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第四节 热机效率和环境保护
目标要求 核心素养提升
1.会查燃料的热值表。能根据燃料的热值计算一定质量的燃料完全燃烧所释放的热量。
2.能说出热机工作时燃料释放的能量的主要流向,能说出提高热机效率的途径。
3.能举例说明燃料燃烧产生的排放物对环境的影响。
1.通过探究不同物质的放热能力,让学生经历实验的设计、优化、改进、交流与合作,提高学生的动手能力,培养小组合作的人文精神。
2.通过建立热机效率的概念、进行简单的热机效率的计算,提高学生的分析能力和计算能力。
3.通过从科学角度认识热机有关的环境方面的知识,培养自觉的环保意识。
一、热值
1.定义:某种燃料 放出的热量与所用该燃料的质量之比;用符号 表示。
2.意义:是一个描述燃料完全燃烧 本领大小的物理量。
3.单位: 或 。
[注意] 只与燃料的种类有关,与燃料的形状、体积、质量、位置以及是否完全燃烧等因素 无关。
4.热值的物理意义:酒精的热值是3.0×107 J/kg,表示的物理意义是 酒精 _释放的热量是 。
5.燃料完全燃烧释放热量多少的计算
(1)对于固体或液体燃料:Q= ,式中m表示 ,单位是 ;q表示
,单位是 ;由此公式可推出m= 。
完全燃烧
q
放热
J/kg
J/m3
1 kg
完全燃烧
3.0×107 J
mq
燃料的质量
kg
燃料的热值
J/kg
(2)对于气体燃料:Q= ,式中V表示 ,单位是 ;q表示 ,
单位是 ;由此公式可推出V= 。
二、热机的效率
1.热机工作过程中的能量走向
(1) 带走的能量。
(2)由于机械转动, 所消耗的能量。
(3)燃料很难 ,燃料的化学能不能全部释放。
(4)机械 一部分能量。
(5)热机 的能量。
2.内能的利用
(1)利用内能来 。
(2)利用内能来 。
Vq
燃料的体积
m3
燃料的热值
J/m3
废气排出
克服摩擦
完全燃烧
传热损失
有效利用
做功
加热
3.定义:热机运转中,对外做的 与 的能量的比值;用符号
表示。
4.公式: ;由此公式可推出W有= ,Q总= 。
5.提高热机效率的主要措施
(1)使燃料尽可能 。
(2)减少热机工作过程中的 。
(3)改进 。
(4)注意保养,加 ,减少各种零部件间的 。
(5) 再利用。
三、环境保护
热机对环境的污染主要包括: 和噪声污染。
有用功
燃料完全燃烧所释放
η
ηQ总
充分燃烧
各种热损失
机械结构
润滑油
摩擦
废气或尾气
废气
知识点一 燃料的热值及热量的计算
1.关于燃料的热值,以下说法中正确的是( )
A.燃烧1 kg某种燃料放出的热量叫做这种燃料的热值
B.燃料燃烧时,质量越大,热值越大
C.燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的热值小
D.燃料的热值与燃料的种类有关系,与燃料的质量或体积无关
2.完全燃烧2 kg酒精放出的热量是5.0×107 J,则酒精的热值为( )
A.5.0×107 J/kg B.2.5×107 J/kg
C.5.0×107 J D.2.5×107 J
3.汽油的热值为4.6×107 J/kg,现有汽油 2 kg,选其中一半完全燃烧,放出的热量是
J,剩余汽油的热值是 J/kg。
D
B
4.6×107
4.6×107
4.(2023昆明三中期末)李白在《望庐山瀑布》中写道:“日照香炉生紫烟”,这是通过
(选填“做功”或“热传递”)的方式来改变香炉的内能;如果用天然气灶来加热2 kg 水,使其温度上升50 ℃,则需要完全燃烧天然气 m3。[不考虑热量损失,c水=4.2× 103 J/(kg·℃),q天然气=4.2×107 J/m3]
热传递
0.01
知识点二 热机效率
5.下列关于热机和环境保护的说法中正确的是( )
A.热机的效率是描述热机性能的重要指标
B.当前热机的效率可以达到100%
C.汽车排出的尾气越浓,汽油机的效率越高
D.热机是通过燃料的燃烧获取化学能并转化为机械能的装置
6.图(甲)是某四冲程汽油机工作时的能量流向图,图(乙)是其中一个冲程的示意图,则下列说法正确的是( )
A.该汽油机的效率是60%
B.汽油机的效率越高,说明做功越快
C.该冲程是压缩冲程
D.该冲程是内能转化为机械能的过程
A
D
知识目标 题号 目标达成 (题号) 不足
之处
燃料热值 3,4,6,7, 8,10,12
热机效率 1,2,5,9, 11,13,14
1.甲、乙两台热机燃料种类和燃烧情况相同,甲的效率比乙的低,这表明( )
A.甲热机比乙热机做的有用功少
B.甲热机比乙热机消耗的燃料多
C.在做有用功相同的条件下,消耗同种燃料,甲比乙的多
D.在做有用功相同的条件下,甲损失的能量比乙少
2.为了节约能源,需要提高热机的效率,下列措施不能提高热机效率的是( )
A.让燃料与空气混合充分,使燃料燃烧得比较完全
B.在设计与制造热机时要不断改进与创新,以减少能量的损失
C.尽量减少热机内部各部件间的摩擦
D.尽量增加热机的工作时间
C
D
3.如图是A,B两种燃料完全燃烧释放的热量Q与其质量m的关系图像,则下列说法中正确的是
( )
A.燃料A的热值比B的大
B.燃料质量越大,其热值越大
C.燃料燃烧越充分,其热值越大
D.燃料热值越大,燃烧效率越高
4.如图所示是“探究不同物质吸热升温的现象”和“比较不同燃料燃烧时放出的热量”的
(甲)、(乙)两组实验装置。下列关于该两组实验的说法正确的是( )
A.每组实验中,燃料的质量均应相等
B.每组实验中,杯中物质的质量均应相等
C.(甲)组实验中,可以根据温度计示数的变化来比较吸热的多少
D.(乙)组实验中,可以根据加热时间的长短来比较吸热的多少
A
B
5.小明用酒精灯将质量为100 g、初温为20 ℃的水加热到90 ℃(未沸腾),共燃烧了7 g酒精[c水=4.2×103 J/(kg·℃),酒精的热值为q=3×107 J/kg]。则( )
A.水吸收的热量是2.94×107 J,效率为14%
B.水吸收的热量是2.94×104 J,效率为14%
C.水吸收的热量是2.94×107 J,效率为1.4%
D.水吸收的热量是2.94×104 J,效率为1.4%
6.(2023广东)如图所示,用甲、乙两种燃料分别对质量和初温相同的水进行加热,两图装置均相同。燃料的质量用m表示,燃料充分燃尽时水升高的温度用Δt表示(水未沸腾)( )
B
D
7.(多选题)标准大气压下,利用焦炭对10 kg,20 ℃的水进行加热时,完全燃烧了0.14 kg。已知水的比热容为 4.2×103 J/(kg· ℃),焦炭的热值为 3×107 J/kg,该热水器烧水的效率是50%。下列说法中正确的是( )
A.焦炭完全燃烧放出的热量是4.41×103 J
B.水吸收的热量是2.1×106 J
C.水温升高了50 ℃
D.加热过程中水的内能保持不变
8.如图所示,用力将活塞迅速下压,玻璃筒内的硝化棉燃烧起来,该过程能量是由 能转化为 能,这一特点与汽油机 冲程相同。完全燃烧0.5 kg的汽油,放出的热量是 J。(已知汽油的热值为4.6×107 J/kg)
BC
机械
内
压缩
2.3×107
