第18讲 热机 热机的效率 能量的转化和守恒
甘肃真题分点练
命题点1 热机及能量转化
1．(2024·兰州1题)如图所示，用酒精灯对试管加热，等水沸腾后，可以看到蒸汽把软木塞顶跑。下列说法正确的是( )
A．用酒精灯加热试管，水内能的增加是通过做功的方式实现的
B．蒸气把软木塞顶跑的过程，实现了内能向机械能的转化
C．蒸气把软木塞顶跑的过程，相当于汽油机的排气冲程
D．试管口出现的白雾是水汽化后形成的水蒸气
第1题图 第2题图
2．(2023·省卷5题)如图所示，在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团硝化棉，迅速压下活塞，观察到硝化棉燃烧起来。在下压活塞的过程中，下列说法正确的是( )
A．气体的内能转化为活塞的机械能
B．筒内气体温度降低
C．筒内气体的内能不变
D．活塞对筒内气体做了功
3．(2024·省卷13题)国产新型电动汽车具有各种“超能力”，其中“能量回收装置”是在踩下制动踏板时，通过对电路的控制，使驱动电动机变为发电机，以发电机发电产生的阻力来制动，此时，将 能转化为电能，再将电能转化为 能储存在蓄电池里。
4．(2024·省卷16题)如图所示，用酒精灯加热试管中的水，当水沸腾一段时间以后，塞子被试管内的水蒸气推出，这是通过 (选填“做功”或“热传递”)的方式将水蒸气的内能转化为塞子的机械能。图 (选填“甲”或“乙”)中汽油机的工作过程与这一实验过程中的原理是一致的。
5．(2024·兰州13题)一台单杠四冲程汽油机，只有第三个冲程中燃气对外做功，其他冲程是靠飞轮的 来完成的；若飞轮的转速为1 200 r/min，则该汽油机每秒钟做功 次。
6．(2023·省卷14题)汽车在刹车过程中机械能转化为地面和轮胎的内能，这些内能将无法自动地转化为汽车的机械能，这种现象说明自发的能量转化过程是有一定 性的，但在能量的转化和转移过程中，能的总量 (选填“不断减少”“保持不变”或“不断增加”)。
命题点2 热量、热效率的相关计算
7．(2024·兰州22题)小亮用电热水壶将质量为1.5 kg、初温为20 ℃的水加热到80 ℃，在只有电热水壶工作的情况下，他观察到家中标有“1 200 imp/kW·h”的电能表的指示灯在240 s内闪烁了144次，已知水的比热容为c水＝4.2×103 J/(kg·℃)。求：
(1)水吸收的热量；
(2)电热水壶的实际功率；
(3)电热水壶的工作效率。
8．(2023·金昌29题)小强想要计算家里天然气灶烧水的热效率，他将2 kg的水倒入烧水壶中，并测出水温为20 ℃，在标准大气压下，把水刚加热到100 ℃时，测出消耗天然气0.048 m3(假设天然气完全燃烧)，若水的比热容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，天然气热值为q＝4.0×107 J/m3。求：
(1)将这些水烧开，需吸收多少热量；
(2)在这种情况下，燃烧的天然气放出了多少热量；
(3)该天然气灶的效率。
全国视野分层练
·基础练·
1．(2024·广安)内燃机的发明是第二次工业革命中应用技术领域的一项重大成就。如图所示为单缸四冲程汽油机的一个冲程示意图，若该汽油机的效率为30%，飞轮每分钟转动1 800圈(q汽油＝4.6×107 J/kg)，则下列说法正确的是( )
A．图中所示冲程是做功冲程
B．若该汽油机完全燃烧5 kg汽油，则汽油机做的有用功为6.9×107 J
C．该汽油机在1 s内做功30次
D．汽油机消耗的燃料越少，效率一定越高
2．(2024·湖南)2024年4月25日，搭载着神舟十八号载人飞船的长征二号F遥十八运载火箭(如图)在酒泉卫星发射中心成功发射。下列说法正确的是( )
A．火箭的燃料燃烧得越充分，热值越大
B．火箭发动机工作过程中的热机效率是100%
C．火箭“体内”的液氢燃料温度低至－253 ℃，内能为零
D．火箭搭载着飞船升空的过程中，飞船的重力势能越来越大
3．(2024·云南)2024年5月，我国首款百公斤级车载液氢系统“赛道1 000”研制成功，可助力氢能重卡突破1 000公里续驶里程，这是我国将液氢应用于交通运输领域的重大技术突破(q氢＝1.4×108 J/kg)。下列说法正确的是( )
