石、无机盐和水等合成的聚合物,撕开明胶层,可立即与空气中的氧气作用从而放出热量。所以,它的工作原理是将化学能转化成 ___________能,再通过 ___________的方式让肩膀升温。
17.可燃冰是一种固态晶体,在常温常压下会迅速升华为气态,写出可燃冰燃烧时的能量转化情况_______?如果让可燃冰在富含氧的环境中燃烧,其热值 ___________(“增大”还是“不变”)。
四、实验题
18.如图,甲、乙、丙三图装置完全相同,燃料的质量、烧杯中液体的质量和初温都相同。
(1)为了得到质量相同的水和煤油,需要的测量工具是______;
(2)根据实验数据,小虎作出了水和煤油的温度随加热时间变化的图象,如图丁。观察图丁,写出一种比较比热容大小的方法:______;煤油和水的比热容之比是______;
(3)接下来比较酒精和煤油热值,小虎通过质量相同的燃料完全烧尽后水升高的温度来比较热值大小,烧杯中水的质量应该______(选填“大”或“小”)一些,原因是______;
(4)小龙同学选择用两种燃料将甲、乙两个装置中的水均加热至相同温度,她试图通过测量______来反映这两种燃料热值的大小关系;
(5)实验室备有酒精温度计、煤油温度计和水银温度计(玻璃泡中液体质量相等),几种测温物质的相关数据如下表所示,为了减小热损失对实验的影响,应该选择______温度计。
测温物质 酒精 煤油 水银
比热容[] 2×103 2.1×103 0.14×103
标准气压下沸点(℃) 78 180~310 356.7
五、计算题
19.2022年北京冬奥会举行期间,将有600辆左右氢燃料新能源公交车投放使用。氢燃料是具有清洁无污染、效率高等优点的理想能源。[ ; ]求:
(1)质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量;
(2)若这些热量全部被质量为400kg、温度为20℃的水吸收,求水升高的温度;
(3)如果氢燃料公交车以150kW恒定功率匀速直线行驶,其效率为50%,则燃烧0.3kg的氢燃料可使公交车行驶多少时间?
20.天然气是兴城市民常用的一种能源。某用户用燃气热水器将20L的水从20℃加热到70℃时消耗的燃气为0.25m3。已知水的比热容c水=4.2×103J/(kg ℃),天然气的热值q=4.0×107J/m3。求:
(1)这些水吸收的热量是多少?
(2)加热这些水所需要的天然气完全燃烧放出的热量是多少?
(3)该燃气热水器的效率为多少?
21.如图这是世界上第一款能容纳两名飞行员的隐形战斗机歼-20的双座版。若歼-20在高空中飞行时在恒定的水平推力F作用下,以720km/h的速度沿水平方向匀速航行30min,需要燃烧航空煤油3t。已知飞机发动机提供的机械功率是3.2×107W,(q油=4×107J/kg、g=10N/kg)试求:
(1)如果歼-20质量为25t,静止在水平地面上时与地面的接触面积为1m2,对水平地面的压强p;
(2)歼-20在上述航行30min的过程中获得的水平推力F;
(3)歼-20发动机的热机效率η。
22.用煤气灶烧水时,把2kg的水从25℃加热到75℃,燃烧了0.03m3的煤气.设煤气完全燃烧.水的比热容为4.2×103J/(kg ℃),煤气的热值约为4.0×107J/m3.试求:
(1)水吸收的热量是多少?
(2)煤气燃烧放出的热量是多少?
(3)煤气灶烧水时的效率是多少?
六、综合题
23.近几年来,我国大力推广新能源汽车,如图是某款电动汽车,以60km/h的速度匀速行驶了80km,所受的牵引力为720N,耗电,请解答下列问题:
(1)我国大力推行电动汽车,主要是为了减少__;
(2)牵引力所做的功是多少______?
(3)上述行驶过程中,电动车的效率是多少______?
