人教版九年级物理全册预习学案——14.2 热机的效率

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第十四章 内能的利用
第2节 热机的效率
要点一、燃料的热值
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。
要点诠释：
(1)热值的物理意义：
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。
要点二：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。
要点三、热机的效率
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
3.3.1了 解内能和热量。从能量转化的角度认识燃料的热值。
(1) 调查当地近年来炊事、取暖、交通等方面燃料结构的变化，从经济与环保的角度开展讨论。
(2)燃料的种类很多，如木柴、煤、汽油、酒精、天然气等，查阅资料并比较相同质量的不同燃料完全燃烧时放出热量的多少。
【例题1】某汽油机工作时的能量损失情况是：汽缸散热损失30%，废气带走35%，机械摩擦及其它损耗总和为10%。已知汽油热值为4.6×107J/kg。下列说法中正确的是（　　）
A．该汽油机工作的效率是25%，工作时汽油燃烧释放能量的75%转化为机械能
B．若该汽油机消耗2kg汽油，获得的机械能为2.3×107J
C．若该汽油机消耗2kg汽油，损失的能量为3.22×107J
D．经过不断改进和创新，汽油机的效率可以提高到100%
【分析】
（1）热值：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值，公式：Q=mq；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，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：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：η=×100%，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；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；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。
【解答】
A、该汽油机工作的效率是1-30%-35%-10%=25%，工作时汽油燃烧释放能量的25%转化为机械能，故A错误；
B、若该汽油机消耗2kg汽油，产生的热量为：Q总=mq=2kg×4.6×107J/kg=9.2×107J，由η=×100%得，获得的机械能为：W=Q有用=ηQ总=25%×9.2×107J2.3×107J=2.3×107J，故B正确；
C、若该汽油机消耗2kg汽油，损失的能量为：Q损耗=Q总-Q有用=9.2×107J-2.3×107J=6.9×107J，故C错误；
D、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，汽油机的效率不可以提高到100%，故D错误。
故选：B。
【例题2】古语“人要实，火要虚”，其意思是，人要脚踏实地，才能事业有成；可燃物要架空一些才能燃烧更旺。“火要虚”的目的是（　　）
A．提高可燃物的热值 B．增大可燃物的比热容
C．提高可燃物的利用率 D．不会产生废气，不会造成环境污染
【分析】
（1）燃料的热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、放出热量的多少以及是否充分燃烧无关；
（2）比热容是物质的一种特性，只与物质的种类和状态有关；
（3）“火要虚”是燃物要架空一些，才能燃烧更旺、燃烧才更充分，这样就可以提高燃料的利用率。
（4）可燃物在燃烧时都会产生废气，废气大多都会对环境造成污染。
【解答】
A、燃料的热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，所以燃烧更旺不能提高可燃物的热值，故A错误；
B、比热容是物质的一种特性，只与物质的种类和状态有关，所以燃烧更旺不能增大可燃物的比热容，故B错误；
C、火要虚”是燃物要架空一些，才能燃烧更旺、燃烧才更充分，这样就可以提高燃料的利用率，故C正确；
D、可燃物在燃烧时都会产生废气，废气大多都会对环境造成污染，故D错误。
故选：C。
【例题3】图示为车发动机的 冲程，若飞轮的转速为2400r/min,在1s内，汽油机做功 次；若车的总质量为1.5t,匀速直线行驶9km,所受阻力为车重的0.1倍，完全燃烧汽油1L，该发动机的工作效率是 %。（ρ汽油=0.8×103kg/m3，q汽油=4.5×107J/kg,g取10N/kg）。
