第5节 物体的内能（内能与热效率）（学案 无答案）

内能、热效率

【知识梳理】
一、内能
（一）内能概念
物体的内能：构成物体的所有分子，其热运动的动能与分子势能的总和，叫做物体的内能。单位：焦耳（J），各种形式能量的单位都是焦耳。
（二）理解
（1）内能是指物体的内能，不是分子的内能，更不能说是个别分子和少数分子所具有的能量，而是物体内部所有分子共同具有的动能和势能的总和。所以，单纯考虑一个分子的动能和势能是没有现实意义的。
（2）一切物体在任何情况下都具有内能。
（3）内能具有不可预测性，即不能准确知道一个物体的内能的具体数值。
（4）物体的内能可以发生改变，当物体的内能发生变化时，物体的表现方式有温度改变和状态改变两种。
（三）、物体内能的改变
1、热传递改变物体的内能
2、做功改变物体的内能
做功可以改变物体的内能，对物体做功，物体的内能会增加；物体对外界做功，物体的内能会减少。
实质 条件 方式（方法） 举例
热传递 内能的转移 不同物体的或物体的不同部分之间存在温度差 热传导、热对流、热辐射 烧红的铁块放入冷水中
做功 其他形式的能（主要是机械能）与内能之间的相互转化过程 外界对物体做功，物体的内能增加 压缩体积、摩擦生热、锻打物体、拧弯物体等 打气筒大气、钻木取火、发令枪响等
物体对外界做功，物体的内能减少 体积膨胀等 装着开水的暖水瓶内的水蒸气将瓶盖顶起来，水蒸气内能减少

做功和热传递在改变物体内能上是等效的

（四）热量
1、定义
在热传递过程中，传递能量的多少叫做能量。热量用符号Q表示。
单位：热量和功都可以用来量度物体内能的改变，所用的单位相同，功的单位是焦耳，内能的单位也是焦耳，热量单位也是焦耳，符号是J。
2、理解
（1）物体本身没有热量。不能说某个物体含有多少热量，更不能比较两个物体热量的大小，只有发生了热传递过程，有了能量（内能）的转移，才能讨论热量问题。热量是一个过程量。
（2）热量是热传递过程中，能量（内能）转移的数量。
（3）热量的多少与物体能量（内能）的多少，物体温度的高低没有关系。
温度 热量 内能
定义不同 宏观上：表示物体的冷热程度 微观上：反映物体中大量分子无规则运动的剧烈程度 在热传递的过程中，传递能量的多少 构成物体的所有分子，其热运动的动能与分子势能的总和
量的性质 状态量 过程量 状态量
表述 只能说“降低”或“升高” 只能说“放出”或“吸收” 只能说“有”“具有”“改变”“增加”“减少”
单位 摄氏度（℃） 焦耳（J） 焦耳（J）
关系 热传递可以改变物体的内能，使其内能增加或减少，但温度不一定改变（如晶体的熔化或凝固过程），即：物体吸热，内能会增加；物体放热，内能会减少；但物体的温度不一定发生改变



例题讲练：
1．写出下列各种情况中“热”字的含义(填“热量”“温度”或“内能”) ：
(1)摩擦生热： 。
(2)杯子里的水很热： 。
(3)液体沸腾要吸热： 。
2、关于温度、热量、内能，以下说法正确的是( )
A. 0 ℃的冰没有内能 B. 水沸腾时继续吸热，温度保持不变，内能增加
C. 物体的温度越低，所含的热量越多
D. 物体的内能与温度有关，只要温度不变，物体的内能就一定不变
3、若两个物体间发生了热传递，则热量是由( )
A．密度大的传递给密度小的 B．热量多的传递给热量少的
C．温度高的传递给温度低的 D．内能大的传递给内能小的
4、下列关于温度、内能和热量的说法正确的是( )
A. 物体温度越高，它的热量就越多 B. 要使物体内能增加，一定要吸收热量
C. 要使物体内能增加，一定要对物体做功 D. 物体温度升高，它的内能就增加

比热
（1）定义：单位质量的某种物质温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量，叫做这种物质的比热容．比热容用符号c表示，单位为，读作“焦每千克摄氏度”．
（2）热量的计算
①比热容的物理意义：以水为例，水的比热容是，它表示质量是1kg的水温度升高1℃时吸收的热量为．
②热量的计算：
根据比热容的定义，质量为m的物体，温度由t0上升（或下降）到t时，吸收（或放出）的热量为：或．比热容反映了物体吸热和放热本领的大小，水的比热比较大，所以我们经常利用水来做冷却物体．由于水的比热比砂石比热大，所以沿海地区白天温度升高较内地小，晚上温度降低较内地小．

