14.3 热机的效率学案（含答案）人教版（2024）九年级全册

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【学习目标】
1. 知道热值的定义
2. 能利用热平衡以及能量守恒思想计算热值
3. 能根据能量守恒思想计算热机的效率
【自主学习】
一、热值
由于燃料的成分不同，相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出的热量不同，在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。
①定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫作这种燃料的热值，用字母q表示。
②公式：； ；
Q放表示放出的热量，单位是焦，符号为 J；m表示固、液体燃料的质量，单位是kg；V表示气体体积符号为m3。
q表示热值，单位是焦/千克，符号为 J/kg，或者是J/m3。公式变形：燃料燃烧放出热量的计算：Q放=qm 或者Q放=qV。
二、热机的效率
我们以燃气灶为例做说明：煤气不能完全燃烧，损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量，煤气灶本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，等等。
水吸收的热量只占煤气完全燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是被有效利用的。
物体吸收的热量用来做有用功的那部分能量占燃料完全燃烧放出热量的比值叫作热效率。
即热效率：
热机工作时，燃料不能完全燃烧，且燃烧释放的能量也不能全部用来对外做有用功，有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。如图是热机燃料能量的主要走向示意图。可见，真正能转化为对外做有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分。
提高热机效率的方法：①使燃料充分燃烧；②尽量减少各种热量损失；③尽量减少各种热量损失，利用废气的能量；④热机设计制造，提高技术和使用新材料。⑤保证良好润滑，减少摩擦额外消耗的功。
【例1】氢发动机是用气态氢作为燃料，代替传统以汽油、柴油为燃料的内燃机，氢气燃烧的生成物为水。某氢气发动机汽车的四冲程内燃机转速为。下列说法正确的是（　　）
A．氢气燃烧的越充分，它的热值越高
B．四冲程内燃机的压缩冲程将内能转化为机械能
C．该车内燃机1s对外做功20次
D．氢气燃烧的生成物为水，所以氢发动机的效率可达100%
【例2】如图为某汽油机工作时的能量流向图，汽油的热值q取。以下说法正确的是（　　）
A．汽油未完全燃烧时的热值比完全燃烧时的小
B．完全燃烧10kg汽油可放出的热量
C．在做功冲程，该汽油机气缸中的气体内能增大
D．该汽油机工作效率可达65%
【例3】如图所示，用完全相同的装置加热液体。已知燃料的质量、烧杯内的液体质量、加热方式均相同。不计热损失，将燃料点燃直至燃尽，三个烧杯中液体升高的温度随时间变化的图像如丁所示，则下列说法正确的是（　　）
A．仅用乙、丙两图可以比较不同燃料的热值
B．甲、丙装置中的液体在0-t内吸收的热量之比为2∶1
C．a、b两种液体的比热容之比为
D．燃料1和燃料2的热值之比为
【例4】如图所示是我国自行研制的大型客机C919，若它在高空水平定速巡航飞行10km消耗的汽油为100kg，受到的阻力为1.15×105N，则飞机发动机的热机效率为 ；为节能减排，现设法回收未利用的能量，若回收的能量占汽油完全燃烧放出能量的21%，可使 kg水的温度升高50℃。【汽油热值为，水的比热容为】