【分析】（1）从图示判断它属于哪个冲程。（2）先算出每秒钟飞轮的转数，再根据飞轮转2圈，做功1次进行推算。（3）先计算完全燃烧汽油1L汽油放出的热量，再计算出它做的有用功，然后用效率公式进行计算。
【解答】解：（1）从图示可知，进气门和排气门关闭，活塞向上，故它是压缩冲程。
（2）飞轮的转速为2400r/min,在1s内，飞轮转40r,因为飞轮转2圈，做功1次，故该汽油机1s内做功20次；
（3）完全燃烧汽油1L汽油放出的热量：
Q放=mq=ρVq=4.5×107J/kg×1×10-3m3×0.8×103kg/m3=3.6×107J；
汽车所受的拉力：
F=f=0.1G=0.1mg=0.1×1.5×103kg×10N/kg=1.5×103N；
汽车做的有用功：
W有=Fs=1.5×103N×9000m=1.35×107J；
该发动机的工作效率是：
η=
故答案为：压缩；20；37.5。
【例题4】如图是我国自主研发的水陆两栖飞机“鲲龙-600”，它可以承担大型灭火、水上救援等任务。若该两栖飞机以10m/s的速度匀速直线飞行60s,消耗航空燃油50kg,发动机的效率为40%，已知q燃油=4.2×107J/kg。求：
（1）它在此过程中飞行的路程。
（2）50kg的航空燃油完全燃烧放出的热量。
（3）飞机发动机的功率。
【分析】（1）利用s=vt,求在此过程中飞行的路程；
（2）利用Q放=mq,求50kg的航空燃油完全燃烧放出的热量
（3）利用W=ηQ放，计算发动机做的功，再根据P=，计算功率。
【解答】解：（1）它在此过程中飞行的路程：s=vt=10m/s×60s=600m；
（2）50kg的航空燃油完全燃烧放出的热量：Q放=mq燃油=50 kg×4.2×107 J/kg=2.1×109J；
（3）飞机发动机做的功：W=ηQ放=40%×2.1×109 J=8.4×108 J；
飞机发动机的功率：P= =1.4×107 w。
故答案为：（1）600m;（2）2.1×109J;（3）1.4×107 W。
1. 自劳动课成为中小学一门独立课程以来，小明已学会了多种菜肴的烹饪方法，下列与烹饪有关的说法，正确的是（　　）
A．锅把手上刻有花纹可以增大摩擦 B．燃气的热值大小与是否完全燃烧有关
C．菜被炒熟是做功改变了它的内能 D．油和水很难融合表明分子间没有间隙
2. 汽油的热值为4.6×107J/kg,某汽车水平公路上匀速行驶了100km,该行驶过程中汽车的效率为25%，汽车所受阻力恒定，共消耗了质量为4kg的汽油，则汽车所受阻力为（　　）
A．120N B．230N C．125N D．460N
3. 如图-1所示的某品牌插秧机使用北斗导航，农民只需在作业前进行相关设定，即可实现24小时无人值守自动作业。如图-2是插秧机单缸四冲程发动机工作过程中的某个冲程。下列有关说法错误的是（　　）
A．若插秧机发动机的转速是4800r/min,则该发动机每秒钟对外做功80次
B．发动机用水作冷却剂是因为水的比热容较大
C．经过精心保养的发动机的效率也无法达到100%
D．图-2中发动机处于压缩冲程
4. 近几年来，我国大力推广新能源汽车，2020年3月长沙市正式由比亚迪公司提供了300多台纯电动出租车，某款电动汽车（如图）以60km/h的速度匀速行驶了90km,所受的牵引力为720N，耗电18kW h,请解答下列问题：
（1）电动汽车以60km/h的速度匀速行驶90km需要多少时间？
（2）有一款与它外形，重量均相同的汽油车，在相同路面上以60km/h的速度行驶90km,其效率为25%，需要消耗多少kg汽油？（q汽油=4.5×107J/kg）
（3）请你谈谈纯电动汽车的优点或者缺点。
5. 油电混合动力汽车是新型节能汽车。这种汽车在内燃机启动时，可以给车提供动力，同时也给动力蓄电池组充电。已知某型号混合动力汽车所用的蓄电池能够储存的最大电能是1.0×108J，若该车以80km/h的车速匀速直线行驶了0.5h,此时所受阻力f大小为900N。蓄电池组的电能也增加了最大电能的10%，内燃机共消耗燃油2.5kg。（q油=4.0×107J/kg）则：
（1）燃油燃烧时燃油的 能转化为内能；
（2）该汽车此次行驶中，若燃油完全燃烧可放出多少热量？
（3）该汽车行驶中牵引力做了多少功？
（4）该汽车内燃机的效率是多大？
6. 汽车已成为许多家庭的必备出行工具，为汽车加汽油是利用汽油燃烧为汽车提供动力；加冷却液是为了冷却发动机；冬季加防冻玻璃水是为了怕玻璃水结冰。请结合学过的物理知识任意选择两个问题回答：
（1）选择汽油燃烧为汽车提供动力是因为它具有哪一特性；
（2）加冷却液冷却发动机是因为冷却液具有哪一特性；
（3）冬季加防冻玻璃水是因为防冻玻璃水具有哪一特性；
（4）为保证交通安全，在设计和使用方面采取哪些有效措施，举两例。
1. 随着汽车科技的不断进步，混合动力汽车（简称：混动汽车）逐渐受到人们的青睐，目前广泛使用的混动汽车主要部件有：汽油机、蓄电池、电动机等，它们单独或组合向汽车提供动力。混动汽车有串联式和并联式等种类。