(4)有一款与它外形,质量均相同的汽油车,在相同路面上以60km/h的速度匀速行驶80km,若该汽车的效率为25%,需要消耗多少汽油______?(汽油的热值取4.5×107J/kg)
参考答案:
1.C
【解析】热机工作时,内能转化为机械能的是做功冲程。
A.图中进气门打开,活塞向下运行,气缸容积增大,是吸气冲程,故A不符合题意。
B.图中气门都关闭,活塞向上运行,气缸容积减小,是压缩冲程,故B不符合题意;
C.图中气门都关闭,活塞向下运行,气缸容积增大,是做功冲程,故C符合题意;
D.图中排气门打开,活塞向上运动,气缸容积减小,是排气冲程,故D不符合题意。
故选C。
2.A
【解析】A.汽油机在吸气冲程吸入的是汽油和空气的混合物,而柴油机在吸气冲程吸入的只有空气,故A正确;
B.在压缩冲程中,柴油机压缩程度更大,压缩冲程末温度更高,它的效率更高,故B错误;
C.在做功冲程中,汽油机的点火方式叫点燃式,柴油机的点火方式叫压燃式,故C错误;
D.柴油机在做功冲程是把内能转化为机械能,故D错误。
故选A。
3.C
【解析】烧开水时,壶盖被水蒸气顶起,是水蒸气对壶盖做功的结果,该过程中水蒸气的内能转化为壶盖的机械能;热机在做功冲程中高温高压的燃气对活塞做功,将内能转化为机械能,所以二者的能量转化情况相同。
故选C。
4.B
【解析】AB.热机通过消耗燃料对外做功,把内能转化为机械能的装置,故A正确,不符合题意,B错误,符合题意;
CD.机械工作时不可避免地要产生摩擦,所以能量在转化的过程中肯定有散失,即使机器不断革新,没有漏气、也没有摩擦等能量损失,工作时气缸也会发生热传递、废弃还要带走部分热量,因此内燃机不能把内能全部转化为机械能,故CD正确,不符合题意。
故选B。
5.B
【解析】A.用热值大的燃料,燃烧相同燃料可以放出更多的热量,但用来做有用功的能量不一定多,用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量的比值不一定大,热机效率不一定得到提高,故A错误;
B.摩擦生热,该过程中消耗机械能,产生内能,故属于能量的转化,故是做功改变物体内能,故B正确;
C.物体的内能与物体的质量和温度都有关系,物体的质量越大,温度越高,内能越大,故C错误;
D.热机效率是指热机用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出能量的比值,所用燃料的化学能转化成热机的机械能越多,效率越高,故D错误。
故选B。
6.B
【解析】火箭采用液态氢作为火箭的燃料,原因是液态氢具有较高的热值,完全燃烧相同质量的氢和其它燃料时,氢燃料可以放出更多的热量,故B符合题意,ACD不符合题意。
故选B。
7.A
【解析】A.热值是燃料的一种特性,反映了燃料燃烧放热的能力,用液态氢作燃料是因为氢的热值大,相同质量的不同燃料,热值越大,完全燃烧后放出的热量越多,故A正确;
B.火箭离开大气层后,没有空气的摩擦,同时对外放热,因此外壳的内能减小,故B错误;
C.火箭发射时将燃料燃烧产生的内能转化为机械能,故C错误;
D.火箭在加速升空过程中,速度变大,高度变高,因此机械能会增大,机械能不守恒,故D错误。
故选A。
8.B
【解析】A.给蓄电池充电时,蓄电池相当于用电器,将电能转化为化学能储存起来,故A正确,不符合题意;
B.发电机工作:机械能一电能,故B不正确,符合题意;
C.人骑自行车时,人体内储存的化学能最终转化为向前运动的机械能,故C正确,不符合题意;
D.内燃机工作时,燃料的化学能转化为内能,内能转化为机械能,故D正确,不符合题意。
故选B。
9.ACD
【解析】A.汽油机汽缸的顶部有火花塞,故A正确;
B.汽油机吸气冲程吸入汽缸的是空气和汽油的混合气体,故B错误;