【例5】小雨利用甲、乙、丙三套完全相同的装置完成热学实验，其中，液体1和2的质量和初温相同，燃料和的质量相同。
(1)请指出以上装置在安装时出现的一处错误： ；
(2)同时点燃三套装置的燃料对液体进行加热，每隔半分钟记录液体升高的温度，直至燃料全部烧完。通过 （选填“甲”“乙”或“丙”，下同）两套装置，可比较液体1和液体2的比热容；通过 两套装置，可比较燃料和的热值；燃料完全燃烧放出的热量，可以通过 （选填“温度计上升的示数”或“加热时间”）来反映；
(3)根据记录的数据做出了两种液体的温度随时间变化的关系如图丁所示（假设相同时间内液体吸热量相同）：
①由图丁可以看出，液体 的比热容较大；
②若液体1的比热容是，则液体2的比热容是 。
【例6】如图为我军装备的05式两栖突击车。此车配备最大功率为1.29×106W的乘油发动机，履带着地的总面积为10m2。当突击车搭载4名战比演练时，车与人总质量为3×104kg。（g取10N/kg，ρ水取1.0×103kg/m3，q柴油＝4.3×107J/kg）求：
(1)两栖突击车在水平地面静止时对地面的压强；(2)两栖突击车漂浮在水面上时排开水的体积；
(3)已知两栖突击车发动机效率为50%，当车以最大功率行驶1min时消耗柴油的质量。
【例7】小玲家新装的天然气热水器，它的铭牌表明其热效率为89%，小玲想估测这款热水器的效率，她把家里自动洗衣机的“水量”设置为40 L，用热水器输出的热水注入洗衣机，当注入水的体积达到40 L时，洗衣机便会自动停止注水。已知当时自来水的温度是15℃，热水器输出热水的温度为 40 ℃，注水前后燃气表上显示的余气量分别为165.50m3和165.35m3.(1)热效率89%表示该热水器工作时，天然气完全燃烧所消耗的89%的 能转化为水的内能。
(2)40L自来水吸收的热量是多少焦耳？(3)通过计算判断该款热水器实际热效率是否与铭牌完全相符？
【课后巩固】
1．如图为我国武装直升机武直﹣10，采用我国完全自主研发的“玉龙”涡轴航空发动机，它的大致工作过程：空气通过进气道进入压气机，燃料在燃烧室燃烧后，产生的高温高压气体推动涡轮转动，从而输出动力。下列说法正确的是（　　）
A．武直﹣10沿竖直方向匀速上升时，它的机械能保持不变
B．燃料和压缩空气混合后，燃料的热值增大
C．空气进入压气机，被压气机压缩后内能增大
D．燃烧室里的燃料燃烧更加充分时，发动机的效率不变
2．汽车是现代生活中最常见的一种交通工具，如图甲、乙所示分别是某单缸四冲程汽油机的某冲程及能量流向图。下列有关说法正确的是（　　）
A．甲图是压缩冲程，机械能转化为内能
B．由图乙可知该汽油机的效率是72%
C．汽车尾气中的“汽油味”越浓，燃料燃烧得越不充分，这会降低燃料的热值
D．若该汽油机飞轮的转速为，则在内汽油机完成120次冲程
3．小明用如图所示甲、乙两套的装置，正确完成了“探究不同物质吸热升温的现象”和“比较质量相等的不同燃料燃烧放出的热量”、燃料点燃直至燃尽，两个实验中液体升高的温度随时间变化的图像如图丙所示，不考虑热量损失，以下判断正确的是（　　）
A．两个实验都要控制燃料的质量、液体质量相等 B．两个实验都是通过温度计上升的示数反应热量的多少
C．图像一和图像二表示两种物质比热容之比为1∶4 D．图像一和图像二表示两种燃料的热值之比为5∶4
4．如图是甩棉花糖的情景。下列关于这一过程的说法正确的是（ ）
A．蓬松的棉花糖分子间没有引力
B．加热火焰被高压喷出，提高了燃料的热值
C．砂糖变为棉花糖，属于液化过程
D．糖的温度升高是通过热传递的方式完成的
5．如图所示表示的是汽油机的能量流向，对照此图，下列说法不正确的是（ ）
A．废气的排放所占比例最大，减少该部分能量损失可有效提高热机效率
B．冷却水能量的二次利用可以提高能量利用率
C．该汽油机的效率为73%
D．该汽油机的能量利用率为27%
