2024年中考物理一轮复习考点梳理学案 第7讲　内能的利用（含解析）

第7讲　内能的利用
命题分析　
广东省近五年中考物理命题分析
考点 2023 2022 2021 2020 2019
热机及效率 省题5 省题9 省题3 未考查 省题9
热值 __ 省题8 省题10 省题22
热机效率 __ __ __ __
能量的转化和守恒 省题23 省题9 省题10 __
【课程标准】
3．3.1　从能量转化的角度认识燃料的热值。
3．3.3　了解热机的工作原理。知道内能的利用在人类社会发展史中的重要意义。
例　了解热机对社会发展所起的作用和对环境的影响。
3．5.1　知道能量守恒定律。列举日常生活中能量守恒的实例。有用能量转化与守恒的观点分析问题的意识。
3．5.2　从能量的转化和转移的角度认识效率。
3．5.3　列举能量转化和转移具有方向性的常见实例。
考点一　热机及效率
一、热机
1．热机概念：利用内能做功的机械。
2．热机原理：化学能内能机械能。
3．热机的种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。
4．内燃机：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机。内燃机包括汽油机和柴油机。
二、汽油机
1．冲程：内燃机的活塞在汽缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。
2．汽油机的四个冲程：
冲程 名称 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
示意图
工作 过程 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物进入汽缸 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩 在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功 进气门保持关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸
能量 转化 — 机械能转化为内能 内能能转化为机械能 废气带走很多内能
三、汽油机和柴油机的比较
比较内容 汽油机 柴油机
不 同 点 构造 汽缸顶部有火花塞 汽缸顶部有喷油嘴
燃料 汽油 柴油
吸气冲程 吸入的是汽油和空气的混合物 只吸入空气
压缩程度 对空气的压缩程度低 对空气的压缩程度高
点燃方式 点燃式 压燃式
效率 较低20%～30% 较高30%～45%
应用实例 小型汽车、摩托车 载重汽车、火车、轮船
相 同 点 工作过程：都是分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程 压缩冲程：都是机械能转化为内能 做功冲程：都是内能转化为机械能 一个工作循环：活塞往复运动2次，曲轴运动2周，对外做功1次
(1)单缸四冲程内燃机中每个工作循环曲轴转2周，活塞上下往复2次，做功1次。(　√　)
(2)在四个冲程中只有做功冲程是燃气对活塞做功，其他三个冲程是依靠飞轮的惯性来完成的。(　√　)
(3)压缩冲程将内能转化为机械能。(　×　)
(4)做功冲程将内能转化为机械能。(　√　)
(5)柴油机汽缸顶部是喷油嘴，吸气冲程吸入汽缸的是汽油和空气的混合物。(　×　)
例1　(2021·广东)关于四冲程汽油机的工作过程，下列说法正确的是(　　)
A．吸气冲程：只吸入空气 B．压缩冲程：缸内温度降低
C．做功冲程：气体推动活塞做功 D．排气冲程：内能转化为机械能
分析　四冲程汽油机一个工作循环有四个冲程，分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。其中只有做功冲程对外做功，将内能转化为机械能，汽车获得动力；压缩冲程将机械能转化为内能。
答案　C
解析　汽油机在吸气冲程中吸入的是汽油和空气的混合物，故A错误；在压缩冲程，活塞对气体做功，将机械能转化为内能，气体的内能变大，温度升高，故B错误；做功冲程中，高温高压气体对活塞做功，高温高压气体的内能转化为活塞的机械能，故C正确；排气冲程中没有能量的转化，故D错误。
例2　(2023·江门蓬江区模拟)如图所示，图甲是汽油机的________冲程，与它改变内能方式相同的是图________所示的演示实验；行驶时汽油机的飞轮的转数可以达到3 600 r/min，则每秒做功的次数为________。
答案　做功　丙　30