例题：
1、完全燃烧1kg柴油放出的热量能使多少质量的水温度升高20℃？[已知柴油的热值是4.2×107J/kg，水的比热容是4.2×103J/（kg?℃），假定放出的热量被水完全吸收．]（　　）
A． 2kg B． 20kg C． 50kg D． 500kg
2．关于内能和热量，下列说法正确的是（　　）
　 A． 物体吸收热量，温度一定升高 B． 物体运动的越快，物体的内能越大
　 C． 同一物体的温度越高，内能越大 D． 温度越高的物体，所含的热量越多
3．质量相等、初温相同的水和煤油，分别用两个相同的电加热
器加热（不计热损失），加热过程中温度变化如图6所示，则
下列判断正确的是（ ）
A．甲的比热容大，是水　　 B．甲的比热容大，是煤油
C．乙的比热容大，是水　　 D．乙的比热容大，是煤油
4、关于物体的内能，下列说法正确的是（　　）
A． 物体温度升高，它的内能一定会增加 B． 物体内能增加，一定要从外界吸收热量
C． 温度为0℃的物体没有内能 D． 温度相等的1kg水和100g水内能相同
5、用同一热源给一定质量的水加热，其温度与时间的关系如题13?图中图线a?所示，若其它条件不变，（l）仅增加水的质量；（2）仅增大液面大气压强；（3）既增加水的质量，同时减小液面大气压强则二种情况中，温度与时间的关系图线分别对应 、 和 （选填图中“a?”、“b”、“c”或’' d '?'?)

三、热值和热机
1．内能的获得
（1）燃料的燃烧
在现代社会中，人类使用的能量绝大部分也还是从燃料的燃烧中获得的内能．燃料燃烧的实质是一种化学变化，在燃烧的过程中，燃料的化学能转化为内能，也就是通常所说的释放出能量
（2）热值
热值定义：的某种燃料完全燃烧时放出的热量，叫做这种燃料的热值．热值的单位是（J/kg）．
Q=qm（Q表示热量，q表示热值，m表示燃料的质量）．
（3）有效利用燃料
炉子有效利用的热量与燃料完全燃烧时放出的热量之比，叫做炉子的效率．燃料的利用燃烧过程中，燃料燃烧不充分，废气带走了大量的热量是影响燃料的利用效率的主要的两个因素．为了提高燃料的利用效率，我们应该尽可能地让燃料充分燃烧，减少废气带走的热量（如增大炉子受热面积等）．
2．内能的利用．热机
从燃料燃烧过程中获得内能的利用有两种，一个是为了直接加热物体，例如煮饭．取暖等；一个就是要利用产生的能量做功，各种热机就是利用内能做功的机器．例如汽车的发动机．电厂的发电机（电厂的发电机其实是通过内能做功转化为了机械能以后再将机械能转化为电能的）等等．
（1）热机
把燃料燃烧放出的内能转化为机械能的机器叫做热机．热机的种类繁多，主要有蒸汽机．蒸汽轮机．汽油机．柴油机．燃气轮机．燃气喷气发动机和火箭喷气发动机等．所有热机都有一个共同的特点，就是利用燃料燃烧时放出的内能，转化为机械能对外做功．
（2）内燃机
下图是四冲程汽油机的四个冲程示意图：

第一冲程：吸气冲程．进气门打开，排气门关闭，活塞由气缸最上端向下运动，汽油和空气的混合物从进气门被吸入汽缸．当活塞运动到气缸最下端时，进汽门关闭．如图甲．
第二冲程：压缩冲程．进气门和排气门都关闭，活塞由汽缸的最下端向上运动，燃料混合物被压缩，汽缸内温度升高，气压增大．如图乙．
第三冲程：做功冲程．在压缩冲程末，火化塞点火，燃料混合物剧烈燃烧，产生高温高压燃气，推动活塞向下运动，并通过连杆使曲轴转动．如图丙．
第四冲程：排气冲程．进气门关闭，排气门打开，活塞从汽缸最下端向上运动，把废气排出汽缸，为下一个循环做好准备，如图丁．
（3）热机的效率
在热机中，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，叫做热机的效率．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．
3．能量的转化与守恒定律
能量守恒定律的内容是：能量既不会被消灭，也不会创生．能量只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变．

例题讲练：
1、下列流程图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及到的主要能量转化情况．关于对图中①②③④的补充正确的是（ ）



