一、内能
1.内能的定义:分子的动能和势能的总和。
2.内能大小的影响因素:
(1)分子动能:分子永不停息地做无规则运动,同一切运动着的物体一样,运动着的分子也具有动能。
【影响分子动能的因素】
温度升高 分子运动剧烈程度增加 内能增加
温度
温度降低 分子运动剧烈程度减弱 内能减少
(2)分子势能:由于分子之间存在相互作用力,因此分子之间也具有势能。
【影响分子势能的因素】
体积增加 分子势能增加 内能增加
体积
体积减少 分子势能减少 内能减少
(3)分子数目:温度体积相同,物体内的分子数越多,内能就越大
3.改变物体内能大小的方法:
二、热量的计算
1.热量定义:物体在热传递过程中转移能量的多少叫做热量
2.比热容的定义: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,比热容用符号℃表示,单位为焦/(千克. ℃),读作焦每千克摄氏度。
3.热量的计算公式:Q=cm△t ,其中C表示比热容,m表示质量,△t 表示温度变化量
4.燃料的热值:
(1)定义:单位质量或体积的某种燃料完全燃烧时放出的热量,叫做这种燃料的热值。
(2)单位:焦/千克,或者焦/立方米
5.燃料完全燃烧放出热量的计算公式(一般是总功): Q放=mq
三、温度,内能和热量的关系比较
温度 热量 内能
概念不同 宏观上:表示物体的冷热程度微观上:反映物体中大量分子 在热传递过程中, 传递热量的无规则运动的剧烈程度多少 物体内所有分子无规则运动的动能与势能的总和
量的性质 状态量 过程量 状态量
表述 “降低”或“升高” “放出”或“吸收” “有”“具有”“改变”“增加”“减少”
单位 摄氏度(℃) 焦耳(J) 焦耳(J)
联系 温度的变化,可以改变一个物体的内能,,传递热量的多少可以量度物体内能改变的多少。物体吸收或放出热量,它的内能将发生改变,但它的温度不一定改变。如冰融化时要吸收热量,内能增加,但温度却保持在0℃不变。同样,物体放出热量时,温度也不一定降低
四、热机
1.定义:把内能转化为机械能的机械
2.常见的内燃机种类:
(1)蒸汽机 (2)喷气式发动机
五、内燃机
1.定义:燃料在机器汽缸内燃烧的热机。汽油机和柴油机是两种常见的内燃机。
2.常见的内燃机:汽油机和柴油机
3.汽油机工作原理:气缸吸入汽油和空气的混合物,经火花塞点火将内能转化为机械能,推动着活塞运动。
4.柴油机工作原理:气缸吸入空气,经喷油嘴把柴油喷进高温的气缸点燃,将内能转化为机械能,推动着活塞运动。
5. 内燃机的工作:对于内燃机的活塞上下运动我们把内燃机的工作分为四个冲程,作为一个工作循环,转两圈,做一次功,只有做功冲程是对外做功,其他冲程都是靠惯性完成
6. 内燃机的工作(以汽油机的图示为例)
(1)吸气冲程---进气门打开,排气门关闭,活塞向下,将空气吸入气缸(汽油机吸入的是汽油和空气的混合物)
(2)压缩冲程---进气门关闭,排气门关闭,活塞向上,压缩气缸里的气体(将机械能转化为内能)
(3)做功冲程---进气门关闭,排气门关闭,活塞向下,气缸里燃料燃烧(将内能转化为机械能,汽油机需要火花塞点火,柴油机压燃)
(4)排气冲程---进气门关闭,排气门打开,活塞向上,将气缸里的气体排出
7.汽油机与柴油机的区别:
(1)缸内吸入的气体: 汽油机吸入的是空气与汽油的混合气体,柴油机吸入的是空气
(2)点火方式: 汽油机在压缩冲程结束通过火花塞电子打火点燃,柴油机是压缩冲程结束通过喷油嘴喷入柴油蒸气后直接压燃
(3)结构上: 汽油机的火花塞,柴油机有喷油嘴。
(4)效率上: 柴油机的效率高于汽油机
(5)体积上: 柴油机更大,功率也相对大些。
例1、如图所示,用气球、细绳、夹子、吸管和胶带制成“喷气火箭”。把封口的夹子松开后,气球向左运动。下列说法错误的是( )