9.(2023荆州)使用清洁能源天然气有助于国家提出的2060年前实现碳中和的目标。小明同学用他家的天然气灶将质量为2 kg,初温为15 ℃的水加热到95 ℃,水吸收的热量是 J:若此过程的热效率为40%,则此过程消耗天然气 m3。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),天然气的热值为4.2×107 J/m3]
10.用液化气灶烧水,把1.5 kg初温为20 ℃的水加热到100 ℃,需要吸收的热量为
J。若上述过程中完全燃烧了0.021 kg液化气,且只有60%的热量被水吸收,则液化气的热值为 J/kg。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
11.0.5 kg汽油完全燃烧后放出热量的42%被质量为100 kg、初温为25 ℃的水吸收,可使水温升高到 ℃。[q汽油=4.6×107 J/kg,c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
6.72×105
0.04
5.04×105
4×107
48
12.如图所示,(甲)、(乙)、(丙)三图中的装置完全相同,图中搅拌器未画出。燃料的质量都为10 g,烧杯内的液体初温相同。
(1)若要比较不同燃料的热值,应选择 两图进行实验。
(2)实验中,用液体 (选填“加热时间”或“升高的温度”)来表示两种燃料释放热量的多少。
(甲)(乙)
升高的温度
13.(2023广东节选)汽油机是热机的一种,请回答以下问题。
(1)如图所示是汽油机的能量流向图,其效率为 ×100%(用图中的符号表示)。
(2)某汽车在水平路面上行驶,共消耗了0.5 kg 汽油。[汽油热值q=4.6×107 J/kg,水的比热容c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
①假如汽油完全燃烧,则释放的热量是 J;
②若其释放热量的20%被初温为20 ℃质量为100 kg的水完全吸收,水升高的温度是 ℃
(保留整数)。
2.3×107
11
14.如图是新农村建设中广泛使用的一种小型农用柴油机,铭牌部分信息如下表所示,其中活塞行程是指一个冲程活塞移动的距离。该柴油机为单缸四冲程内燃机,压缩冲程中气缸内气体的内能增加是通过 方式实现的;正常工作 1 min,柴油机输出的有用功为
J,消耗柴油 kg,做功冲程中燃气对活塞的平均压力为 N。(q柴油=4.0×107 J/kg)
做功
4.8×105
0.03
4 000
型号 ×××
活塞行程 100 mm
转速 2 400 r/min
输出功率 8 kW
效率 40%
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第十三章 内能与热机
第一节 物体的内能
目标要求 核心素养提升
1.让学生了解内能是组成物体的分子无规则运动的动能和分子间相互作用的势能的总和。
2.从生活中的实例或实验入手,通过讨论、分析让学生了解做功和热传递是改变物体内能的两种方式。
3.了解热量是热传递过程中物体内能改变的多少。
1.通过生活中的实例,让学生了解内能是能量的一种重要形式,与人们的生活息息相关。
2.让学生通过对实例或实验中的热传递和做功过程的分析,了解物体吸热、放热对内能改变的影响,知道外界对物体做功和物体对外做功物体内能变化的规律。
一、物体的内能
1.物体内 分子无规则运动的 ,以及分子 的 叫做物体的内能。
2.内能的国际单位是: ,符号为“ ”。
3.影响因素:物体的内能与物体的 、质量、状态及物质种类等因素有关。
4.分子的热运动:物理学中把 运动又叫做分子的热运动。
二、改变物体内能的两种途径
1.改变物体内能的两种途径: 和热传递。
2.做功改变内能的实质是内能与其他形式的能之间的 。热传递改变内能的实质是内能的 。
3.热传递改变内能的三种形式: 、 、 。
所有
动能
势能
总和
焦耳
J
温度
分子的无规则
做功
转化
转移
热传导
对流
热辐射
三、热量
1.定义:在热传递过程中,物体间 传递的多少称为热量。
2.热量的符号:常用字母 表示。热量的单位:常用单位是 ,符号为“ ”。
[注意] 热量是热传递过程中转移的那部分内能,是一个过程量,常说“吸收热量”或“放出热量”,不能说物体“具有热量”或“含有热量”等;物体吸收或放出热量的多少与物体内能的多少、温度的高低等均无关。
内能
Q
焦耳
J
知识点一 物体的内能
1.关于内能,下列说法中正确的是( )
A.0 ℃的冰块的内能为零
B.温度高的物体比温度低的物体的内能多
C.物体的温度降低,则物体的内能减少
D.质量大的物体的内能一定比质量小的物体的内能多
2.如图所示是某物质凝固过程中的温度-时间图像,下列从图像中获得的信息正确的是( )
A.这种物质是非晶体
B.在AB段物质放出热量,内能不变
C.在BC段物质温度保持不变,内能不变
D.在BC段物质温度保持不变,内能减小
C
D
知识点二 改变内能的两种途径
3.(2023重庆改编)下列说法中正确的是( )
A.物体内能增加,一定是外界对物体做了功
B.冬天在火炉旁烤手是通过热传递改变手的内能
C.反复弯折铁丝是通过热传递改变铁丝的内能
D.将冰块放入饮料中,使饮料的温度降低,是通过做功改变饮料的内能
4.小颖同学用力向下压的时候,我们观察到空气压缩仪中的硝化棉燃烧起来了,这是通过
(选填“做功”或“热传递”)方式改变物体的内能;对物体做功,物体的内能
(选填“一定”或“不一定”)增大。
B
做功
不一定
知识点三 温度、内能、热量的区别和联系
5.关于热量、内能、温度间的关系,下列说法中,正确的是( )
A.物体吸收了热量,它的温度一定升高,内能一定增加
B.物体温度升高了,它的内能一定增加,一定吸收了热量
C.物体内能增加了,它一定吸收了热量,温度一定升高
D.物体吸收了热量,它的内能一定增加,温度可能升高
D
温度、内能、热量三者的区别和联系
(1)区别
①温度:一切物体任何时候都有温度。
②内能:能量的一种形式,可以转化或转移。物体的内能不会为零,通常用“具有”来修饰。
③热量:在热传递过程中传递能量的多少是过程量。用“吸收”或“放出”来表述,而不能用“具有”或“含有”表述。
(2)联系
说明:箭头方向表示由某个量的变化会不会引起另一个量的变化;“一定”和“不一定”是指物理量变化的情况。
知识目标 题号 目标达成 (题号) 不足
之处
物体的内能 2,7
改变物体 内能的途径 1,3,4,6,8,9
温度、内能、热 量的区别和联系 5
1.下列实例,通过做功改变物体内能的是( )
A.晒太阳 B.搓手取暖
C.用电褥子取暖 D.向双手哈气取暖
2.四只相同规格的烧杯中装有水,水量及其温度如下图所示,关于四只烧杯中水的内能的大 小,下列判断正确的是( )
A.a烧杯中水的内能大于b烧杯中水的内能
B.c烧杯中水的内能大于d烧杯中水的内能
C.a烧杯中水的内能大于c烧杯中水的内能
D.d烧杯中水的内能大于c烧杯中水的内能
B
D
3.如图所示,是载有“天问一号”的火箭发射升空时的情景,下列描述正确的是( )
A.火箭发射时出现的大量“白气”是汽化现象
B.火箭点火升空过程中是由机械能转化为内能
C.火箭喷出燃气后周围空气分子的热运动减缓
D.燃气主要通过热传递使周围的空气内能增大
4.(2023云南改编)关于云南特色小吃“过桥米线”。以下说法正确的是( )
A.热汤表面的油层加快了汤汁的蒸发
B.加入米线后,热汤从米线吸收热量
C.放入热汤中的肉片很快熟了,是通过做功的方式增加了内能