A．①做功冲程??②内能转化为机械能??③压缩冲程??④机械能转化为内能
B．①压缩冲程??②内能转化为机械能??③做功冲程??④机械能转化为内能
C．①压缩冲程??②机械能转化为内能??③做功冲程??④内能转化为机械能．
D．①做功冲程??②机械能转化为内能??③压缩冲程??④内能转化为机械能
2、被誉为“气都”的达州,天然气储量丰富，天然气是 （选填“可再生”“不可再生”）能源.小明同学需要在标准大气压下烧开初温为20℃、质量为3kg的一壶水，如天燃气完全燃烧放出热量的80%被水吸收，则要完全燃烧 m3的天然气.【天然气的热值取3.0×107J／m3，C水=4.2×103J/（kg·℃）】

3、用燃气灶烧水时，把2.2kg 初温为20℃的水加热到100℃，共燃烧了45g 天然气（假设天然气完全燃烧）。已知天然气的热值为4.4×107 J/ kg，水的比热容为?4.2×103 J/（kg·℃） 。
⑴ 天然气属于_______（选填“可再生”或“不可再生”）能源。在烧水过程中，大量向外散失的能量不会自动再汇集回来，这说明能量的转化和转移是有_________的。
⑵ 水的内能增加了_______J。
⑶ 燃气灶烧水的效率为_______。

题型讲练：
锅炉的效率
例1．）某中学为学生供应开水，用锅炉将200kg的水从25℃加热到100℃，燃烧了6kg的无烟煤。水的比热容是4.2×103J／（kg·℃），无烟煤的热值是3.4×l07J／kg。求：
?（1）锅炉内的水吸收的热量是多少?
（2）无烟煤完全燃烧放出的热量是多少?（3）此锅炉的效率是多少?




柴油抽水机的效率
例2．今年我省出现大面积干旱，造成农田缺水，严重影响农作物生长，为缓解旱情，很多地方采用柴油抽水机从江湖中引水灌溉。某柴油抽水机把湖水抬升4.5m流入沟渠，再去灌溉农田。已知在2h内抬升了1600m3的水，此柴油抽水机的效率为40%，柴油的热值为4.5×107J/kg，g取10N/kg，求：
（1）此柴油抽水机2h做了多少有用功？℃（2）此柴油抽水机工作2h消耗了多少柴油？
? （3）此柴油抽水机的总功率为多少千瓦？



太阳能的效率
例3.某品牌太阳能热水器集热器面积为S=2m2，热效率为η=40%（即热水器能将照射到玻璃吸热管上的太阳能的40%转化为水的热能），该地点太阳能辐射到地面的平均功率为P=1.4×103W/m2（即平均每平方米每秒钟太阳辐射能为1.4×103J）。将质量为100kg的初温为20℃的水加热到60℃，求这些水需要吸收多少热量?求需要加热多少小时?








钻木取火中的效率
?例4．人类的祖先钻木取火，为人类文明揭开了新的一页。钻木取火的一种方法，将削尖的木棒伸到木板的洞里，用力压住木棒来回拉动钻弓。木棒在木板的洞里转动时，板与棒互相摩擦，机械能转化为内能，而热集中在洞内，不易散发，提高了木棒尖端的温度，当达到约260℃时木棒便开始燃烧。因木头是热的不良导体，故受热厚度很薄，木棒受热部分的质量只有0.25g。已知：来回拉一次钻弓需1.0s，弓长为s=0.25m，人拉弓的力为16N，木头比热容C=2×103J／（kg·℃），室温为20℃。问：
（1）人来回拉一次钻弓克服摩擦力所做的功为多少？
（2）人克服摩擦力做功使机械能转化为内能，若其中有25％被木棒尖端吸收，则1s内可使木棒尖端温度提高多少℃？
?（3）请你估算用多长时间才能使木棒燃烧起来？






汽车发动机的效率
?例5．）2010年12月30日通车的湛徐高速，使得从湛江市区到徐闻县海安港口全程只需约1个小时，从而使雷州半岛的居民从此真正进入湛江市“一小时生活圈”。今年“五·一”期间，爸爸开车带着李兵从湛江市区出发沿湛徐高速到徐闻参观“大汉三墩”景点，汽车（包括车上的人和物品）质量为1.8×103kg，车轮与地面的总接触面积为0.09m2，当汽车以90km/h的速度在平直路面上匀速行驶时，汽车发动机牵引力为1000N，效率为30％，汽油的热值为4.6×107J／kg（假设汽油完全燃烧，g取10N／kg）。求：
?（1）汽车静止时对路面的压强；
?（2）汽车以90km/h的速度匀速行驶时，牵引力的功率；
?（3）若汽车按照这种方式行驶，这次旅行全程往返250km，牵引力做的功是多少？李兵应该提醒爸爸至少要加汽油多少kg？