C.汽油机的压缩冲程将活塞的机械能转化为气体的内能,汽缸内气体的内能增加,故C正确;
D.汽油机的做功冲程将气体的内能转化为活塞的机械能,故D正确。
故选ACD。
10.ACD
【解析】A.汽车的发动机是将汽油或柴油燃烧后释放的内能转化为机械能,所以它是一种热机,故A正确;
B.无论如何改进技术,能量损耗不可避免,所以效率不可能达到100%,故B错误;
C.因为水在凝固成冰的过程中,质量不变,密度变小,则体积变大。冬天夜晚温度较低,所以把冷却热机的水箱中的水放出,是防止气温降低时水凝固而胀坏水箱,故C正确;
D.因为说的比热容较大,吸热本领强,降温效果好。所以D正确。
故选D。
11.CD
【解析】A.活塞压缩石油气的过程,是对石油气做功,将机械能转化为内能,因此,主要是能量转化的过程,故A错误;
B.工作中的电动机温度会升高,这一过程中它的内能变大,故B错误;
C.由能量守恒定律可知,压缩机工作过程中,虽然能量存在损耗,但能量总量守恒,故C正确;
D.液化石油气灌存储时,一旦周围发生火灾要向罐体喷水冷却,防止罐体温度过高爆炸,原因之一是因为水具有较大的比热容,在同样升温时,水可以吸收更多的热量,故D正确。
故选CD。
12. 80 20
【解析】[1][2]一台单缸四冲程汽油机飞轮的转速是2400r/min,飞轮转速可换算为
即一秒钟飞轮转40圈。因为汽油机一个工作循环,需要经过4个冲程,对外做功1次,飞轮转2圈,所以汽油机每秒钟完成80个冲程,对外做功20次。
13. 压缩 机械 内
【解析】进气门、排气门关闭,活塞向上运动,所以正在进行的是压缩冲程,该冲程将机械能转化为内能.
14. 100 4.8×104
【解析】[1]在四冲程内燃机曲轴转一圈,完成2个冲程,某四冲程内燃机的转速是
3000r/min=50r/s
即每秒钟转50圈,完成100个冲程。
[2]汽油完全燃烧放出的热量
Q放=Vq=4×10-3m3×4.0×107J/m3=1.6×105J
发动机输出机械功
W=Q放η=1.6×105J×30%=4.8×104J
15. 2.1×109 5000
【解析】[1]整瓶液化气完全燃烧释放热量
Q放=mq=50kg×4.2×107J/kg=2.1×109J
[2]由得,水吸收的热量
Q吸=ηQ放=80%×2.1×109J=1.68×109J
在标准大气压下,水沸腾时的温度t=100℃,由
Q吸=c水m水(t﹣t0)
得,水的质量
16. 内 热传递
【解析】[1]由题意可知,聚合物与空气中的氧气作用从而放出热量,发生化学反应,所以,它的工作原理是将化学能转化成内能。
[2]聚合物产生的内能通过热传递的方式让肩膀升温。
17. 化学能转为内能 不变
【解析】[1]根据燃烧时的能量转化可知,可燃冰燃烧时,燃料的化学能转为内能。
[2]热值是燃料本身所具有的一种属性,不会随着燃料是否充分燃烧而改变,所以可燃冰在富含氧的环境中,虽然充分燃烧,但可燃冰的热值不变。
18. 天平 使用相同的热源,加热相同时间,水和煤油的吸热相同,通过温度的变化来判断水和煤油的吸热能力,温度变化小的吸热能力强 1:2 小 水的比热容较大,温度变化不明显 消耗燃料的质量 水银
【解析】(1)[1]用天平测量质量。为了得到质量相同的水和煤油,需要的测量工具是天平。
(2)[2]我们使用相同的酒精灯通过加热时间的长短来比较吸热多少,这种方法叫转换法。
使相同质量的不同物质吸收相同的热量(即加热相同的时间),比较温度的变化,温度变化小的吸热能力强。由已知条件,根据图丁水和煤油的温度随加热时间变化的图象知,使用相同的热源,加热相同时间,水和煤油的吸热相同,通过温度的变化来判断水和煤油的吸热能力,温度变化小的吸热能力强。
[3]由表中数据,加热10分钟(吸热相同),水升高的温度为
83℃-68℃=15℃
煤油升高的温度为