D.汤的香气扑鼻,说明分子在不停地做无规则运动
D
D
5.关于温度、内能、热量的说法正确的是( )
A.物体的温度升高,内能一定增大,但不一定吸收热量
B.物体吸收热量,内能一定增大,温度一定升高
C.物体的内能增大,一定是吸收了热量
D.物体的温度升高,一定是其他物体对它做了功
6.(多选题)如图所示,在大口厚玻璃瓶内装入少量的水,并滴入几滴酒精。塞紧瓶塞后,用打气筒往瓶内打气,当瓶塞跳出时,看到瓶口有白雾出现,下列关于该实验的分析正确的是
( )
A.往瓶内打气时,外界对瓶内气体做功
B.往瓶内打气时,瓶内气体内能变小
C.瓶塞跳出时,瓶内气体温度降低
D.瓶塞跳出时,瓶内气体对外做功
A
ACD
7.(2023昆明)小明家有两口轻重不同的铁锅,长期使用的过程中发现:把菜倒入火辣辣的锅 中,如果用重的那口,火力依旧,很适合“爆炒”;如果用轻的那口,火力大减,立刻就变得“温吞吞”的。这是因为重的那口锅,内能较 ,温度降低得较 。
8.如图所示,是一种罐装气雾杀虫剂,当用手指按住罐顶处的按钮时,罐内被压缩的液化杀虫剂就会喷洒出来,过一会儿罐体的温度 (选填“升高”或“降低”),这主要是因为罐内被压缩的液化杀虫剂喷洒出来时对外做功,使其内能 (选填“增大”或“减小”)。拉丝棉花糖的制作非常简单,将糖粉放在高温容器里,由于 (选填“做功”或“热传递”)使糖的温度升高熔化成糖浆,高速旋转的容器将糖浆从容器的小孔甩出,遇到冷的空气迅速 (填物态变化名称)成糖丝。
大
慢
降低
减小
热传递
凝固
9.(拓展探究题)如图所示,把一个薄壁金属管固定在支架上,管中装些酒精,然后用软木塞塞紧,用皮条缠绕在金属管上,迅速来回拉动皮条,过一会儿会看到软木塞被顶开。根据实验现象回答下列问题。
(1)来回拉动皮条,使金属管的温度升高,这是通过 方式改变物体内能。
(2)金属管内酒精温度升高,这是通过 方式改变物体内能。
(3)酒精蒸气将木塞顶开后,其内能 (选填“增加”或“减少”),转化为木塞的
(选填“机械”或“内”)能。
(4)酒精蒸气将木塞顶开时,金属管口出现的“白气”是 (选填“汽化”或“液化”)现象。说明酒精蒸气将木塞顶开后,其温度 (选填“升高”“降低”或“不变”)。
做功
热传递
减少
机械
液化
降低
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第2课时 比热容的应用和热量计算
一、水的比热容较大的应用
1.由比热容表可知, 的比热容较大。
2.水的比热容较大的应用:(1)用冷水作汽车发动机的 ;(2)用热水 ;(3)调节 ;(4)防冻。
二、热量计算
1.放热:在热传递过程中,高温物体温度 ,内能 ,它要 热量,此时放出的热量Q放= 。
2.吸热:在热传递过程中,低温物体温度 ,内能 ,它要 热量,此时吸收的热量Q吸= 。
[注意] 升高(或降低)了是指变化的温度t2-t1(或t1-t2),升高(或降低)到是指物体的末温t2。
水
冷却剂
取暖
气候
降低
减小
放出
cm(t1-t2)
升高
增加
吸收
cm(t2-t1)
知识点一 比热容的应用
1.下列实例中与“水的比热容较大”这一特性无关的是( )
A.沿海地区的气温比内陆变化小
B.汽车发动机用水作冷却液
C.夜晚向稻田里放水以防冻坏秧苗
D.发现人中暑时,常在额头上擦冷水降温
2.汽油机工作时需要用冷却液进行降温,是利用了冷却液的 大的特性。
D
比热容
知识点二 热量的计算
3.已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),若质量为1 kg的水加热后温度升高了 50 ℃,则水吸收的热量为 J。
4.水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),将4 kg 的水倒掉一半,剩下的水的比热容是
,结冰后它的比热容将 (选填“改变”或“不变”);初温为20 ℃,质量为1 kg的水吸收3.78×105 J热量后温度将升高 ℃。(当地为标准大气压)
5.沙漠地区昼夜温差大,主要原因是砂石的 较小。初温为20 ℃,质量为 50 kg 的砂石吸收3.6×106 J的热量后,温度升高到 ℃。[砂石的比热容约为0.9×103J/(kg·℃)]
2.1×105
4.2×103 J/(kg·℃)
改变
80
比热容
100
6.(易错题)小华在家中用电热水壶烧水,已知水的质量为2 kg,水的比热容为 4.2×
103 J/(kg·℃)。
(1)将水从20 ℃加热到70 ℃需要吸收多少热量
(2)将水从20 ℃加热70 ℃需要吸收多少热量
解析:(1)将水从20 ℃加热到70 ℃需要吸收热量为
Q吸=cm(t2-t1)=4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×(70 ℃-20 ℃)=4.2×105 J。
(2)将水从20 ℃加热70 ℃需要吸收热量为
Q吸=cmΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×70 ℃=5.88×105 J。
答案:(1)4.2×105 J (2)5.88×105 J
利用比热容计算热量
(1)明确几个温度的含义:“升高(降低)了”是指变化的温度,而“升高(降低)到”是指物体的末温。
(2)物体温度升高时吸收的热量Q吸=cm(t2-t1)。
(3)物体温度降低时放出的热量Q放=cm(t1-t2)。
知识目标 题号 目标达成 (题号) 不足
之处
比热容的应用 3,4,6,9
热量的计算 1,2,5,7,8,10
1.水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),1 kg的水温度从50 ℃降低到30 ℃,放出的热量为
( )
A.1.26×105 J B.8.4×104 J
C.2.4×105 J D.2.1×105 J
2.小东根据下图提供的信息得出以下四个结论,其中正确的是( )
A.我国北方楼房中的“暖气”用水作介质,是因为水的比热容小
B.质量相等的水和沙子,吸收相同热量,水比沙子升高的温度多
C.质量和初温都相等的沙子和铁,吸收相同热量后,沙子的温度比铁高
D.质量和初温都相等的铁块和铝块,放出相同的热量后,铁块比铝块温度低
B
D
3.在玻璃瓶内装入约半瓶细沙,盖上瓶盖,包裹一层泡沫塑料,迅速振动瓶子几十次,细沙温度升高,这是用 方法使沙子的内能增大,泡沫塑料的作用是 ;如果换成水做该实验,升温不明显是因为水的 大。
4.昆明是一个美丽的城市,气候宜人,被称为“春城”,而滇池里的水对昆明的气候起到了很好的调节作用,是因为水的比热容 (选填“大”或“小”)。但由于工业和交通每天消耗大量燃料,大部分成为环境热源,城市人口过多、高楼林立等原因,此外城市中的钢筋混凝土等建筑材料的比热容 (选填“较大”或“较小”),从而使市区温度比乡村温度高,这就是人们常说的热岛效应。近几年来,昆明市区增加了大量绿地,绿地中的人工湖具有“吸热”功能,某人工湖的湖水质量约为2×107 kg,当水温升高 5 ℃时,则湖水吸收的热量为
J,盛夏时节能大大减弱周围地区的上述效应。 [已知c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