解析　图甲中，两气门都关闭，活塞下行，汽缸容积变大，是做功冲程，此冲程将内能转化为机械能；图乙是用力将活塞压下，活塞对空气做功，空气的内能增大，温度升高，达到了棉花的着火点，棉花就会燃烧。是通过对物体做功来增大物体内能的，即是将机械能转化为内能的过程；图丙对试管中的水加热，加快水的汽化，使试管中水的内能增大，体积膨胀，对外做功，使塞子飞出去，内能转化为塞子的机械能，与做功冲程原理相同。飞轮转速是3 600 r/min＝60 r/s，表示每秒飞轮转动60圈，要经过120个冲程，对外做功30次。
名师点拨　四冲程顺序是：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。判断冲程：①先看门，两门关闭则为压缩冲程或做功冲程，一门打开则为吸气冲程或排气冲程；再看活塞，活塞向上为压缩冲程或排气冲程，活塞向下则为吸气冲程或做功冲程。②有火花的为做功冲程；做功冲程内能转化为机械能。 提醒：(1)四冲程内燃机的一个工作循环中，活塞往复运动2次，曲轴运动2周，对外做功1次。汽油机仅在做功冲程获得动力，其他三个冲程靠惯性完成。 (2)热机压缩冲程和做功冲程能量转化的方向。
考点二　热值和热机效率及其计算
一、热值
1．概念：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，用符号q表示。
2．单位：固体、液体热值的单位是焦每千克，符号是J/kg；气体燃料热值单位为J/m3。
3．特点：热值是燃料的一种属性，只与燃料的种类有关，与燃料的形状、体积、质量和是否完全燃烧无关。
4．公式：固体、液体Q＝mq，质量单位为kg，热量单位为J；气体Q＝qV，体积单位为m3，热量单位为 J。
5．物理意义：热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
如木炭的热值为3.4×107 J/kg，其物理意义是每千克的木炭完全燃烧放出的热量为3.4×107 J。
二、热机的效率
1．概念：在热机里，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。
2．公式：η＝＝或η＝＝
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。
3．热机能量损失的主要途径：废气带走能量，散热损失，机器损失。
4．提高热机效率的途径：
①使燃料充分燃烧，尽量减小各种能量损失；
②机件间保持良好的润滑，减小摩擦；
③在热机的各种能量损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。
(1)燃料的热值越大，燃烧放出的热量越多。(　×　)
(2)热机做的功越多，热机的效率越高。(　×　)
(3)一杯酒精用掉一半，其质量变为一半，密度、比热容和热值都不变。(　√　)
(4)燃料燃烧越充分，热值越大。(　×　)
例3　(2022·广东节选)班级厨艺展示活动中，用煤气炉烹饪食物。活动结束，剩余煤气的热值________(选填“变大”“变小”或“不变”)。
分析　热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量。热值是燃料的一种特性，与质量、是否完全燃烧无关，只与燃料的种类有关。
答案　不变
例4　(2021·广东)如图为火箭发射的场景，火箭的燃料使用了液态氢，主要是因为它的________大，火箭发射升空时，燃料的化学能转化为________能，再转化为火箭的机械能，这个过程中火箭的机械能________(选填“守恒”或“不守恒”)。
分析　(1)运载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时，可以释放出更多的热量；并且所需的液态氢的体积小，便于储存和运输。(2)燃料燃烧将化学能转化为内能；火箭是热机的一种，工作原理是将内能转化为机械能；燃烧后产生的气体对火箭做功，又将内能转化为火箭的机械能，使得火箭的机械能增大，所以机械能不守恒。
答案　热值　内　不守恒
例5　(2022·广州)下列选项可能符合汽车热机能量流向的是(　　)
分析　(1)热机是利用内能来做功的机器。(2)热机的效率是指用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧所放出的总能量的比值。热机的效率比较低，汽车热机的效率通常为20%～30%左右。
答案　D