6．甲、乙两台汽油机使用相同的汽油，若在同一时间内，甲、乙两汽油机做的有用功之比为3∶2，甲的效率是25%，乙的效率是20%，则在同样的时间内，甲、乙两汽油机消耗汽油的质量之比为（　　）
A．2∶5 B．5∶2 C．5∶6 D．6∶5
7．如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同。燃料的质量、烧杯内液体质量及液体初温均相同。不考虑热量损失，燃料点燃直至燃尽，三装置烧杯中液体升高的温度随时间变化的图像如图丁所示。以下判断正确的是（　　）
A．液体a的比热容是液体b的两倍
B．0﹣t1时间内甲、乙、丙烧杯中液体吸收的热量相等
C．燃料燃尽时乙中液体a吸收的热量小于丙中液体b吸收的热量
D．仅利用装置乙和丙进行实验可以比较燃料2和燃料1的热值大小
8．汽油机是燃油汽车的动力来源之一。如图所示是某台汽油机工作时的能量数据，图中横线处应填写的内容是：① ② 。若汽油的热值为，则该工作过程中消耗的汽油质量为 kg。
9．2025年3月17日16时07分，我国在酒泉卫星发射中心使用谷神星一号运载火箭，成功将云遥一号55～60星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功。如图所示，火箭工作时将内能转化为机械能，该过程中能量的转化与汽油机的 冲程相同，运载火箭使用液氢作为燃料主要原因是液氢具有较大的 （选填“热值”或“比热容”）。
10．2024年12月28日，西安市长安区太乙宫街道沙场村、新一村二期天然气正式投入使用。与传统燃料相比，天然气的优点是： （写出一条即可）。村民李小莉用天然气将体积为2L，初温为的水加热到用来做饭，此过程中的加热效率为，水吸收的热量是 J，此过程需要消耗的天然气为 。（已知，，）
11．为了探究“不同物质的吸热能力”，实验小组在两个相同的容器中分别装入初温相同的两种液体A、B，并且用相同的装置加热，如图1甲所示。
(1)实验中，应该向两个烧杯中加入 相同的两种不同液体；可以通过比较 来反映两种液体吸收热量的多少；
(2)如图乙所示，若液体A是水，则液体B的比热容为 []
(3)小明还想利用图2甲装置来比较不同液体燃料的热值，他应该在质量相同的燃料燃烧 （相同时间/完毕）后，通过比较 来得出结论；小明选用了燃料1和燃料2进行实验。当燃料燃尽后，小明根据各个时刻烧杯中的水温，绘制了如图2乙所示的图像a、b（燃料1的图像为a，燃料2的图像为b），则可初步判断燃料 的热值大。
12．小李想测量蜡烛的热值q，他利用如图所示的装置进行测量，A容器内装有150g的水，防风罩B的下端开了通气孔。
水的初温/℃ 25 燃烧前蜡烛的质量/g 20.6
水的末温/℃ 40 燃烧后蜡烛的质量/g 20
(1)为完成实验，还需要的测量工具是 和 ；
(2)实验中，小李是通过测量 （选填“加热时间”或“水吸收的热量”）间接测量蜡烛燃烧放出的热量；
(3)实验中，水的温度升高内能增加，这是通过 的方式改变物体的内能；
(4)实验前后，小李测量的数据如表所示，则蜡烛的热值约为 J/kg；
(5)小李跟同学讨论后，认为实验中测出的蜡烛的热值跟真实值相比偏 。
13．氢燃料具有清洁无污染、效率高等优点，如图为一辆我国设计制造的氢能源公交车。[c水=4.2×103J/(kg·℃)，
q氢=1.4×108J/kg]求：(1)质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧，若放出的热量全部被水吸收，可以使质量为1t的水温度升高多少；(2)此氢能源公交车以140kW的恒定功率做匀速行驶，汽车的速度为20m/s，如果0.3kg的氢燃料完全燃烧获得热量的60%用来做机械功，则这些热量能让该公交车匀速行驶的距离。