5.两块铁块的质量之比为2∶1,升高的温度之比为3∶2,则两铁块的比热容之比为 ,吸收的热量之比为 。
做功
保温
比热容
大
较小
4.2×1011
1∶1
3∶1
6.(2023安徽)用相同的电加热器给初温及质量均相同的甲液体和水加热,两种液体每秒吸收的热量相同,这两种液体的温度—时间的图像如图所示。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
(1)从开始加热到第1 min,两种液体吸收热量的关系为Q甲 (选填“>”“=”或“<”)Q水;甲升高的温度为Δt甲,水升高的温度为Δt水,则Δt甲∶Δt水= 。
(2)甲的比热容为 J/(kg·℃)。
=
2∶1
2.1×103
7.(2023昆明改编)如图是“探究物质吸热规律”的实验装置。
(1)取质量相同的水和煤油分别放入两个 的容器里,用两盏同样的酒精灯对它们进行加热,升高 温度时比较它们吸收热量的多少,来衡量谁的吸热能力较强。
(2)在对水和煤油加热的方式上,有酒精灯和电加热器两种热源可供选择,选用 更容易控制让煤油和水吸收的热量相同。
相同
相同
电加热器
8.在“探究物质的放热能力与哪些因素有关”时,分别用质量均为1 kg的水和某种液体进行对比实验,并对数据进行处理得到如图所示图像。实验过程中,水和某种液体在相同时间内放出的热量相等,分析图像可以得出: (选填“甲”或“乙”)物质是某种液体,某种液体的比热容为 J/(kg·℃)。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
乙
2.1×103
9.(2023济南)炎炎夏日,小梅来到美丽的海滨城市青岛。她发现,在这里白天的风常常从海面吹向陆地,而每到夜晚风却从陆地吹向海面。她利用学过的物理知识进行分析,并画出陆地和海面之间空气流动情况的示意图,如图所示。形成这一现象的主要原因是( )
A.海水的密度小于砂石的密度
B.海水的密度大于砂石的密度
C.海水的比热容小于砂石的比热容
D.海水的比热容大于砂石的比热容
D
10.工匠用钢铁打制刀具时,有一个重要流程叫“淬火”,把刚打制成型的刀具放到火炉中充分煅烧,然后将其迅速放入水中骤冷。现有一成型的合金钢刀具的质量为1 kg,温度为20 ℃,放入836 ℃的炉火中煅烧足够长时间,迅速取出放入5 kg,20 ℃的水中冷却,最后与水达到共同的温度。[不计过程中的热量损失,c水=4.2×103 J/(kg·℃),c合金钢=0.42×
103 J/(kg·℃)]求:
(1)此刀具在火炉中吸收了多少热量
解析:(1)合金钢刀具放入836 ℃的火炉中煅烧足够长时间,达到热平衡,刀具与炉火的温度相同,所以合金钢刀具的末温t2=836 ℃,则此刀具在火炉中吸收的热量
Q吸=c合金钢m合金钢(t2-t1)=0.42×103 J/(kg·℃)×1 kg×(836 ℃-20 ℃)=3.427 2×105 J。
答案:(1)3.427 2×105 J
(2)淬火后水的温度为多少摄氏度
解析:(2)将煅烧后的刀具迅速取出放入20 ℃的水中冷却,最后刀具与水达到共同的温度,设为t′,则有Q水吸=Q合放,即c水m水(t′-t1′)=c合金钢m合金钢(t2-t′),
代入数据4.2×103 J/(kg·℃)×5 kg×(t′-20 ℃)=0.42×103 J/(kg·℃)×1 kg× (836 ℃-t′),解得t′=36 ℃。
答案:(2)36 ℃
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第二节 科学探究:物质的比热容
目标要求 核心素养提升
1.能通过实验探究得出不同物质的吸热能力不同。
2.了解比热容的概念,知道比热容是物质的一种性质。
3.能够利用比热容知识解释生活中的一些 现象。
4.会进行简单的吸热计算。
1.体验实验探究过程,提高实验操作和分析问题的能力。
2.尝试用比热容概念说明简单的自然现象,锻炼分析能力和语言表达能力。
3.通过简单的计算,培养学生严谨的科学态度及逻辑思维能力。
第1课时 探究物质的比热容
一、探究物质吸热或放热规律
1.猜想:根据生活经验,我们会发现烧一壶水所用的时间比烧半壶水所用的时间要长,说明物体所吸收的热量的多少与 有关。把一壶水烧成开水比烧成温水所用的时间长,说明了物体吸收热量的多少与 有关。
2.实验器材:两个酒精灯且两灯火焰基本 ,两只完全相同的烧杯、 相等的水和煤油,两支温度计、两支搅拌器、两个铁架台、 、火柴、天平。
3.实验结论
(1)相同质量的同种物质,吸收相同的热量,升高的温度 。
(2)相同质量的不同物质,吸收相同的热量,升高的温度 。
质量
温度变化量
相同
质量
钟表
相等
不一定相等
4.由实验可知:水吸收热量的多少跟 、 有关,对于同一种物质,
越大, 越多,则它吸收的热量越 。
5.反思评估:各组实验数据差异较大的可能原因:一是 不相同,建议使用规格相同的电加热器;二是实验中有 。
6.研究方法: 和 ,吸收热量的多少由 体现出来。
二、比热容
1.定义:物理学规定,比热容的大小等于一定质量的某种物质在温度升高(或降低)时吸收(或放出)的 与它的质量和升高(或降低)温度的乘积 。
2.符号: 。
3.单位: ,读作 。
4.公式:c= 。
质量
温度变化量
质量
温度变化
多
热源
热量损失
控制变量法
转换法
加热时间的长短
热量
之比
c
J/(kg·℃)
焦耳每千克摄氏度
5.水的比热容是 ,其物理意义是1 kg的水温度升高(或降低) _吸收(或放出)的热量是 。
6.特性:比热容是物质的一种 ,只与物质的 和 有关,与物体吸收或放出热量的多少 ;与物体的质量 ;与物体温度的变化量 。
4.2×103 J/(kg·℃)
1 ℃
4.2×103 J
特性
种类
状态
无关
无关
无关
知识点一 探究物质吸热或放热规律
1.在“探究不同物质吸热的情况”的实验中,实验装置如图所示。
加热时间/min 0 1 2 3 4 5 6
甲的温度/℃ 18 22 26 30 34 38 42
乙的温度/℃ 18 30 42 54 66 78 90
(1)要完成该探究实验,除了图中所示的器材外,还需要的测量工具有天平和 。
(2)实验中应量取质量 的甲、乙两种液体,分别倒入相同的烧杯中,用相同的电加热器加热,目的是 。
(3)物质吸收热量的多少无法用测量工具测出来。本实验是通过控制 的长短,来控制吸收热量的多少。实验中从开始加热到42 ℃,甲、乙两种液体吸收热量的关系:Q甲
Q乙。
(4)分析数据可知:该同学是用加热相同的时间,比较升高的温度的方法来判断不同物质的吸热本领的。乙升高的温度多,所以乙的吸热能力 。
(5)分析数据可知:如果要使甲和乙的最后温度相同,就要给 加热较长的时间,说明其吸收热量较多,从而也能比较甲、乙的吸热能力强弱。
停表
相等
使甲、乙两种液体相同时间吸收相同的热量
加热时间
>
弱
甲
知识点二 物质的比热容
2.一杯水倒掉一半,剩余水的比热容( )
A.变大 B.变小
C.不变 D.无法确定
3.关于比热容的概念,下列说法错误的是( )
A.比热容是物质的特性之一
B.冰、水、水蒸气是同种物质,它们的比热容相同
C.比热容与物质的质量无关
D.比热容与物体吸收或放出的热量的多少无关
C
B
4.如表列出一些物质的比热容,根据表中数据,下列判断正确的是( )
C
物质 水 煤油 冰 铝 铜