A.实验说明力的作用是相互的 B.气球内部喷出的气体内能减小
C.气球运动过程中,惯性逐渐消失 D.实验选择光滑的细绳以减小摩擦
例2、甲装置:在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团硝化棉,把活塞迅速压下去,观察发生的现象。乙装置:烧瓶内盛少量水,给瓶内打气,当瓶塞跳出时,观察瓶内的变化。下列说法正确是()
A.甲:迅速向下压活塞的过程中,筒内空气温度不变
B.甲:活塞下压后反弹的过程相当于内燃机的做功冲程
C.乙:给瓶内打气至瓶塞跳出前,瓶内空气内能减小
D.乙:瓶塞跳出的过程相当于内燃机压缩冲程
例3、下列关于温度、内能、热量和做功的说法中,正确的是( )
A.物体温度降低,内能一定减少
B.物体吸收热量,温度一定升高
C.温度高的物体把温度传给温度低的物体
D.一个物体温度升高,一定是外界对物体做了功
例4、C919大飞机是中国自行研制,具有自主知识产权的大型喷气式民用飞机(如图所示)。飞机发动机吸入的空气经压缩机压缩后进入燃烧室与燃料混合燃烧。产生的热气体被喷出。为飞机提供动力。气体被压缩的过程中能量转化与汽油机四个冲程中的相同的是( )
A.B.C. D.
例5、如图是我国古代发明的取火器的模型图,把木制推杆迅速推入牛角套筒时,杆前端的艾绒立刻燃烧起来,这是通过______的方式,使筒内空气的内能增大,温度升高,达到艾绒的着火点。艾绒热值约为16000J/g,若一次放入5g艾绒,完全燃烧能释放______J的热量。每次使用完毕后需将推杆拿出,再将套筒甩几下,此过程相当于内燃机的______和进气冲程。
例6、舟山正在创建“最美公路”项目,工地上有一辆空载时质量为12t的流动式混凝土搅拌车,轮胎与地面接触的总面积为9000cm2,搅拌车以54km/h的速度在平直公路上匀速行驶时,发动机的输出功率为192kW。(燃油的热值取)求:
(1)装有6t混凝土的搅拌车静止在水平地面上时,搅拌车对地面的压强;
(2)搅拌车以54km/h的速度匀速直线行驶时,受到的阻力;(拌筒旋转功率忽略不计)
(3)搅拌车行驶时发动机的效率为30%,以54km/h的速度匀速行驶27km,需要消耗多少千克燃油。
1.中国是茶文化之乡,中国茶文化是世界非物质文化遗产。“煮茶”过程中蕴含着丰富的科学知识。下列说法正确的是( )
A.茶水沸腾时,吸收热量,温度升高
B.茶水升温是通过做功的方式改变内能
C.壶嘴冒出的“白气”是汽化形成的现象
D.茶香扑鼻,表明分子在不停地做无规则运动
2.关于热和能,下列说法中正确的是( )
A.一块0℃的冰熔化成0℃的水后,温度不变,内能变大
B.热传递时,温度总是从高温物体传递给低温物体
C.汽油机的压缩冲程,主要通过热传递增加了汽缸内物质的内能
D.物体内能增加,一定是外界对物体做了功
3.如图为做功改变物体内能的改进实验,当往瓶内推活塞,会看到温度显示器的温度发生变化,下列有关此过程中的说法正确的是( )
A.活塞对瓶内气体做功,温度显示器上的温度降低
B.活塞对瓶内气体做功,温度显示器上的温度升高
C.瓶内气体对活塞做功,温度显示器上的温度降低
D.瓶内气体对活塞做功,温度显示器上的温度升高
4.神舟十二号返回舱进入大气层,与大气层摩擦形成高温火球(如图),下列改变内能的方式,与“火球”的形成不相同的是( )
A.敷冰降温 B.钻木取火 C.搓手取热 D.擦燃火柴
5.下列关于温度、内能和热量的描述中,正确的是( )
A.物体吸收热量时,温度一定升高
B.做功和热传递都能改变物体的内能
C.物体的内能越大,其含有的热量就越多
D.热量总是从内能大的物体向内能小的物体传递
6.开启啤酒瓶盖的瞬间,会听到“嘭”的一声,并看见瓶口有“白气”冒出,该过程与图中内燃机的哪一冲程原理相同( )