14．春天，向阳屯农民用扬程为12m、流量为300m3/h、效率为80％的水泵抽水浇灌农田.“扬程”和“流量”是水泵的重要性能参数，“扬程”是指抽水机抽水所达到的高度，“流量”是指水泵在单位时间内抽水的体积，已知柴油的热值为3×107J/kg，取g=10N/kg，求：(1)水泵持续正常工作5h，做了多少有用功？(2)此水泵总功率为多少？
(3)若此水泵用一柴油机带动，假设柴油完全燃烧所释放的内能有40％转化为水泵轴的机械能，则每小时消耗多少柴油？
15．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4L初温为的水，用卡式炉加热至，（水的比热容为，丁烷的热值为）。求：
(1)壶中水的质量；(2)水吸收的热量；(3)若卡式炉的加热效率为70%，则需要消耗多少克的丁烷。
16．如图所示是我国深海“国之重器”———超深水大洋科考钻探船“梦想”号，它以重油为燃料，满载时排开水的质量为42600t。某次航行时，发动机以恒定功率 1.6×108 W匀速行驶了25 min，此过程中完全燃烧重油 2×104 kg。求：（g取10 N/ kg，重油的热值q取 4×107 J/kg）(1)“梦想”号满载时，受到的浮力；(2)此次航行过程中，“梦想”号发动机所做的功；(3)航行过程中发动机的效率。
17．小林同学想购买一款户外分体式燃气炉去户外野炊，图甲是某品牌的宣传图，其中“火力3000 W”的字样是指气体燃料完全燃烧时燃气炉每秒放出 3000 J的热量。通过商家了解，在标准大气压下，用该燃气炉将1.25kg水从40℃加热到沸腾用时250s。[水的比热容为4.2×103J（kg·℃）] ；(1)燃气炉烧水时的效率是多少
烹饪项目 每次耗时/ min 次数/次
炒菜 8 3
煮汤 10 2
烧水 8 2
(2)查阅说明书得知“燃气炉火力[单位：瓦（W）]与耗气量[消耗燃气质量与时间的比，单位：千克/时（kg/h）]之比为10000 W·h/ kg，则该燃气炉所使用燃料的热值是多少 (3)上表是小林在这次户外野炊时的烹饪规划，按照规划他至少应携带几个如图乙所示的新储气罐？
1．如图所示，用甲、乙两种燃料分别对质量和初温相同的两种液体进行加热，两图装置均相同。燃料的质量用m表示，燃料充分燃尽时液体升高的温度用表示（液体未沸腾）（　　）
A．若甲乙燃料种类相同，两个烧杯中液体的种类不相同，两个装置用来探究燃料的热值大小
B．若甲乙燃料种类相同，两个烧杯中液体的种类不相同，的值越大，液体的吸热能力越强
C．若甲乙两种燃料种类不同，两个烧杯中液体种类相同，的值越大，燃料的热值越大
D．若甲乙两种燃料种类不同，两个烧杯中液体种类相同的值越大，燃料的热值越大
2．如图所示，小潇准备了甲、乙、丙三个相同的装置，来探究不同物质的吸热能力和不同燃料的放热能力，其中液体质量、燃料质量均相等。
(1)探究不同物质的吸热能力时：
①不同物质吸热的多少是通过 来反映的（选填“温度计示数”或“加热时间”）；
②小潇根据测得的实验数据，画出了a、b两种液体温度随时间变化的图像（如图丁所示），由图可判断哪种液体的吸热能力强。若a的比热容是ca，b的比热容是cb， 则ca∶cb = 。
(2)探究不同燃料的放热能力时：
①选择甲、乙两图进行实验，实验时不同燃料的放热的多少是通过 来反映的（选填“温度计示数”或“加热时间”）；燃料1在燃烧过程中，其热值 （选填“变大”“变小”或“不变”）；
②若图甲烧杯中为50 mL的水，若10 g酒精燃烧后放出的热量被水吸收，温度计示数升高了20 C，则可以计算出酒精的热值 J/kg。这种方法测算的热值和热值表中的“标准值”相比 （选填“偏大”“偏小”或“一样”）。
3．燃气热水器是一种方便、快捷且不受天气影响的洗浴设备。某款燃气热水器的结构和工作原理示意图如图所示。使用时先通电，绿色指示灯亮，再打开冷水阀和燃气管上的燃气阀；然后打开热水阀，电子点火器点火红色指示灯亮，燃气在燃烧器内燃烧，产生1700°C的高温烟气，同时风机工作，高温烟气上升，流经热交换器，将从A点处流入热交换器的冷水加热，产生的热水从B点处源源不断地流出热交换器，低温烟气从排烟管排出。关闭热水阀时，热水器停止加热。