比热容/ (J·kg-1·℃-1) 4.2 ×103 2.1 ×103 2.1 ×103 0.88 ×103 0.39
×103
A.不同物质的比热容一定不同
B.物质的物态发生变化,比热容不变
C.质量相等的铝和铜升高相同的温度,铝吸收的热量更多
D.质量相等的水和煤油吸收相同的热量,水升高的温度更多
比热容的特点
(1)比热容的大小只取决于物质的种类及状态。
(2)对于同一种物质,比热容的值与物质的状态有关。
(3)不同物质的比热容一般不同,利用物质的这种特性可以鉴别物质。
(4)比热容的大小反映了物质温度改变的难易程度,物质的比热容越大,其温度越不容易 改变。
知识目标 题号 目标达成 (题号) 不足
之处
探究物质吸热 或放热规律 4,9,11,14
物质的比热容 1,2,3,5,6,7, 8,10,12,13
1.一杯酒精倒去一半后,余下酒精的( )
A.比热容和密度都变为原来的一半
B.比热容变为原来的一半,密度不变
C.比热容不变,密度变为原来的一半
D.比热容和密度都不变
D
D
3.关于物质的比热容,下列说法中正确的是( )
A.物体吸收的热量越多,比热容越大
B.物质的质量越大,比热容就越大
C.比热容是物质的一种性质,跟物体的质量、温度变化的多少以及物体吸放热量的多少都
无关
D.物质的状态发生变化时其比热容一般不变
4.物理兴趣小组的同学做“比较不同物质的吸热能力”的实验,他们使用了如图所示的装置。在设计实验方案时,需要确定以下控制的变量,你认为其中多余的是( )
A.采用完全相同的加热方式
B.水和未知液体的初温相同
C.取相同质量的水和另一种液体
D.加热水和加热液体的烧杯相同
C
B
5.依据表格中的数据,下列说法正确的是( )
D
物质 比热容c/[J·(kg·℃)-1]
水 4.2×103
煤油 2.1×103
砂石 0.92×103
A.一杯水倒出一半,杯内剩余水的比热容变小
B.质量相等的水和砂石放出相等的热量,水的温度降低得较多
C.水的比热容表示水的温度升高1 ℃吸收的热量是4.2×103 J
D.质量相等的水和煤油,吸收相等的热量,煤油的温度升高得较多
6.从教材比热容表中可知,水的比热容比煤油的大,用规格相同的两个试管分别装上质量相同的煤油和水,隔着石棉网用相同热源同时对两试管均匀加热,实验后,画出如图所示的图像,其中能正确反映该实验情况的图像是( )
7.(多选题)如图所示,规格相同的容器(忽略其吸热)装了相同质量的同种液体,用不同的加热器加热,忽略热损失,得到如图所示的液体温度与加热时间的图像,下列正确的是( )
A.甲、乙的比热容之比为5∶6
B.甲、乙的比热容之比为1∶1
C.甲、乙都刚加热至100 ℃,乙杯液体吸收热量是甲杯液体吸收热量的两倍
D.甲杯的液体加热2 min与乙杯的液体加热4 min吸收的热量相同
C
BD
8.(2023云南节选)如图所示,用相同的酒精灯分别对质量、初温均相同的煤油和蓖麻油加热相同时间,观察到蓖麻油比煤油的温度变化大,说明 的比热容更大。
9.比较不同物质的吸热能力时,同学们用相同装置同时开始均匀加热质量和初温都相等的沙子和水,从图示装置看出还缺少的一个测量工具是 。实验中,若加热相同的时间,它们吸收的热量 (选填“相同”或“不同”),末温低的物质吸热能力 (选填“强”或“弱”)。
煤油
温度计
相同
强
10.如图所示是某一沿海城市和某一内陆城市年气温变化曲线。从图像可以看出,在一年中,曲线A所示的城市气温变化较 (选填“大”或“小”),曲线A表示的是 (选填“沿海”或“内陆”)城市年气温变化曲线。这是根据水的比热容比砂石的比热容 的特点来判断的。
大
内陆
大
11.如图1所示,在探究“比较不同物质吸热的情况”的实验中,实验装置如图所示。
(1)该实验除了图中的实验器材之外,还需要用到的实验测量仪器有: 和 。
(2)实验中为了使两种液体在相同的时间内吸收的热量相同,应选用规格 (选填“相同”或“不相同”)的电加热器;同时应该控制甲、乙两烧杯中液体的 (选填“质量”或“体积”)相同;实验记录到的数据如下表:
停表
液体名称 质量/g 初温/℃ 末温/℃ 加热时
间/min
甲 200 20 27 1
27 35 1
35 42 1
乙 200 20 35 1
27 42 1
35 51 1
天平
相同
质量
(3)从表中的数据可以得到:
①相同质量的同种物质,它们吸收相同的热量后升高的温度几乎是 的;
②相同质量的不同物质,它们吸收相同的热量后升高的温度是 的。
由实验可知,不同物质吸热的本领大小 ,为了描述物质吸热本领大小,引入了一个物理量,它就是 。
(4)同组的小敏用如图2所示的实验装置来比较水和食用油的吸热能力;用温度计测量液体的初温、吸收热量后的温度,并且用停表记录了加热时间。
实验记录的数据如下表:
相同
不同
物质 质量m/g 初始温 度/℃ 最终温 度/℃ 加热时
间/min
水 80 25 55 6
食用油 80 25 68 6
不同
比热容
①在实验过程中控制加热时间相同,通过比较 来研究水和食用油吸热能力的差异;
②在此实验中,如果要使水和食用油最后的温度相同,就需要给 加热更长的时间,这说明相同质量的水和食用油升高相同的温度,水吸收的热量 (选填“大于”“小于”或“等于”)食用油吸收的热量;
③实验中用到的实验方法主要是 和 ;
④同组的小铭同学认为,用电加热器代替酒精灯也可以完成本实验,而且实验效果会更好,原因是 。
(5)小组的全体同学经过讨论,又设置出了一个实验装置,将分别装有甲和乙两种液体的试管放入同一个装有水的烧杯中加热,而且甲、乙两种液体的质量和初温都相同,如图3所示。此实验装置的好处是 ;实
验中,若甲液体温度上升比较快,则表明 (选填“甲”或
“乙”)液体的吸热本领较强,比热容较大。
温度的变化
水
大于
控制变量法
转换法
用电加热器更易控制相同时间放出的热量相同
在相同时间内甲和乙吸收的热量相同
乙
12.用图(甲)所示的实验装置给烧杯内的某种晶体加热。根据实验数据描绘出加热过程中烧杯内物质的温度随时间图像如图(乙)所示,请回答:
(1)比较t2与t3时刻物质的内能: (选填“在t2时较大”“在t3时较大”或“一样大”)。
(2)已知0～t1与t5～t6的加热时间相等,由图(乙)可知两段时间内,物质的温度升高不同,由此可得出:这种物质固态时的比热容比液态时的比热容 (选填“大”“小”或“一样大”)。
13.水沸腾过程中的温度 (选填“升高”“降低”或“不变”),该过程中水 (选填“吸热”“放热”或“不吸热也不放热”),若将质量和初温均相同的铝、铜、铁三个金属球(c铝>c铁>c铜)浸没在同一沸水中煮较长的一段时间,从沸水中吸热最多的是 球。
在t3时较大
小
不变
吸热
铝
14.(2023广东)甲、乙两保温杯装有初温相同、等质量的水,在恒温的室内静置,每隔一段时间测出水温,得到的图像如图所示。
(1)当t=1 h时,内能较大的是 (选填“甲”或“乙”)杯中的水。甲杯中水的比热容
(选填“大于”“小于”或“等于”)乙杯中水的比热容。
(2)乙杯中的水在0～1 h放热为Q1,在1～2 h 放热为Q2。则:Q1 (选填“<”“=”或“>”) Q2,判断的依据是 _
。
甲
等于
>
0～1 h 乙杯中的水降温比1～2 h降温更多,所以0～1 h放出的热量比1～
2 h放出的热量多
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第十三章 内能与热机 章末知识复习