A. B. C. D.
7.目前有一种倍受关注的喷气飞行背包(如图),人背上后能通过该设备获得动力,实现人类自由单人飞翔的梦想。
(1)该背包发动机将汽油燃烧后的气体通过喷气孔喷出,使人获得飞行动力,这利用了物体间力的作用是___________,同时说明了力可以改变物体的运动状态;
(2)该背包燃料为汽油,汽油燃烧将___________能转化为内能,一部分对人和飞行背包做功,还有部分散失到空气中,这些内能却无法再被利用来对人和飞行背包做功,说明能量的转移和转化具有___________;
(3)某次飞行过程中消耗10千克汽油,这些汽油完全燃烧放出的热量为___________焦。(q汽油=4.6×107焦/千克)
8.小金同学在研究“沙子和水谁的吸热本领大”时,选用了两只完全相同的酒精灯分别给质量均为200g的沙子和水加热。他绘制出沙子与水的温度随加热时间变化的图像分别如图a、图b所示。已知酒精的热值,加热时酒精灯平均每分钟消耗2.8g酒精。已知水的比热容,求:
(1)加热2min时间内水吸收的热量;
(2)这2min时间内酒精灯的加热效率η;
(3)沙子的比热容。
1.将冰块放在泡沫箱中可制成简易“冰箱”,把一瓶饮料放入“冰箱”后,冰块和饮料的温度随时间变化的曲线如图所示,在两物体温度达到相同之前,下列说法正确的是( )
A.甲是冰块 B.乙吸收热量 C.甲内能增加 D.乙内能减少
2.下列关于温度、热量和内能说法正确的是( )
A.物体温度越低,内能越小,0℃的物体没有内能
B.物体从外界吸收了热量,温度一定升高
C.热传递时,温度总是从内能大的物体传给内能小的物体
D.物体的内能增加,不一定是从外界吸收了热量
3.如图是四冲程汽油机的工作示意图,下列说法错误的是( )
A.汽油机工作时各冲程的顺序依次为:丁、甲、丙、乙
B.除了丙冲程以外,其他冲程均靠飞轮的惯性完成
C.甲冲程中能量的转化:内能转化为机械能
D.无论怎样改进汽油机,汽油机的效率也无法达到100%
4.单位质量的气体物质,在体积不变的条件下温度升高1℃所吸收的热量称为该气体的定容比热,已知氦气的定容比热为3100J/(kg·℃)。如图所示,质量为0.02kg的氦气被密封在圆柱形气缸内,气缸内氦气气压与外界大气压相同。用力把活塞AB固定,当氦气的温度从20℃升高到30℃时,氦气吸收的热量是___________J。撤去力,氦气推动活塞做功,这一过程的能量转化形式与四冲程汽油机的___________冲程相同。
5.太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置,下表是小明家的太阳能热水器某天在阳光照射下的相关信息:其中太阳辐射功率是指1h内投射到1m2面积上的太阳能。
太阳照射时间/h 装水量/kg 吸热板面积/m2 水升高的温度/℃ 水的比热容J/(kg·℃) 太阳辐射功率J/(m2·h)
10 100 2.5 50 4.2×103 1.68×106
求:
(1)水在10h内吸收的热量;
(2)如果水吸收的热量用天然气提供,需要完全燃烧多少m3的天然气;(天然气的热值为8.4×107J/m3,天然气完全燃烧的热量全部被水吸收)
(3)太阳能热水器的能量转化效率。
答案及解析
例1、C
【解析】A.当气球向外喷出气体时,气体会给气球一个反作用力,由此可说明物体间力的作用是相互的,故A正确,不符合题意;