(1)排烟管利用风扇加快气体流动速度，排烟管内气体的压强 （选填“大于”或“等于”）烧烧室内气体的压强，使烟气只从排烟管流出；
(2)某次洗浴过程中，热交换器在15min内将体积为200L的水的温度升高30℃，则水吸收的热量是多少？[，]
(3)在（2）中的洗浴过程中，该燃气热水器的耗气量（热水器正常工作1h消耗的燃气体积）为。该燃气热水器铭牌上标注二级能效，请你通过计算判断该标注是否正确。（能效等级根据热效率来划分，其中三级能效的热效率大于或等于84%，二级能效的热效率大于或等于89%，一级能效的热效率大于或等于98%；燃气的热值为）
4．如图甲和乙分别为某款增程式电动汽车的结构图和工作原理图。电动汽车在电池电量充足时，启动“纯电模式”，蓄电池通过电驱系统的电动机，将电能转化为机械功，驱动转动装置，输出动力。为保护电池寿命，当蓄电池的电量降至20%时，将会强制保电，不再减少电量，此时启动“增程模式”。增程器通过燃烧燃油发电，给蓄电池充电，补充的电能再同样通过电动机，驱动转动装置，输出动力。已知蓄电池充满电时储存的电能为，增程系统效率（是指增程器工作时，给蓄电池充的电能与燃油完全燃烧产生的热量的比值）为40%。某次测试中，电动汽车以“纯电模式”在平直路段匀速行驶，受到的牵引力为，蓄电池电量降低。求：
(1)测试中，牵引力所做的功是多少？
(2)电动汽车以“纯电模式”行驶，汽车的能量利用效率是多少？（结果保留一位小数）
(3)某出租车司机使用燃油汽车每天平均行驶200公里，消耗燃油10L。若改用上述增程式电动汽车，每天充满电后行驶200公里。已知燃油热值为，燃油的价格为8.7元，汽车充电电费按0.8元/kW·h计算，求：
①上述增程式电动汽车充满电后行驶200公里，需要消耗多少L的燃油？（结果保留一位小数）
②通过计算分析对两种汽车哪一种更省钱？
【课后评价】
这节课我给自己☆☆☆☆☆颗星。试卷第1页，共3页
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【参考答案】
【参考答案】
【例1】C 【例2】B 【例3】C 【例4】 4600
【例5】(1) 丙图中温度计玻璃泡与容器底接触了；(2) 甲、丙 乙、丙 温度计上升的示数；(3) 2
【例6】(1) 3×104Pa；(2) 30m3； (3) 3.6kg
【例7】(1) 化学； (2) 4.2×106； (3) 不完全相符
课后巩固
基础练习
1. C 2. D 3. C 4. D 5. C 6. D 7. C
8. 1.61×105 机械 3.5×10－3 9. 做功 热值 10. 污染小
11. (1) 质量 加热时间；(2) ；(3) 完毕 温度计示数变化 2
12. (1) 温度计 天平；(2) 水吸收的热量；(3) 热传递；(4) ；(5) 小
13. (1) 10℃； (2) 3600m
14. (1) 1.8×108J； (2) 1.25×104W； (3) 3.75kg
15. (1) 4kg； (2) ； (3) 37.5g
16. (1) 4.26×108 N； (2) 2.4×1011 J； (3) 30%
17. (1) 42％； (2) 3.6×107J/kg； (3) 3
能力提升
1. D
2. (1) 加热时间 1 : 2； (2) 温度计示数 不变 偏小
3. (1) 小于； (2) 2.52×107J； (3) 热效率为93.3%，所以标注正确
4. (1) ； (2 )83.3％； (3)纯电更省钱
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