A．氢能不属于清洁能源
B．用液氢作燃料是因为液氢含有的热量多
C．完全燃烧100 kg的液氢能释放1.4×1010 J 的热量
D．氢能重卡的热机效率可高达100%
4．(2024·湖南)有关能量的转移、转化和利用，下列说法正确的是( )
A．电烤炉取暖，是电能转移到人体
B．钻木取火，是内能转化为机械能
C．中医提倡的热水泡脚，是通过热传递的方式增大脚部的内能
D．用嘴对着手哈气取暖，主要是通过做功的方式增大手的内能
5．(2024·青海)与固体燃料相比，液体燃料火箭无需人工雕刻火药。甲烷是天然气的主要成分。液态甲烷作为火箭发射的燃料之一，其密度约为0.42×103 kg/m3，热值为5.0×107 J/kg。酒精的密度为0.8×103 kg/m3，热值为3.0×107 J/kg，下列关于液态甲烷和酒精的叙述正确的是( )
A．酒精的密度比液态甲烷的密度小
B．液态甲烷燃烧时，内能转化为化学能
C．相同体积的液态甲烷和酒精，液态甲烷的质量更大
D．10 kg的液态甲烷完全燃烧，放出的热量为5.0×108 J
6．(2024·广元)1883年人类发明了汽油机。一台四冲程汽油机的一个冲程中，火花塞点火，燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体推动活塞对外做功，则该冲程( )
A．是压缩冲程
B．气体对外做功，内能转化为机械能
C．活塞依靠飞轮的惯性而运动
D．气体对外做功，气体的内能增加
7．(2024·广元)随着科技发展，人们已经开始将氢能作为一种新能源加以利用。已知氢燃料的热值为1.4×108 J/kg，水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)。如果一辆汽车平均每月消耗氢燃料30 kg，这些氢燃料完全燃烧释放的热量为 J，若这些热量完全被水吸收，可使 kg水的温度从20 ℃升高到100 ℃。
8.(2024·宿迁)氢能是新能源利用的新潮流，加快氢能产业发展成为实现“碳达峰、碳中和”的重要举措。如图所示是市场上的某品牌氢能自行车，一次性充满0.02 kg氢气，2 h能匀速骑行50 km，氢能自行车与骑行者总质量为84 kg，骑行时受到的阻力为总重的0.05倍，氢气热值为1.4×108 J/kg。氢气完全燃烧产生的热量是 J，氢气的利用效率是 (g＝10 N/kg)。
9．(2024·苏州)如图所示为某折叠卡式炉，采用丁烷气体作为燃料。水壶装入2 L初温为25 ℃的水，用卡式炉加热至100 ℃，消耗了25 g丁烷气体[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，丁烷的热值为4.8×107 J/kg]。求：
(1)壶中水的质量。
(2)水吸收的热量。
(3)卡式炉的加热效率。
·提升练·
10．(2024·苏州)据记载，唐朝时省油灯已在四川地区出现。瓷质灯体如碗状，腹部有中空夹层，可通过注水孔向夹层装水，碗内有油和灯芯，如图所示。燃灯前，向注水孔缓慢注入冷水，让 及时排出。燃灯时， 吸收燃烧产生的热量后不断蒸发，使灯碗和灯油 较低，灯油蒸发速度 ，以达到省油的目的。第18讲 热机 热机的效率 能量的转化和守恒
甘肃真题分点练
命题点1 热机及能量转化
1．(2024·兰州1题)如图所示，用酒精灯对试管加热，等水沸腾后，可以看到蒸汽把软木塞顶跑。下列说法正确的是(B)
A．用酒精灯加热试管，水内能的增加是通过做功的方式实现的
B．蒸气把软木塞顶跑的过程，实现了内能向机械能的转化
C．蒸气把软木塞顶跑的过程，相当于汽油机的排气冲程
D．试管口出现的白雾是水汽化后形成的水蒸气
第1题图 第2题图
2．(2023·省卷5题)如图所示，在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团硝化棉，迅速压下活塞，观察到硝化棉燃烧起来。在下压活塞的过程中，下列说法正确的是(D)