例6　(科学思维)(2023·佛山禅城区二模)近几年厂家通过对燃气灶炉头进行改造，可以让燃气灶的热效率达到60%以上。小可为了测出家中使用天然气的热值，将装有2 kg水的水壶放到天然气灶上去加热，当水从20 ℃加热至70 ℃时，天然气表的数字变化了0.02 m3，这个过程水吸收了________ J热量。若他家的天然气灶的效率约为60%，则天然气燃烧放出了________ J热量，天然气的热值约为________ J/m3。[水的比热容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)]
答案　4.2×105　7×105　3.5×107
解析　水吸收的热量：Q吸＝c水m水(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×(70 ℃－20 ℃)＝4.2×105 J。
由η＝可知，天然气完全燃烧放出的热量：Q放＝＝＝7×105 J，
则天然气的热值：q天然气＝＝＝3.5×107 J/m3。
名师点拨　人们获得能量的六种方式及其效率的计算方法： (1)煤炉：化学能→内能，η热＝＝。 (2)电热器：电能→内能，η热＝＝。 (3)太阳能热水器：太阳能→内能，η光热转换＝＝。 (4)光伏电池：太阳能→电能，η＝＝。 (5)热机：化学能→机械能，η＝＝。 (6)火力发电：化学能→电能，η＝＝。
考点三　能量的转化和守恒
1．能量的转化：在一定条件下，各种形式的能量是可以相互转化的。
2．能量守恒定律：能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
3．做功改变内能是能量的转化过程，而热传递改变内能是能量的转移过程。
4．能量的转化和转移具有一定的方向性。
例7　(2022·广东)如图表示四冲程汽油机处于__________冲程。汽车尾气带走的能量________(选填“能”或“不能”)自动汇集回来转化成燃料的化学能，这反映了能量的转化具有________。
分析　(1)掌握各冲程的特点是解题的关键。由进气门和排气门的关闭和打开情况、活塞的上行和下行情况来判断是汽油机工作时处于哪个冲程。(2)大量向外散失的能量不会再自动汇集回来，说明能量转化和转移具有方向性。
答案　排气　不能　方向性
例8　(2023·扬州)请补全下面知识结构图。
(1)__________；(2)__________；(3)__________。
答案　(1)转移　(2)做功　(3)弹性势能
解析　(1)热传递的实质是内能的转移；(2)做功的实质是能量之间的相互转化；(3)动能与势能之间的相互转化包括动能和重力势能之间的转化，以及动能和弹性势能之间的转化。
例9　(物理观念)(2023·广州)某路灯照明系统的太阳能电池白天将太阳能转化为电能，对蓄电池充电，晚上蓄电池对路灯供电，对如图方框中能量形式判断正确的是(　　)
A．甲是“电能” B．乙是“太阳能”
C．丙是“电能” D．丁是“机械能”
答案　C
解析　太阳能电池白天将太阳能转化为电能，对蓄电池充电，将电能转化为化学能；晚上蓄电池对路灯供电(放电)，路灯工作时将电能转化为光能和内能。其能量转化过程如下：太阳能→电能→化学能→电能→光能和内能。故选C。
名师点拨　能量的转移或转化是有方向性的，热传递过程中内能自发地从高温物体转移到低温物体；能量在转移和转化过程中存在损失，但能量的总量保持不变；判断能量转化时，要看消耗了什么能量，得到了什么能量，消耗的能量转化为得到的能量。
考点一　热机及效率
1.(综合能力)(2023·仙桃改编)一台单缸四冲程汽油机的飞轮转速为1 200 r/min，如图所示为它工作循环中的一个冲程。下列说法正确的是(　　)
A．汽油不是来源于化石能源 B．该冲程为做功冲程
C．该汽油机每秒对外做功20次 D．热机的功率越大，效率就越高
答案　B
解析　汽油来源于石油，石油是经过几百万年的演变形成的化石能源，所以汽油来源于化石能源，故A错误；由题图可知，进气门和排气门都关闭，火花塞点火，高温高压的燃气推动活塞向下运动，该冲程为做功冲程，故B正确；汽油机的飞轮转速为1 200 r/min＝20 r/s，即飞轮每秒转20圈，由于汽油机一个工作循环完成4个冲程，飞轮和曲轴转2圈，对外做功1次，所以该汽油机每秒对外做功10次，故C错误；功率是指热机做功的快慢，效率是用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的总能量的比值，效率和功率没有必然的联系，故D错误。
2．(2023·深圳模拟)如图甲为航母上简化的蒸汽弹射装置，能带动舰载机在两秒内达到起飞速度，如图乙为四冲程汽油机的工作示意图。下列判断不正确的是(　　)