B.气球内部喷出的气体对外做功,内能减小,温度降低,故B正确,不符合题意;
C.物体的惯性只与质量有关,气球运动过程中,气球内气体的质量减小,但气球的质量不变,惯性不变,故C错误,符合题意;
D.实验选择光滑的细绳,可以减小物体间接触面的粗糙程度,在压力一定的情况下,减小摩擦,故D正确,不符合题意。
故选C。
例2、B
【解析】A.当把活塞迅速压下去后,活塞压缩气体做功,气体的内能增加,温度也会随之升高,当温度达到棉花的燃点时,会看到硝化棉燃烧,故A错误;
B.内燃机的做功冲程,高温高压燃气推动活塞做功,将内能转化为机械能,故活塞下压后反弹的过程相当于内燃机的做功冲程,故B正确;
C.用气筒向装有少量水的烧瓶里打气,瓶内气压增大,内能增大,当气压把瓶塞从瓶口推出时,瓶内气体对瓶塞做功,使气体自身的内能减少,温度降低,故C错误;
D.瓶塞跳出的过程,内能转化为机械能,相当于做功冲程,故D错误。
例3、A
【解析】A、一切物体都具有内能,内能的大小与温度有关,物体的温度降低时,内能一定减少,所以A说法正确,符合题意;
B、物体吸收了热量,可能用来加快分子的无规则运动,即表现在物体的温度的升高;也可能用来改变物体的状态;比如:晶体在熔化过程,吸热,内能增加但温度不变,所以,物体吸收了热量,物体的温度可能升高,也可能不变,所以B不说法错误,不符合题意;
C、相互接触的两个温度不同的物体,内能(热量)总是从高温物体传递给低温物体,是温度高的物体把内能(热量)传给温度低的物体,所以C说法错误,不符合题意;
D、一个物体温度升高,内能增加,可能是吸收了热量,也可能是外界对它做了功,所以D说法错误,不符合题意。
故选A。
例4、B
【解析】飞机发动机吸入的空气经压缩机压缩后进入燃烧室与燃料混合燃烧,气体被压缩的过程中,机械能转化为内能;
A.如图,进气阀打开,为吸气冲程,此过程没有能量转化,故A不符合题意;
B.如图,两气阀关闭,活塞向上运动为压缩冲程,该冲程机械能转化为内能,与上述能量转化过程相同,故B符合题意;
C.如图,两气阀关闭,活塞向下移动为做功冲程,该冲程高温高压燃气推动活塞做功,将内能转化为机械能,故C不符合题意;
D.如图,排气阀打开为排气冲程,此过程没有能量转化,故D不符合题意。
故选B。
例5、做功 排气冲程
【解析】[1]封闭的气体被推杆压缩过程中,活塞对气体做功,所以气体内能增加,则温度升高,达到艾绒的着火点,使艾绒着火,达到取火的目的。
[2]若一次放入5g艾绒,完全燃烧能释放的热量为
[3]使用完毕后需将推杆拿出,再将套筒甩几下,将套筒内的气体排出和吸入,此过程相当于内燃机的排气和进气冲程。
例6、(1);(2);(3)28.8kg
【解析】解:(1)装有6t混凝土的搅拌车静止在水平地面上时,搅拌车对地面的压力等于搅拌车的总重力,即
根据可得,搅拌车对地面的压强为
(2)搅拌车的速度为
根据
可得,牵引力为
因为搅拌车是做匀速直线运动,因此受到的是平衡力作用,则受到的阻力为
(3)行驶的时间为
牵引力所做的功为
由可得,燃油燃烧放出的热量为
由可得,需要消耗燃油的质量为
答:(1)搅拌车对地面的压强为;
(2)受到的阻力为;
(3)需要消耗28.8千克燃油。
1.D
【解析】A.茶水沸腾时,吸收热量,温度不变,故A错误;
B.茶水升温是通过热传递的方式改变内能,故B错误;
C.壶嘴冒出的“白气”是水蒸气液化形成的现象,故C错误;