实验一 科学探究:物质的比热容
1.实验装置
2.实验器材:铁架台、酒精灯、石棉网(使烧杯底部受热均匀)、烧杯、 、秒表(记录时间)、水、煤油、搅拌器等。
3.仪器组装顺序: 。
温度计
自下而上
4.实验要点
(1)两种物质的质量要相同。
(2)热源要相同。
(3)两个烧杯完全相同。
(4)在热源相同的条件下, 反映物质吸热的多少。
5.实验结论
(1)质量相同的不同物质,升高相同的温度,比较它们吸收的热量,吸收热量 的物质吸热能力强。
(2)质量相同的不同物质,吸收相同的热量,比较它们升高的温度,升高的温度 的物质吸热能力强。
加热时间的长短
较多
较小
实验二 探究不同燃料的热值
1.实验装置
2.实验器材:铁架台、煤油、菜籽油、石棉网(使烧杯底部受热均匀)、烧杯、 、秒表(记录时间)、水等。
3.仪器组装顺序: 。
4.实验要点
(1)两套规格完全相同的仪器。
(2)质量、初温相同的水。
(3)相同时间燃烧的燃料质量相同,水升高的温度反映燃料放出的热量。
5.实验结论
质量相同的不同燃料,加热质量、初温相同的水,比较水升高的温度,水的温度升高得多的,该种燃料的热值较 。
温度计
自下而上
大
题组一 内能
1.下列说法正确的是( )
A.热值大的燃料完全燃烧,放出的热量一定多
B.物体的温度不变,它的内能一定不变
C.物体的内能增加,可能是从外界吸收了热量
D.热量总是从内能大的物体向内能小的物体传递
2.关于热和能,下列说法中正确的是( )
A.热传递时,温度总是从高温物体传递给低温物体
B.一块0 ℃的冰熔化成0 ℃的水后,温度不变,内能变大
C.内燃机的压缩冲程,主要通过热传递增加了气缸内物质的内能
D.物体的内能增加,一定是外界对物体做了功
C
B
3.寒冷的冬天,我们可以坐在电火箱旁取暖,也可以跳绳使身体发热。前者是通过 的方式改变人体的内能,后者是通过 的方式改变人体的内能。(均选填“做功”或“热传递”)
热传递
做功
题组二 比热容
4.如图(甲),将两个温度传感器分别放置在两个试管中,并将其固定在铁架台上,往两试管装入初温不同的液体a,b,温度传感器的探头部分与试管内的液体良好接触,传感器通过数据采集线与计算机相连接。在计算机上得到的实验图像如图(乙)所示,下列说法正确的是( )
A.本实验通过传感器采集的温度信息,比较液体吸热的多少
B.若要比较不同液体的吸热能力需要装入等体积的两种液体
C.若两种液体的种类相同,则a,b两液体的质量之比为4∶3
D.若两种液体的种类不同,则a,b液体的比热容之比是4∶3
5.张家界森林公园内风景优美,其中金鞭溪婉转秀丽,下雨后溪边升起了一层雾,置身其中,宛如仙境,那么雾的形成属于 现象;水还有许多用途,如用水作为汽车发动机冷却液是利用了水的 的特点。
C
液化
比热容较大
题组三 内燃机
6.(2023智源中学质量检测)为实现国家关于“碳达峰”“碳中和”目标,东风汽车集团研发了一款新型汽车。与某款汽车同样油耗和使用条件下,发动机工作时,尾气中“汽油味”明显降低,动力更强劲。如图所示为其发动机某一冲程示意图。下列有关说法错误的是( )
A.尾气中“汽油味”降低,是因为汽油在气缸中燃烧比较完全
B.该冲程为做功冲程,内能转化为机械能
C.汽油在气缸内完全燃烧,发动机效率可达100%
D.该发动机有利于节约能源和环境保护
7.司机在加油站给小轿车加油时闻到汽油味,这是 现象,小轿车汽油机在 冲程中将机械能转化为内能。
8.如图所示,试管中的水蒸气将塞子推出的过程中,水蒸气的 转化为塞子的机械能,四冲程汽油机在工作过程中, 冲程与上述能量转化过程相同。
C
扩散
压缩
内能
做功
题组四 热值和热机效率
9.关于热值和热机效率的描述,正确的是( )
A.若燃料燃烧更充分,可以增大热值
B.若燃料燃烧更充分,可以提高热机效率
C.热值和热机效率都是定值,与外界无关
D.若燃料增加一倍,热值也增加一倍
10.汽油的热值是 4.6×107 J/kg,完全燃烧40 g的汽油所释放的热量为 J。
11.安全、清洁、方便的太阳能越来越受到人们的重视和广泛利用。某太阳能热水器内装有质量为100 kg、温度为20 ℃的水,在太阳照射一段时间后,水温升高到60 ℃,则水吸收的热量是 J,这些能量相当于完全燃烧 m3天然气放出的热量。[c水=4.2× 103 J/(kg·℃),q天然气=4.2×107 J/m3]
12.完全燃烧140 g焦炭所放出的热量有60%被初始温度为10 ℃、质量为10 kg的水吸收,则水吸收的热量为 J,水的温度将升高到 ℃。[q焦炭=3.0×107 J/kg,c水=4.2 ×103 J/(kg·℃),在1个标准大气压下]
B
1.84×106
1.68×107
0.4
2.52×106
70
13.某同学估算燃气灶烧水时的效率,他在烧水壶中装入V=2.5 L水,烧水前水的温度为20 ℃,将水加热至 100 ℃,立即关闭燃气灶,烧水前、后燃气表的示数变化“ΔV= 0.105 m3”, 该同学查得天然气的热值q=4×107 J/m3,水的密度 ρ=1.0×103 kg/m3,水的比热容为 4.2× 103 J/(kg·℃),求:
(1)水吸收的热量。
(2)燃气灶烧水效率。
答案:(1)8.4×105 J (2)20%
题组五 实验探究
14.(2023陕西)某实验小组用如图(甲)所示的装置比较水和煤油的吸热能力。
(1)加热前,在一个烧杯中倒入400 mL的水,为了使水和煤油的质量相同,需要在另一个相同烧杯中倒入 mL的煤油;在本实验中,用两个相同规格的电加热器来加热水和煤油,给水和煤油加热相同时间,可以利用 (选填“加热时间”或“温度变化量”)来反映液体的吸热能力。(ρ水=1.0×103 kg/m3,ρ煤油=0.8×103 kg/m3)
(2)用两个相同规格的电加热器来加热水和煤油,每隔1 min记录一次温度,整个实验操作无误。图(乙)中,若图线②反映水的温度随时间的变化规律,则图线 (填序号)可以反映煤油的温度随时间的变化规律。
500
温度变化量
①
(3)同时停止加热,相同质量和初温的水和煤油放出相同的热量,水降低的温度 (选填“大于”“等于”或“小于”)煤油降低的温度;冬天暖气片里的液体主要是水,这是利用了水的比热容比较 (选填“大”或“小”)的特点,如果暖气片中有10 kg水,这些水温度降低10 ℃放出的热量为 J。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
小于
大
4.2×105
15.小明同学学习了燃料的热值后,考虑到燃料燃烧放出的热量会被水吸收,而水的比热容已知。自己设计一个实验来探究煤油和菜籽油的热值的大小关系,他组装了如图所示的装置进行实验,记录结果见下表:
燃料 加热前的水温/℃ 燃料燃尽后水温/℃
煤油 25 44
菜籽油 25 34
(1)为了保证实验结论的可靠,小明同学选择了两套相同装置,在实验中还应控制:煤油和菜籽油的 相同,此外还应控制 相同。
(2)分析表中数据得出:煤油和菜籽油两种燃料中,热值较大的是 。
(3)小明同学还想利用这种实验方案计算出煤油和菜籽油的热值,那么小明还需要补充的实验仪器是: ,利用此实验方法计算出的热值将比真实值 (选填“偏大”或“偏小”),说说你的看法: _
。
质量
水的质量
煤油
天平
偏小
燃料不可能完全燃烧,燃料燃烧放出的热会散失到空气中,又或被烧