A．汽油用掉一半之后，汽油的热值变成原来的一半
B．汽油机的压缩冲程是机械能转化为内能
C．从能量转化角度讲，蒸汽弹射装置工作时与图c所示的原理相似
D．图甲中汽缸内的蒸汽体积膨胀，从而推动活塞使舰载机获得牵引力
答案　A
解析　题图a是吸气冲程、题图b是压缩冲程、题图c是做功冲程、题图d是排气冲程。汽油用掉一半后，质量减半，但燃料种类不变、热值不变，故A错误；汽油机的压缩冲程是机械能转化为内能，故B正确；题图c中汽油机两气门都关闭，火花塞点火和活塞向下移动，是汽油机的做功冲程，也是内能转化为机械能的过程，与蒸汽弹射装置工作时的原理相似，故C正确；汽缸内蒸汽体积膨胀，对外做功，其内能减小，同时推动活塞，使舰载机获得巨大的牵引力，该过程中内能转化为机械能，故D正确。
3．(科学思维)(2023·茂名高州市模拟)内燃机的一个工作循环是由四个冲程组成的，若一台内燃机的飞轮转速是1 800 r/min，则它每秒完成________个冲程，对外做功________次。内燃机极大地改善了人类的交通运输方式，但同时也带来许多环境污染问题，内燃机工作时________冲程排放的废气会对大气造成污染。
答案　60　15　排气
解析　内燃机的飞轮转速是1 800 r/min＝30 r/s，由于在一个工作循环中，要完成4个冲程，活塞往复运动2次，飞轮和曲轴转2周，对外做功1次，所以它每秒完成60个冲程，对外做功15次；内燃机工作时排气冲程排放的废气会对大气造成污染。
考点二　热值和热机效率及其计算
4．(2021·深圳改编)下列说法正确的是(　　)
A．在压缩冲程中，柴油机比汽油机压缩程度高
B．同一种物体比热容一定相同
C．物体吸热时，温度一定升高
D．燃料的热值越大，热量越多
答案　A
解析　柴油机在点火方式上属于压燃式，所以在压缩冲程中，柴油机比汽油机压缩程度高，故A正确；同一种物体在状态不同时，比热容不同，故B错误；晶体熔化吸热，但温度保持不变，全部熔化后，继续吸热，温度又会上升，故C错误；燃料燃烧后放出的热量的多少与燃料的热值、燃料的质量、燃烧情况有关，只根据热值无法判定热量的多少，故D错误。
5.(2023·株洲)如图，在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间后，橡胶塞被冲出。则(　　)
A．管内水蒸气的内能不变 B．管内水蒸气对橡胶塞做了功
C．水所含的热量增加 D．灯中剩余酒精的热值变小
答案　B
解析　对试管加热，水吸收热量，温度升高，内能增大，故A错误；水吸热迅速地汽化，产生大量的水蒸气，水蒸气对橡胶塞做功，将橡胶塞推出去，水蒸气的内能转化为橡胶塞的机械能，内能减小，故B正确；热量是一个过程量，不能说物体含有多少热量，故C错误；热值是燃料的一种特性，与质量无关，只与燃料的种类和状态有关，所以剩余的酒精热值不变，故D错误。
6.(创新实验)(2019·广州)(1)完全燃烧1.4 g酒精释放的热量是完全燃烧0.7 g酒精释放热量的________倍。0.7 g酒精完全燃烧释放的热量是2.1×104 J。这些热量全部被100 g的液体A吸收，液体的温度升高了50 ℃；完全燃烧1.4 g酒精释放的热量全部被200 g的液体A吸收，液体的温度升高了Δt＝________ ℃(不考虑散热)。
(2)现用如图所示装置加热200 g的液体A，燃烧了1.4 g酒精，液体升高的温度小于Δt，有哪些原因会导致这个结果？_________________________________________________。
答案　(1)2　50　(2)加热过程中的各种热损失(或燃料没有完全燃烧)
解析　(1)热值是燃料的一种特性，根据Q＝mq可知，1.4 g是0.7 g的2倍，所以完全燃烧1.4 g酒精释放的热量是完全燃烧0.7 g酒精释放热量的2倍；液体A的比热容不变，完全燃烧1.4 g酒精释放的热量是完全燃烧0.7 g酒精释放热量的2倍，完全燃烧1.4 g酒精加热液体A的质量是完全燃烧0.7 g酒精加热液体A的质量的2倍，根据Q＝cmΔt可知，液体A升高的温度相同，为50 ℃。
(2)液体升高的温度小于Δt的原因：加热过程中的各种热损失，或燃料没有完全燃烧。
7．(科学思维)(2023·兰州)一辆燃油汽车沿平直公路匀速行驶了108 km，所用时间为1 h，消耗汽油10 kg，汽车在行驶过程中所受阻力恒为1 380 N(汽油的热值q汽油＝4.6×107 J/kg)。求：
(1)汽车行驶的速度；
(2)牵引力的功率；
(3)汽车发动机的效率。