D.茶香扑鼻为扩散现象,说明构成物质的分子在不停地做无规则运动,故D正确。
故选D。
2.A
【解析】A.一块0℃的冰熔化成0℃的水后,吸收热量,温度不变,内能增加,故A正确;
B.发生热传递时,传递的是热量而不是温度,故B错误;
C.汽油机的压缩冲程,活塞压缩气缸内物质,机械能转化为内能,是通过做功改变物体的内能,故C错误;
D.物体内能增加,可能是外界对物体做了功,也可能是发生了热传递,故D错误。
故选A。
3.B
【解析】当往瓶内推活塞的过程中,活塞压缩气体做功,空气内能增加,温度升高,所以温度显示器上的温度升高,故B正确,ACD错误。
故选B。
4.A
【解析】神舟十二号返回舱进入大气层高速运动时,返回舱与大气层剧烈摩擦,机械能转化为返回舱的内能,温度升高,形成“火球”,属于做功改变内能。
A.敷冰降温,冰吸收热量,人体的温度降低、内能减少,是通过热传递的方式来改变物体内能的,故A符合题意;
B.钻木取火时,克服摩擦做功,机械能转化为内能,是通过做功的方式来改变物体内能的,故B不符合题意;
C.搓手取暖时,两手掌相互摩擦,克服摩擦做功,使手掌内能增大,温度升高,是通过做功的方式来改变物体内能的,故C不符合题意;
D.擦燃火柴,属于摩擦生热现象,是通过做功的方式来改变物体内能的,故D不符合题意。
故选A。
5.B
【解析】A.物体吸收热量时,温度不一定升高,例如:水沸腾时吸热,但温度保持不变,故A错误。
B.做功和热传递都能改变物体的内能,故B正确。
C.热量是过程量,只能描述为“吸收热量”或“放出热量”,故C错误。
D.热量总是从温度高的物体向温度低的物体传递,故D错误。
6.C
【解析】开启啤酒瓶盖的瞬间听到“嘭”的一声,瓶内气体将瓶盖冲起,对瓶盖做功,将瓶内气体的内能会转化为瓶盖的机械能;此过程与汽油机的做功冲程类似,在做功冲程中也是燃气的内能转化为活塞的机械能。
A.两个气门关闭,活塞向上运动,为压缩冲程,故A不符合题意;
B.排气门打开,活塞向上运动,为排气冲程,故B不符合题意;
C.两个气门关闭,活塞向下运动,为做功冲程,故C符合题意;
D.进气门打开,活塞向下运动,为吸气冲程,故D不符合题意。
故选C。
7.相互的 化学 方向性 4.6×108
【解析】(1)[1]背包发动机将汽油燃烧后的气体通过喷气孔向后喷出,由于物体间力的作用是相互的,从而使人获得飞行动力,使人离地面越来越远,说明了力可以改变物体的运动状态;
(2)[2][3]汽油燃烧时,消耗化学能,产生内能,将化学能转化为内能,用来对人和飞行背包做功,还有部分内能散失到空气中,但这些内能却无法再被利用来对人和飞行背包做功,这是因为能量的转移和转化具有方向性。
(3)[4]10kg汽油完全燃烧放出的热量为 Q放=mq汽油=10kg×4.6×107J/kg=4.6×108J
8.(1)4.2×104J;(2)25%;(3)0.91×103J/(kg·℃)
【解析】解:(1)已知沙子和水的质量相等,吸收相同热量时,因沙子的比热容比水小,沙子的温度升高得多,所以图a表示的是沙子吸热升温的过程,图b表示的是水吸热升温的过程;由图b可知,加热2min水温度升高 Δt水=70℃-20℃=50℃
则加热2min时间内水吸收的热量为 Q水吸=c水m水Δt水=4.2×103J/(kg·℃)×0.2kg×(70℃-20℃)=4.2×104J
(2)因为酒精灯平均每分钟消耗2.8g酒精,加热2min时间内消耗酒精的质量为