A．气体的内能转化为活塞的机械能
B．筒内气体温度降低
C．筒内气体的内能不变
D．活塞对筒内气体做了功
3．(2024·省卷13题)国产新型电动汽车具有各种“超能力”，其中“能量回收装置”是在踩下制动踏板时，通过对电路的控制，使驱动电动机变为发电机，以发电机发电产生的阻力来制动，此时，将机械能转化为电能，再将电能转化为化学能储存在蓄电池里。
4．(2024·省卷16题)如图所示，用酒精灯加热试管中的水，当水沸腾一段时间以后，塞子被试管内的水蒸气推出，这是通过做功(选填“做功”或“热传递”)的方式将水蒸气的内能转化为塞子的机械能。图乙(选填“甲”或“乙”)中汽油机的工作过程与这一实验过程中的原理是一致的。
5．(2024·兰州13题)一台单杠四冲程汽油机，只有第三个冲程中燃气对外做功，其他冲程是靠飞轮的惯性来完成的；若飞轮的转速为1 200 r/min，则该汽油机每秒钟做功10次。
6．(2023·省卷14题)汽车在刹车过程中机械能转化为地面和轮胎的内能，这些内能将无法自动地转化为汽车的机械能，这种现象说明自发的能量转化过程是有一定方向性的，但在能量的转化和转移过程中，能的总量保持不变(选填“不断减少”“保持不变”或“不断增加”)。
命题点2 热量、热效率的相关计算
7．(2024·兰州22题)小亮用电热水壶将质量为1.5 kg、初温为20 ℃的水加热到80 ℃，在只有电热水壶工作的情况下，他观察到家中标有“1 200 imp/kW·h”的电能表的指示灯在240 s内闪烁了144次，已知水的比热容为c水＝4.2×103 J/(kg·℃)。求：
(1)水吸收的热量；
(2)电热水壶的实际功率；
(3)电热水壶的工作效率。
解：(1)水吸收的热量
Q吸＝c水m(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×1.5 kg×(80 ℃－20 ℃)＝3.78×105 J
(2)消耗的电能W＝ kW·h＝0.12×3.6×106 J＝4.32×105 J
电热水壶的实际功率
P＝＝＝1 800 W
(3)η＝×100%＝×100%＝87.5%
8．(2023·金昌29题)小强想要计算家里天然气灶烧水的热效率，他将2 kg的水倒入烧水壶中，并测出水温为20 ℃，在标准大气压下，把水刚加热到100 ℃时，测出消耗天然气0.048 m3(假设天然气完全燃烧)，若水的比热容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，天然气热值为q＝4.0×107 J/m3。求：
(1)将这些水烧开，需吸收多少热量；
(2)在这种情况下，燃烧的天然气放出了多少热量；
(3)该天然气灶的效率。
解：(1)水吸收的热量
Q吸＝c水m(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×(100 ℃－20 ℃)＝6.72×105 J
(2)天然气完全燃烧放出的热量
Q放＝qV＝4.0×107 J/m3×0.048 m3＝1.92×106 J
(3)天然气灶的效率
η＝＝＝35%
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·基础练·
1．(2024·广安)内燃机的发明是第二次工业革命中应用技术领域的一项重大成就。如图所示为单缸四冲程汽油机的一个冲程示意图，若该汽油机的效率为30%，飞轮每分钟转动1 800圈(q汽油＝4.6×107 J/kg)，则下列说法正确的是(B)
A．图中所示冲程是做功冲程
B．若该汽油机完全燃烧5 kg汽油，则汽油机做的有用功为6.9×107 J
C．该汽油机在1 s内做功30次
D．汽油机消耗的燃料越少，效率一定越高
2．(2024·湖南)2024年4月25日，搭载着神舟十八号载人飞船的长征二号F遥十八运载火箭(如图)在酒泉卫星发射中心成功发射。下列说法正确的是(D)
A．火箭的燃料燃烧得越充分，热值越大
B．火箭发动机工作过程中的热机效率是100%
C．火箭“体内”的液氢燃料温度低至－253 ℃，内能为零
D．火箭搭载着飞船升空的过程中，飞船的重力势能越来越大
