第2节 热机的效率
基础主干落实
1.燃料的热值:
(1)定义:某种燃料 完全燃烧 放出的热量与其 质量 之比。
(2)单位:
①固体燃料: J/kg 。
②气体燃料: J/m3 。
(3)物理意义:热值在数据上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的 热量 。
(4)燃料完全燃烧放出热量计算公式:
①固体: Q=qm 。
②气体: Q=qV 。
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。
(2)计算公式: η= 。
(3)提高热机效率的主要途径:减少热机工作中的 各种能量损失 。
重点案例探析
重点 热机效率的相关计算
【典题】(2024·贵阳质检)天然气的主要成分是甲烷,其热值为3.6×107 J/m3,水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃)。
(1)小明家一个月要用10 m3的天然气,则完全燃烧这些天然气可放出多少热量
(2)若这些热量有70%被水吸收,可将多少kg、20 ℃的水烧开(在标准大气压下)
解:(1)10 m3天然气完全燃烧放出的热量:Q放=Vq=10 m3×3.6×107 J/m3=3.6×108 J;
(2)由题知,Q吸=70%Q放=70%×3.6×108 J=2.52×108 J;由Q吸=cm(t-t0)可得:
2.52×108 J=4.2×103 J/(kg·℃)×m×(100 ℃-20 ℃),解得:m=750 kg,因此能把
750 kg的水从20 ℃加热到100 ℃。
【警示】热效率计算的两个注意点
(1)明确哪些是有用的能量、哪些是总的能量。
(2)注意单位的统一性:若所给单位是J/kg,而燃料是以体积计量的,则需先根据m=ρV计算燃料的质量,再计算放出的热量。
【A层 基础必会】
考点一 热值及其计算
1.(2024·贵州模拟)2023年10月26日,长征二号F遥十七运载火箭搭载神舟十七号载人飞船成功发射(如图)。火箭使用一种叫作偏二甲肼的液体燃料,是因为该燃料具有较大的 (A)
A.热值 B.比热容 C.密度 D.体积
2.2023年5月28日,C919大型客机进行首次商业载客飞行,飞机的发动机选用航空煤油作为燃料,假如航空煤油的热值为4.6×107 J/kg,完全燃烧100 kg航空煤油放出的热量为 4.6×109 J。
考点二 热机效率的理解
3.(2024·贵州期中)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 (D)
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
考点三 热效率的相关计算
4.小红在家用天然气灶烧开水,在标准大气压下,5 kg水从20 ℃加热至沸腾,完全燃烧了0.1 m3的天然气,此过程中,水吸收的热量是 1.68×106 J,天然气灶烧水的热效率为 42% 。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),天然气的热值为
4.0×107 J/m3]
5.(2023·聊城中考)高能聚合油是一种安全、清洁、可再生的新型环保燃料。某次用高能聚合油灶具将10 kg的水从25 ℃加热到100 ℃。已知水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃),高能聚合油的热值约为4.2×107 J/kg。求:
(1)这些水吸收的热量;
(2)若该高能聚合油灶具烧水的热效率为75%,则燃烧了多少千克高能聚合油。
解:(1)水吸收的热量:
Q吸=cm(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×10 kg×(100 ℃-25 ℃)=3.15×106 J;
(2)由η=可知,高能聚合油完全燃烧放出的热量:Q放===4.2×106 J,
由Q放=mq可知,完全燃烧高能聚合油的质量:m'===0.1 kg。
易错点 不能正确理解燃料的热值
6.(易错题)关于燃料及其热值,下列说法中正确的是 (C)
A.没有燃烧的燃料,热值等于零
B.燃料完全燃烧时,它的热值最大
C.燃料的热值与质量和燃烧状态无关
D.燃料燃烧时温度越高,放出的热量越多
纠错:热值是物质本身的一种特性,只与燃料的种类有关,而与其他因素无关。
【B层·能力提升】
7.(多项选择)(2024·黔东南州期末)为实现国家关于“碳中和”“碳达峰”目标,某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。下列有关说法正确的是 (A、B、D)
A.发动机将内能转化为机械能的是做功冲程
B.尾气中“汽油味”降低,是因为汽油在气缸中燃烧比较完全
C.汽油在气缸内完全燃烧,发动机效率可达100%
D.该发动机减少了碳排放,有利于节约能源和环境保护
8.如图所示为某汽车的汽油机的能流图,根据图中的数据可知该汽油机输出的有用功的范围为 24%~30% ,若汽车发动机效率为30%,已知该汽车匀速行驶
6.9 km,消耗燃油1 kg,该燃油的热值为4.6×107 J/kg,则该汽车行驶过程中牵引力大小为 2 000 N。
9.如图所示是某款无人驾驶汽车图片。汽车自动驾驶时使用雷达传感器,以及激光测距器来了解周围的交通状况。该款车以72 km/h的速度在一段平直的公路上匀速行驶了8 km时,消耗汽油1.5×10-3 m3(汽油的密度为0.8×103 kg/m3,汽油的热值取4.5×107 J/kg)。假设燃油完全燃烧,汽油机的效率为30%,则这段运动过程中:
(1)汽油完全燃烧放出多少热量
(2)该汽车发动机做的有用功是多少 该汽车发动机的输出功率为多少
(3)该汽车在以此速度行驶的过程中,受到的阻力是多大
解:(1)由ρ=得,消耗汽油的质量为:m=ρV=0.8×103 kg/m3×1.5×1 m3=1.2 kg,
汽油完全燃烧放出的热量:Q放=mq=1.2 kg×4.5×107 J/kg=5.4×107 J;
(2)由η=得,汽车发动机做的有用功:W=ηQ放=30%×5.4×107 J=1.62×107 J,
由v=得,汽车运动的时间:t=== h=400 s,汽车发动机的输出功率:
P===4.05×104 W;
(3)v=72 km/h=20 m/s,根据P===Fv可得,牵引力:F===2 025 N,
该汽车在以此速度行驶的过程中,阻力和牵引力是一对平衡力,所以阻力f=F=
2 025 N。第2节 热机的效率
基础主干落实
1.燃料的热值:
(1)定义:某种燃料 放出的热量与其 之比。
(2)单位:
①固体燃料: 。
②气体燃料: 。
(3)物理意义:热值在数据上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的 。
(4)燃料完全燃烧放出热量计算公式:
①固体: 。
②气体: 。
2.热机的效率:
(1)定义:用来做 的那部分能量,与燃料 放出的能量之比。
(2)计算公式: 。
(3)提高热机效率的主要途径:减少热机工作中的 。
重点案例探析
重点 热机效率的相关计算
【典题】(2024·贵阳质检)天然气的主要成分是甲烷,其热值为3.6×107 J/m3,水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃)。
(1)小明家一个月要用10 m3的天然气,则完全燃烧这些天然气可放出多少热量
(2)若这些热量有70%被水吸收,可将多少kg、20 ℃的水烧开(在标准大气压下)
【警示】热效率计算的两个注意点
(1)明确哪些是有用的能量、哪些是总的能量。
(2)注意单位的统一性:若所给单位是J/kg,而燃料是以体积计量的,则需先根据m=ρV计算燃料的质量,再计算放出的热量。
【A层 基础必会】
考点一 热值及其计算
1.(2024·贵州模拟)2023年10月26日,长征二号F遥十七运载火箭搭载神舟十七号载人飞船成功发射(如图)。火箭使用一种叫作偏二甲肼的液体燃料,是因为该燃料具有较大的 ( )
A.热值 B.比热容 C.密度 D.体积
2.2023年5月28日,C919大型客机进行首次商业载客飞行,飞机的发动机选用航空煤油作为燃料,假如航空煤油的热值为4.6×107 J/kg,完全燃烧100 kg航空煤油放出的热量为 J。
考点二 热机效率的理解
3.(2024·贵州期中)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
考点三 热效率的相关计算
4.小红在家用天然气灶烧开水,在标准大气压下,5 kg水从20 ℃加热至沸腾,完全燃烧了0.1 m3的天然气,此过程中,水吸收的热量是 J,天然气灶烧水的热效率为 。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),天然气的热值为
4.0×107 J/m3]
5.(2023·聊城中考)高能聚合油是一种安全、清洁、可再生的新型环保燃料。某次用高能聚合油灶具将10 kg的水从25 ℃加热到100 ℃。已知水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃),高能聚合油的热值约为4.2×107 J/kg。求:
(1)这些水吸收的热量;
(2)若该高能聚合油灶具烧水的热效率为75%,则燃烧了多少千克高能聚合油。
易错点 不能正确理解燃料的热值
6.(易错题)关于燃料及其热值,下列说法中正确的是 ( )
A.没有燃烧的燃料,热值等于零
B.燃料完全燃烧时,它的热值最大
C.燃料的热值与质量和燃烧状态无关
D.燃料燃烧时温度越高,放出的热量越多
纠错:热值是物质本身的一种特性,只与燃料的种类有关,而与其他因素无关。
【B层·能力提升】
7.(多项选择)(2024·黔东南州期末)为实现国家关于“碳中和”“碳达峰”目标,某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。下列有关说法正确的是 ( )
A.发动机将内能转化为机械能的是做功冲程
B.尾气中“汽油味”降低,是因为汽油在气缸中燃烧比较完全
C.汽油在气缸内完全燃烧,发动机效率可达100%
D.该发动机减少了碳排放,有利于节约能源和环境保护
8.如图所示为某汽车的汽油机的能流图,根据图中的数据可知该汽油机输出的有用功的范围为 ,若汽车发动机效率为30%,已知该汽车匀速行驶
6.9 km,消耗燃油1 kg,该燃油的热值为4.6×107 J/kg,则该汽车行驶过程中牵引力大小为 N。
9.如图所示是某款无人驾驶汽车图片。汽车自动驾驶时使用雷达传感器,以及激光测距器来了解周围的交通状况。该款车以72 km/h的速度在一段平直的公路上匀速行驶了8 km时,消耗汽油1.5×10-3 m3(汽油的密度为0.8×103 kg/m3,汽油的热值取4.5×107 J/kg)。假设燃油完全燃烧,汽油机的效率为30%,则这段运动过程中:
(1)汽油完全燃烧放出多少热量
(2)该汽车发动机做的有用功是多少 该汽车发动机的输出功率为多少
(3)该汽车在以此速度行驶的过程中,受到的阻力是多大