解：(1)汽车行驶的速度v＝＝＝108 km/h＝30 m/s；
(2)汽车沿平直公路匀速行驶，受力平衡，根据二力平衡条件可知，牵引力F＝f＝1 380 N，
牵引力做的功W＝Fs＝1 380 N×108×103 m＝1.490 4×108 J，
牵引力的功率为P＝＝＝41 400 W；
(3)消耗的汽油完全燃烧放出的热量Q放＝mq汽油＝10 kg×4.6×107 J/kg＝4.6×108 J，
汽车发动机的效率η＝＝＝32.4%。
答：(1)汽车行驶的速度为30 m/s；
(2)牵引力的功率为41 400 W；
(3)汽车发动机的效率为32.4%。
考点三　能量的转化和守恒
8．(2022·深圳)2022年6月5日10时44分，搭载神舟十四号载人飞船的长征二号F遥十四运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。以下说法不正确的是(　　)
A．火箭发射前内能为零
B．火箭的燃料热值大
C．火箭燃料的化学能不可能全部转化为机械能
D．加速升空过程中火箭的机械能增大
答案　A
解析　一切物体都有内能，故火箭发射前的内能不为零，故A错误；火箭燃料使用液态氢，是因为它的热值大，完全燃烧相同质量的氢时，可以释放出更多的热量，故B正确；火箭燃料的化学能先转化为内能，内能对外做功，转化为机械能，在能量转化的过程中，有能量的散失，故C正确；火箭在加速升空的过程中，火箭的质量不变，速度变大，动能增大；质量不变、高度增大，重力势能增大，故火箭的机械能增大，故D正确。
9.(2021·广州)如图，太阳能汽车利用太阳能电池将太阳能转化为电能，储存在车上的蓄电池内，为汽车提供动力。下列说法正确的是(　　)
A．太阳能是一种不可再生能源
B．蓄电池为汽车提供动力时，将电能转化为化学能
C．太阳能汽车不能将接收到的太阳能全部转化为机械能
D．太阳能汽车将太阳能转化为内能，再将内能转化为动能
答案　C
解析　太阳能可以在自然界源源不断地得到，属于可再生能源，故A错误；蓄电池为汽车提供动力时，先将化学能转化为电能，然后将电能转化为机械能，故B错误；由于在能量的转化或转移的过程中存在能量的散失，所以太阳能汽车不能将接收到的太阳能全部转化为机械能，故C正确；太阳能汽车将太阳能转化为电能，再将电能转化为其他形式的能，故D错误。
10．(科学态度与责任)关于能量守恒定律，下列说法正确的是(　　)
A．能量守恒定律只适用于机械能与内能之间的相互转化
B．摩擦生热是创造了热，并不符合能量守恒定律
C．按照能量守恒定律，宇宙中能量的总量永远不会增减
D．能量守恒定律只适用于能量转化的过程
答案　C
11.(科学思维)(2023·揭阳普宁市二模)如图所示，某同学用燃气灶烧水给餐具消毒。已知密闭锅内水的质量为5 kg，水的初温为22 ℃，当水刚好烧开时，共消耗了0.06 m3的天然气，该燃气灶烧水的热效率为70%。0.06 m3的天然气完全燃烧所放出的热量为________ J，以上过程中，水吸收的热量为________ J，密闭的锅内水烧开时的温度为________ ℃。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，天然气的热值为4.0×107 J/m3]
答案　2.4×106　1.68×106　102
解析　0.06 m3的天然气完全燃烧放出的热量为：Q放＝Vq＝0.06 m3×4.0×107 J/m3＝2.4×106 J。
水吸收的热量为：Q吸＝η Q放＝70%×2.4×106 J＝1.68×106 J。
根据Q吸＝cm(t－t0)可知，密闭的锅内水烧开时的温度为：
t＝＋t0＝＋22 ℃＝102 ℃。
12．(科学思维)(2020·广州)某地区把多余电能E1送往制氢装置产生氢气，电能不足时，通过发电装置把这部分氢气燃烧释放的能量转化为电能E2送回电网。
(1)氢气的热值是1.4×108 J/kg,20 kg氢气完全燃烧放出的热量是________ J。
(2)下列属于可再生能源的是________。
①风能　②煤　③太阳能
(3)E1________(选填“＞”“＝”或“＜”)E2。
答案　(1)2.8×109　(2)①③　(3)＞
解析　(1)20 kg氢气完全燃烧放出的热量Q放＝mq＝20 kg×1.4×108 J/kg＝2.8×109 J。
(2)可以从自然界源源不断地得到的能源称为可再生能源，故属于可再生能源的是风能和太阳能。
(3)多余电能E1送往制氢装置产生氢气，电能不足时，通过发电装置把这部分氢气燃烧释放的能量转化为电能E2，由于能量在转化过程中存在损失，故E1＞E2。