杯等实验装置吸了热,使Q放大于Q吸
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专题一 热学综合计算
热量的计算
1.(2023安徽)学校物理兴趣小组的同学利用器材测量铝的比热容。他们将质量为 4.2 kg 的铝块先加热到164 ℃后,投入到质量为2 kg,初温为20 ℃的水中,水和铝块最终的温度都是 64 ℃。已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),假设铝块放出的热量全部被水吸收。求:
(1)铝块降低的温度。
(2)水吸收的热量。
解析:(1)铝块降低的温度为Δt降=t1铝-t2铝=164 ℃-64 ℃=100 ℃。
(2)水吸收的热量为Q吸=c水m水(t2水-t1水)=4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×(64 ℃-20 ℃)= 3.696×105 J。
答案:(1)100 ℃ (2)3.696×105 J
(3)铝块的比热容。
答案:(3)0.88×103 J/(kg·℃)
2.英雄攀枝花,阳光康养地。攀枝花日照丰富,为了节约能源,攀枝花很多屋顶都安装了太阳能热水器。已知太阳能热水器储水箱内有 100 kg 的水,在阳光照射下,水的温度升高了
26 ℃,已知c水=4.2×103 J/(kg·℃),求:
(1)水吸收的热量。
(2)这些热量相当于完全燃烧多少煤气放出的热量。(q煤气=1.8×107 J/m3)
解析:(1)水吸收的热量Q=c水mΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×100 kg×26 ℃=1.092×107 J。
答案:(1)1.092×107 J (2)0.61 m3
3.太阳能热水器是一种常见的利用太阳能的装置,某品牌太阳能热水器,在晴天能接收到的太阳能平均辐射强度(用R表示)为 R=300 J/(m2·s),它表示每平方米面积上一秒内接收到的太阳能为300 J。该太阳能热水器集热管接收阳光照射时的有效面积是2 m2,贮水箱中盛有
0.1 m3的水。求:
(1)贮水箱中水的质量。
(2)若在阳光下照射70 min,所接收到的太阳能全部用来加热水,贮水箱中的水温可升高多少 [ρ水=1.0×103 kg/m3,c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
解析:(1)m=ρ水V=1.0×103 kg/m3×0.1 m3=100 kg。
答案:(1)100 kg (2)6 ℃
4.小凯在实验室利用恒温箱加热,完成了冰的熔化实验,并描绘出冰的温度随加热时间变化的关系图线,如图所示。实验时冰的质量为2 kg,相同时间内冰和水吸收的热量相同。已知c水=4.2×103 J/(kg·℃)。求:
(1)CD段水吸收的热量。
解析:(1)冰的质量为m冰=2 kg,冰熔化成水,状态变化,质量不变,水的质量为m水=m冰=2 kg,由图像知,CD段水从0 ℃升高到20 ℃,升高的温度为Δt水=20 ℃-0 ℃=20 ℃,则水吸收的热量为Q吸1=c水m水Δt水=4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×20 ℃=1.68×105 J。
答案:(1)1.68×105 J
(2)计算出冰的比热容。
答案:(2)2.1×103 J/(kg·℃)
热平衡的计算
5.(2023上海改编)网上曾热销一种“55度杯”,称“能很快将开水变成适饮的温水,而后又能将凉水变成适饮的温水”。为破解此中秘密,某中学物理小组设计了如图模型。此杯内胆中被封存着300 g水,室温 20 ℃,不计热量损失,水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),求:
(1)若向杯中倒入100 g,100 ℃开水,摇一摇,杯中水的温度迅速降至40 ℃,倒入的水放出了多少热量
解析:(1)水的质量为m=100 g=0.1 kg,倒入的开水降至40 ℃时,放出的热量为Q放=cmΔt= 4.2×103 J/(kg·℃)×0.1 kg×(100 ℃-40 ℃)=2.52×104 J。
答案:(1)2.52×104 J
(2)若向杯中倒入200 g,80 ℃的水,摇一摇,杯中水的温度降至t1,t1为多少
解析:(2)不计热量损失,放出的热量等于吸收的热量,故可以列等式为Q吸=Q放,即c水m水Δt水=c水m水′Δt水′,4.2×103 J/(kg·℃)×300 g×(t1-20 ℃)=4.2×103 J/(kg· ℃)× 200 g×(80 ℃-t1),t1=44 ℃。
答案:(2)44 ℃
烧水问题
题组一 炉灶效率的计算
6.(2023北京)如图(甲)所示,1个标准大气压下,普通煤炉把壶内80 ℃,5 kg水烧开需燃烧一定质量的煤,此过程中,普通煤炉的效率为50%。已知q煤=3×107 J/kg,
c水=4.2×103 J/(kg·℃),求:
(1)把壶内水烧开,水需要吸收的热量。
解析:(1)把壶内水烧开,水需要吸收的热量为
Q吸=c水mΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×5 kg×(100 ℃-80 ℃)=4.2×105 J。
答案:(1)4.2×105 J
(2)普通煤炉至少燃烧煤的质量。
答案:(2)0.028 kg
(3)为提高煤炉效率,某创意小组设计了双加热煤炉,如图(乙)所示,在消耗等量煤烧开壶内初温相同、等量水的过程中,还可以额外把炉壁间1 kg水从20 ℃加热至40 ℃。则此双加热煤炉的烧水效率η2是多少
答案:(3)60%
7.某物理兴趣小组的同学,用煤炉给10 kg的水加热,同时他们绘制了如图所示的加热过程中水温随时间变化的图线。若在6 min内完全燃烧了2 kg的煤,水的比热容
为4.2×103 J/(kg·℃),煤的热值约为3×107 J/kg。求:
(1)煤完全燃烧产生的热量。
(2)经过6 min时间加热,水所吸收的热量。
解析:(1)煤完全燃烧产生的热量
Q放=mq=2 kg×3×107 J/kg=6×107 J。
(2)Q吸=cm′Δt=4.2×103 J/(kg·℃)×10 kg×(80 ℃-20 ℃)=2.52×106 J。
答案:(1)6×107 J (2)2.52×106 J
(3)煤炉烧水时的热效率。
答案:(3)4.2%
题组二 太阳能热水器效率的计算
8.小琦家新安装了一台容积为 0.5 m3的太阳能热水器,加满水后,经过4 h阳光的照射水温由原来的25 ℃升高到 45 ℃[已知水的比热容c=4.2×103 J/(kg·℃),焦炭的热值q=3.0×
107 J/kg,水的密度ρ=1.0×103 kg/m3]。问:
(1)在这4 h内水吸收的热量为多少焦耳
解析:(1)水的质量m=ρV=1.0×103 kg/m3×0.5 m3=500 kg,
水吸收的热量Q吸=cm(t2-t1)=4.2×103 J/(kg·℃)×500 kg×(45 ℃-25℃)=4.2×107 J。
答案:(1)4.2×107 J
(2)若这些热量由效率为20%的火炉燃烧焦炭来提供,则需要燃烧多少千克的焦炭
答案:(2)7 kg