3．(2024·云南)2024年5月，我国首款百公斤级车载液氢系统“赛道1 000”研制成功，可助力氢能重卡突破1 000公里续驶里程，这是我国将液氢应用于交通运输领域的重大技术突破(q氢＝1.4×108 J/kg)。下列说法正确的是(C)
A．氢能不属于清洁能源
B．用液氢作燃料是因为液氢含有的热量多
C．完全燃烧100 kg的液氢能释放1.4×1010 J 的热量
D．氢能重卡的热机效率可高达100%
4．(2024·湖南)有关能量的转移、转化和利用，下列说法正确的是(C)
A．电烤炉取暖，是电能转移到人体
B．钻木取火，是内能转化为机械能
C．中医提倡的热水泡脚，是通过热传递的方式增大脚部的内能
D．用嘴对着手哈气取暖，主要是通过做功的方式增大手的内能
5．(2024·青海)与固体燃料相比，液体燃料火箭无需人工雕刻火药。甲烷是天然气的主要成分。液态甲烷作为火箭发射的燃料之一，其密度约为0.42×103 kg/m3，热值为5.0×107 J/kg。酒精的密度为0.8×103 kg/m3，热值为3.0×107 J/kg，下列关于液态甲烷和酒精的叙述正确的是(D)
A．酒精的密度比液态甲烷的密度小
B．液态甲烷燃烧时，内能转化为化学能
C．相同体积的液态甲烷和酒精，液态甲烷的质量更大
D．10 kg的液态甲烷完全燃烧，放出的热量为5.0×108 J
6．(2024·广元)1883年人类发明了汽油机。一台四冲程汽油机的一个冲程中，火花塞点火，燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体推动活塞对外做功，则该冲程(B)
A．是压缩冲程
B．气体对外做功，内能转化为机械能
C．活塞依靠飞轮的惯性而运动
D．气体对外做功，气体的内能增加
7．(2024·广元)随着科技发展，人们已经开始将氢能作为一种新能源加以利用。已知氢燃料的热值为1.4×108 J/kg，水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)。如果一辆汽车平均每月消耗氢燃料30 kg，这些氢燃料完全燃烧释放的热量为4.2×109J，若这些热量完全被水吸收，可使1.25×104kg水的温度从20 ℃升高到100 ℃。
8.(2024·宿迁)氢能是新能源利用的新潮流，加快氢能产业发展成为实现“碳达峰、碳中和”的重要举措。如图所示是市场上的某品牌氢能自行车，一次性充满0.02 kg氢气，2 h能匀速骑行50 km，氢能自行车与骑行者总质量为84 kg，骑行时受到的阻力为总重的0.05倍，氢气热值为1.4×108 J/kg。氢气完全燃烧产生的热量是2.8×106J，氢气的利用效率是75%(g＝10 N/kg)。
9．(2024·苏州)如图所示为某折叠卡式炉，采用丁烷气体作为燃料。水壶装入2 L初温为25 ℃的水，用卡式炉加热至100 ℃，消耗了25 g丁烷气体[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，丁烷的热值为4.8×107 J/kg]。求：
(1)壶中水的质量。
(2)水吸收的热量。
(3)卡式炉的加热效率。
解：(1)由ρ＝可知，水的质量：
m水＝ρ水V水＝1.0×103 kg/m3×2×10－3 m3＝2 kg
(2)水吸收的热量：
Q水＝c水m水Δt＝4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×(100－25)℃＝6.3×105 J
(3)丁烷气体完全燃烧放出的热量：
Q丁烷＝m丁烷q丁烷＝2.5×10－2 kg×4.8×107 J/kg＝1.2×106 J
卡式炉的加热效率：
η＝×100%＝×100%＝52.5%
·提升练·
10．(2024·苏州)据记载，唐朝时省油灯已在四川地区出现。瓷质灯体如碗状，腹部有中空夹层，可通过注水孔向夹层装水，碗内有油和灯芯，如图所示。燃灯前，向注水孔缓慢注入冷水，让空气及时排出。燃灯时，水吸收燃烧产生的热量后不断蒸发，使灯碗和灯油温度较低，灯油蒸发速度减小，以达到省油的目的。