m=2.8g/min×2min=5.6g=5.6×10-3kg
则酒精完全燃烧放出的热量为 Q放=mq=5.6×10-3kg×3.0×107J/kg=1.68×105J
酒精灯的加热水的效率为
(3)因为两酒精灯完全相同、加热方式也相同,所以相同时间内酒精灯燃烧放出相同的热量,则在2min的时间内,沙子吸收的热量 Q沙吸=Q水吸=4.2×104J
由图a可知加热2min,沙子的温度从20℃上升到250℃ Δt沙=250℃-20℃=230℃ m沙=200g=0.2kg
沙子的比热容
答:(1)加热2min时间内水吸收的热量为4.2×104J;
(2)这2min时间内酒精灯的加热效率为25%;
(3)沙子的比热容为0.91×103J/(kg·℃)。
1.B
【解析】由图可知,物体甲的温度是降低的,即物体甲放出热量,内能减小;物体乙的温度是升高的,即物体乙吸收热量,内能变大;所以物体甲是饮料,乙是冰块;故B正确,ACD错误。
故选:B。
2.D
【解析】A.任何物体都有内能,0℃的物体有内能,故A错误;
B.晶体熔化的过程中,吸收热量,温度是保持不变的,故B错误;
C.内能的大小与质量、温度和状态有关,内能大的物体温度不一定高,热传递过程中,热量是从温度高的物体传递给温度低的物体,不一定是从内能大的物体传给内能小的物体,C错误;
D.物体的内能增加时,可能是吸收了热量,也可能是外界对物体做功,故D正确。
故选D。
3.C
【解析】A.甲图中气门都关闭,活塞向上运行,气缸容积减小,是压缩冲程;乙图中排气门打开,活塞向上运动,气缸容积减小,是排气冲程;丙图中气门都关闭,活塞向下运行,气缸容积增大,是做功冲程,丁图中进气门打开,活塞向下运行,气缸容积增大,是吸气冲程,汽油机工作时各冲程的顺序依次为:丁、甲、丙、乙,故A正确,不符合题意;
B.在热机的四个冲程中,只有丙冲程(做功冲程)做功,其他三个冲程是靠飞轮的惯性完成的,故B正确,不符合题意;
C.甲冲程是压缩冲程,将机械能转化为了内能,故C错误,符合题意;
D.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,机械效率一定小于100%,故D正确,不符合题意。
故选C。
4.620 做功
【解析】[1]氦气吸收的热量 Q吸=cmΔt=3100J/(kg·℃)×0.02kg×(30℃-20℃)=620J
[2]撤去力,氦气推动活塞做功,内能转化为机械能,此过程与四冲程汽油机的做功冲程的能量转化相同。
5.(1)2.1×107J;(2)0.25m3;(3)50%
【解析】解:(1)水在10h内升高的温度为50℃,水吸收的热量
Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)×100kg×50℃=2.1×107J
(2)天然气完全燃烧放出的热量全部给水吸收,则天然气完全燃烧放出的热量 Q放=Q吸=2.1×107J
需要完全燃烧天然气的体积
(3)热水器吸收太阳能的热量为 Q太=1.68×106J/(m2·h)×2.5m2×10h=4.2×107J
太阳能热水器能量转化效率为
答:(1)水在10h内吸收的热量为2.1×107J;
(2)如果水吸收的热量用天然气来提供,需要完全燃烧0.25m3的天然气;
(3)该太阳能热水器的能量转化效率为50%。
2023-2024学年上学期浙教版科学九年级“冲刺重高”讲义(二十三)
物体的内能