9.如图简易太阳能热水器受光面积1.2 m2,内装80 kg 水,太阳每分钟辐射到1 m2面积上水吸收的热量是7.56×104 J。
问:(1)太阳能热水器内壁为什么涂成黑色
答案:(1)热水器内壁涂成黑色,是因为黑色表面对太阳辐射的吸收本领强,更易吸收太阳 的热。
(2)20 ℃的水晒3 h后水温达到多少 [水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃)]
(3)煤气的热值是1.8×107 J/m3,若煤气灶的效率为40%,烧热这些水需燃烧多少煤气
答案:(2)68.6 ℃ (3)2.268 m3
热机效率的计算
答案:(1)1.8×104 W
(2)汽车发动机的效率。
答案:(2)45%
11.某汽车发动机的功率为29.4 kW,以 36 km/h 的速度匀速行驶,行驶了200 km时,消耗汽油50 kg,其中汽油的热值为 4.6×107 J/kg。求:
(1)汽油完全燃烧放出的热量。
(2)这个过程发动机牵引力做的功。
(3)发动机的效率。
解析:(1)Q放=mq=50 kg×4.6×107 J/kg=2.3×109 J。
答案:(1)2.3×109 J (2)5.88×108 J (3)25.6%
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第三节 内燃机
目标要求 核心素养提升
1.了解热机的工作原理。
2.掌握热机的结构、工作过程和工作原理。
3.知道汽油机和柴油机构造、工作原理的 区别。
1.通过热机的发展,让学生体验科技对日常生活的影响。
2.培养学生观察及分析问题的能力,利用对比的方法提升分析能力。
一、热机
1.定义:热机是指把燃料燃烧时释放的 转变为 的装置。
2.内燃机:燃料直接在发动机 内燃烧产生动力的热机。内燃机中最常见的是 机和 机。
二、汽油机
1.一个冲程:汽油机工作时,活塞在气缸内做一次 。
2.汽油机的四冲程中,吸气冲程进气门 ,排气门 ,活塞向 运动,
被吸入气缸;压缩冲程进气门 ,排气门 ,活塞向 运动;做功冲程进气门 ,排气门 ,火花塞产生 ,活塞向
运动;排气冲程进气门 ,排气门 ,活塞向 运动, 被排出气缸。
内能
机械能
气缸
汽油
柴油
单向运动
打开
关闭
下
空气和汽油的混合物
关闭
关闭
上
关闭
关闭
电火花
下
关闭
打开
上
废气
3.在内燃机工作过程中,一个冲程飞轮转动 周;一个工作循环完成 个冲程,只有 冲程对外做功,其余三个冲程都要靠飞轮的 完成。在 冲程中内能转化为机械能,在压缩冲程中 能转化为 能。一个工作循环中飞轮转动
周,活塞往复运动 次,对外做功 次。
三、四冲程汽油机和柴油机的区别
半
4
做功
惯性
做功
机械
内
2
2
1
汽油机 柴油机
构造不同 气缸顶部有 气缸顶部有
燃料不同 油 油
吸气冲程 吸入的是 只吸入
点火方式 式 式
火花塞
喷油嘴
汽
柴
空气和汽油混合物
空气
点燃
压燃
知识点一 汽油机
1.下图是汽油机一个工作循环的四个冲程,顺序排列正确的是( )
A.(甲)(乙)(丙)(丁)
B.(乙)(丙)(甲)(丁)
C.(丁)(丙)(乙)(甲)
D.(丁)(甲)(丙)(乙)
2.使汽车获得动力的冲程是( )
A.吸气冲程 B.压缩冲程
C.做功冲程 D.排气冲程
C
C
3.如图所示是汽油机工作循环中的一个冲程,它是( )
A.做功冲程,将机械能转化为内能
B.做功冲程,将内能转化为机械能
C.压缩冲程,将机械能转化为内能
D.压缩冲程,将化学能转化为内能
知识点二 汽油机与柴油机的区别
4.下列关于汽油机和柴油机的说法正确的是( )
A.在压缩冲程中,都是把内能转化为机械能
B.构造上,汽油机气缸顶部有喷油嘴,柴油机气缸顶部有火花塞
C.汽油机的点火方式是压燃式,柴油机的点火方式是点燃式
D.吸气冲程中,柴油机吸入气缸的只有空气,汽油机吸入气缸的是空气和汽油的混合物
B
D
知识点三 内燃机冲程数与飞轮转动圈数的关系
5.一台单缸四冲程汽油机,飞轮转速是 2 400 r/min,该汽油机每秒钟飞轮转动 圈,做功
次,完成 个冲程。在内燃机的“吸气”“压缩”“做功”“排气”四个冲程中,将机械能转化为内能的是 冲程。常用水来给内燃机降温,是因为水的 大。
6.如图所示是某单缸四冲程汽油机的 冲程;若该汽油机每1秒钟对外做功 25次,那么该汽油机飞轮的转速为 r/min。
40
20
80
压缩
比热容
压缩
3 000
知识目标 题号 目标达成 (题号) 不足
之处
汽油机 2,3,4,5, 6,8,9
柴油机 1,7,10
1.下列工具工作过程中使用热机的是( )
A.自行车 B.柴油车
C.脚踏车 D.皮筏艇
2.热机工作过程中的能量转化是( )
A.内能→化学能→机械能
B.化学能→内能→机械能
C.化学能→机械能→内能
D.内能→机械能→化学能
3.双手相互摩擦时感觉发热,这一过程的能量转化与四冲程汽油机的哪个冲程相同( )
A.吸气冲程 B.压缩冲程
C.做功冲程 D.排气冲程
B
B
B
4.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:气缸内温度降低
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
5.在如图所示的“汽油机模型”实验中,将少量的汽油喷入筒内,用软木塞塞住筒口,摇动起电机,观察到放电针放电,汽油燃烧,软木塞被高温高压的气体冲出。该实验可模拟四冲程汽油机工作时的( )
A.吸气冲程 B.压缩冲程
C.做功冲程 D.排气冲程
C
C
6.如图所示的某单缸四冲程汽油机,说法正确的是( )
A.依靠飞轮惯性完成的冲程是(甲)、(乙)、(丁)
B.(乙)图中气缸内气体质量会减小
C.(甲)图中能量的转化是内能转化为机械能
D.四冲程内燃机在一个工作循环中工作过程依次是(丁)、(丙)、(乙)、(甲)
7.关于四冲程内燃机,下列说法正确的是( )
A.汽油机和柴油机都是内燃机,吸入气缸的物质相同
B.汽油机和柴油机都是通过火花塞点火的
C.燃料在气缸内猛烈燃烧,燃料热值迅速减小
D.压缩冲程主要是通过做功的方式增大气缸内气体的内能
A
D
8.在如图所示的四幅图中,与热机工作原理相同的是 图所示的演示实验,汽油机利用内能来做功的冲程是 图。
9.如图所示是某种内燃机某一冲程的示意图,由图可知:
(1)这种内燃机是 机;
(2)它表示的是 冲程;
(3)在这个冲程中 能转化为 能;
(4)完成这一冲程,曲轴和飞轮转 圈;
(5)仔细观察其铭牌,可看见“1 800 r/min”字样,则它正常工作时,1 s对外做功 次,完成了 个循环, 个冲程。
(乙)
(丁)
柴油
压缩
机械
内
半
15
15
60
10.某型号四冲程柴油机,气缸横截面积为500 cm2,活塞行程为10 cm,做功冲程燃气的平均压强为7×105 Pa,飞轮转速为 1 200 r/min。求:
(1)一次做功冲程中气体对活塞做功多少
(2)这台柴油机功率是多少
解析:(1)燃气对活塞的平均压力F=pS=7×105 Pa×500×10-4 m2=35 000 N;
一次做功冲程中燃气对活塞做的功W=Fs=35 000 N×0.1 m=3 500 J。
答案:(1)3 500 J (2)35 000 W
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