98℃-68℃=30℃
根据,在质量和吸热相同的情况下,升高的温度与比热容与成反比,故则煤油的比热容是
(3)[4][5]比较不同燃料的热值大小,要用不同的燃料,加热质量相同的同种液体,故应选用甲乙装置,根据,液体升温越高,则燃料放出的热量越多,这种燃料热值越大。小虎通过质量相同的燃料完全烧尽后水升高的温度来比较热值大小,烧杯中水的质量应该小一些,原因是水的比热容较大,温度变化不明显。
(4)[6]用两种燃料将初温和质量相同的水加热至相同温度,根据,水吸收的热量相同,根据,加热所需燃料的质量越小,燃料的热值越大,所以可以通过测量消耗燃料的质量来反映两种燃料热值大小关系。
(5)[7]当被测物体温度较高、质量较小时,为了使测量值更接近真实值,应该选比热容小的液体作为温度计的测温液体,这样液体升温快并且吸热没有那么多,而比热容大的升温慢并且吸收的热量会更多,因水银的比热容相对来说较小,所以应选择水银温度计。
19.(1);(2)25℃;(3)140s
【解析】解:(1)0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量
(2)水吸收的热量等于氢完全燃烧放出的热量
由 得水升高温度
(3)由题知,公交车所做的功
由 得,公交车行驶时间
答:(1)质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出热量;
(2)若这些热量全部被质量为400kg,温度为15℃的水吸收,则水升高25℃;
(3)这些热量能让该公交车匀速行驶140s。
20.(1)4.2×106J;(2)1×107J;(3)42%
【解析】解:(1)水的体积
V水=20L=20dm3=0.02m3
由知道,水的质量
m水=ρ水V水=1×103kg/m3×0.02m3=20kg
水吸收的热量
(2)由知道,天然气完全燃烧放出的热量
Q放=qV=4.0×107J/m3×0.25m3=1×107J
(3)燃气热水器的效率
答:(1)这些水吸收的热量是4.2×106J;
(2)加热这些水所需要的天热气完全燃烧放出的热量是1×107J;
(3)该燃气热水器的效率为42%。
21.(1)2.5×105Pa;(2)1.6×105N;(3)48%
【解析】解:(1)歼-20静止时,对水平地面的压力等于它的重力,即战斗机对地面的压力为
战斗机与地面的接触面积即地面的受力面积为1m2,则战斗机对地面的压强为
(2)航行30min,发动机做的功为
歼-20飞行的距离为
歼-20获得的水平推力为
(3)3t航空煤油完全燃烧放出的热量
歼-20发动机的热机效率
答:(1)歼-20对水平地面的压强p为2.5×105Pa;
(2)歼-20在上述航行30min的过程中获得的水平推力F为1.6×105N;
(3)歼-20发动机的热机效率η为48%。
22.(1)4.2×105J;(2)1.2×106J;(3)35%
【解析】(1)水吸热:;
(2)煤气放热:;
(3)烧水的效率:.
23. 大气污染 5.76×107J 88.9% 5.12kg
【解析】解:(1)传统燃油车使用过程会产生多种有害气体,对大气环境产生污染,为了减少大气污染,我国大力推行电动汽车。
(2)牵引力所做的功为
(3)电动车消耗的电能为
则电动车的效率为
(4)汽油车和电动汽车重力相同,在相同的路面上匀速行驶,受到的摩擦力相同;而受到的牵引力和摩擦力是一对平衡力,大小相等,则受到的牵引力相同;行驶相同的路程,牵引力做的有用功相等。所以汽油车消耗汽油完全燃烧释放的热量为
要消耗汽油的质量为
答:(1)我国大力推行电动汽车,主要是为了减少大气污染;
(2)牵引力所做的功是5.76×107J;
(3)电动车的效率是88.9%;
(4)需要消耗5.12kg的汽油。