串联式混动汽车的工作流程如图1甲所示，蓄电池可单独向电动机提供电能驱动汽车；汽油机仅带动发电机发电，产生的电能一部分输入电动机驱动汽车，另一部分还能通过发电机向蓄电池充电。
并联式混动汽车的工作流程如图1乙所示，汽油机和电动机分属两套独立的工作系统，蓄电池通过电动机能单独驱动汽车，汽油机也能直接给汽车提供动力，两套系统还能同时工作驱动汽车。
（1）若某混动汽车匀速行驶10km用时0.2h,则其速度是多少km/h？
（2）若汽油机完全燃烧2kg汽油，释放的热量是多少J？（q汽油=4.6×107J/kg）
（3）如图2所示是并联式混动汽车内部结构透视图。若系统提供的动力一定，油箱油量或蓄电池电量是否会影响汽车行驶路程的长短？请结合乙图的工作流程，以其中一套工作系统为例，从能量转化的角度结合功的相关知识分析说明。
（4）若两种方式混动汽车的质量相同，相同部件能量转化的效率相同，油电系统同时工作，蓄电池仅处于放电状态且放电情况相同。请对比甲、乙两图的工作流程分析，在汽车整体输出能量相同的情况下，哪种方式混动汽车的效率低？为什么？。
2. 阅读资料，根据材料内容回答问题。
太空电梯
2023年春节，国产科幻电影《流浪地球2》以其独具中华文化内核的危机应对、跌宕起伏的情节设计和制作精良的特效展示，获得了口碑票房的双丰收，是一部不可错过的硬核科幻影视作品。其中，太空电梯是尚在科幻设想中的直达太空的交通工具，可以极大地方便人类进出太空活动，进行太空的开发与建设。
在电影中，太空电梯的轿厢使用了组合动力模式。在轿厢上升的初段依靠火箭动力驱动，利用四角的火箭发动机的推力，使得轿厢得以摆脱地心引力并以最短时间获得最快速度进入高空。在加速过程中，轿厢可以获得最高9个g的加速度，此时站在轿厢的地面会产生10倍于重力的压力，因此乘坐人员必须经过严格训练并穿着抗荷服。在大气密度不足以支撑航空发动机运行后，则依靠惯性继续上升并减速至接驳口与牵引锁连接，利用牵引力继续上升，最终泊入相应的航站。
返回地面时，为了使轿厢免受与大气摩擦产生的大量热量的损害，电梯还设计了冰盾结构，此时轿厢底部会先喷水，在太空的低温环境下迅速形成冰盾，以冰层的摆化和升华带走热量，从而达到保护轿厢的作用。
要建造一部太空电梯，其实只需要三个主要结构：基座、缆绳和空间站，但其工程难度最大的是缆绳的材料，至今仍未有实质性的突破，相信在人类的共同努力下，会有一天突破瓶颈，建造一座直达太空的电梯。
（1）通常用液态氢等作为火箭的燃烧剂是因为液态氢具有 （选填“密度”“比热容”或“热值”）大的特性。
（2）轿厢沿着缆绳导轨直线加速升空的过程中，轿厢处于 （选填“平衡”或“非平衡”）状态，以地面为参照物，轿厢是 （选填“静止”或“运动”）的。
（3）返回地面时，轿厢与大气剧烈摩擦，这个过程中 （填能量形式）转化为内能。
（4）假设电梯乘员体重为60kg,最快的加速上升过程中，人受到的支持力方向为 ，大小为 N（g取10N/k。
参考答案：
热身训练：1. A;2.D；3. A；
4. （1）电动汽车以60km/h的速度匀速行驶90km需要1.5h的时间；
（2）需要消耗5.76kg汽油；
（3）从节能环保的角度，纯电动汽车与传统燃油汽车污染小，高效率、噪声低等优点；
缺点：电池成本较高，电池的能量密度较低，充电后的行驶里程较短等问题；
5. （1）化学；（2）该汽车此次行驶中，若燃油完全燃烧可放出108J热量；
（3）该汽车行驶中牵引力做了3.6×107J功；（4）该汽车内燃机的效率是46%；
6. 答：（1）选择汽油燃烧为汽车提供动力是因为汽油的热值大，完全燃烧质量相同的不同燃料，汽油燃烧放出的热量多；
（2）用冷却液来冷却发动机，是因为冷却液的比热容大，相同质量的冷却液和其它物质比较，升高相同的温度时，冷却液吸收的热量多；
（3）冬季加防冻玻璃水是因为防冻玻璃水的凝固点低，不容易凝固；
（4）动能的大小与质量、速度有关，为了安全，使用汽车时，不能超速、超载。
拓展阅读：1. （1）若某混动汽车匀速行驶10km用时0.2h,则其速度是50km/h；
（2）若汽油机完全燃烧2kg汽油，释放的热量是9.2×107J；
（3）油箱的油量或蓄电池的电量通过能量转化变为汽车所做的功，油量或电量越多，做的功就越多，通过公式W=Fs,s=，F一定的情况下，W越多，s就越大，所以会影响。
（4）串联式混动汽车的效率低，因为在混动汽车质量相同，转化效率相同的情况下，并联式和申联式都有蓄电池到电动机再到提供动力，这一部分转化效率相同，但是串联式在汽油机方面比并联式多了些步骤，它是先到发电机再到电动机再到提供动力，而并联式是汽油机直接提供动力，所以串联式在能量转化方面损耗更多，效率低；
2. （1）热值；（2）非平衡；运动；（3）机械能；（4）竖直向上；6000。
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