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第12章 机械能和内能
12.4 机械能与内能的相互转化
【学习目标】
1.
理解做功和热传递是改变内能的方式；
2.
熟悉热机的工作原理；
3.
理解热值的概念并掌握一般计算。
4.
通过能量的转化和转移，进一步认识效率的概念。
【知识梳理】
一、改变物体内能的方式—做功
（1）做功是改变物体内能的另一种方式。
①外界对物体做功，物体的内能会增加。
②物体对外界做功，物体的内能会减少。
（2）做功特点：
①条件：物体对外做功，内能减少；外界对
物体做功，内能增加。
②方式：压缩体积；摩擦生热，锻打物体。
③实质：内能与其他形式的能之间发生了转化。
【注意】
①做功和热传递：在改变物体的内能上是等效的。
②搓手是利用做功的方式取暖；呵气是利用热传递的方式取暖。
二、认识热机
（1）定义：利用燃料的燃烧产生的高温高压燃气的内能转化为机械能的机器统称为热机。
（2）种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机等。
（3）能量转化：内能转化为机械能。
【注意】
①工作原理：燃料燃烧时，将化学能转化为内能，内能转化为机械能。
②内燃机：燃料直接在发动机内燃烧产生动力的热机叫内燃机。主要有汽油机和柴油机两种。
三、汽油机
（1）概念：热机的一种，利用气缸内燃烧的汽油产生高温高压的燃气来推动活塞做功的机器。
（2）工作过程：汽油机工作的时候，活塞在气缸内往复运动，活塞从气缸的一端运动到另一端，叫做一个冲程。
①汽油机一个工作循环有四个冲程组成，分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。
②一个工作循环，曲轴转动两周，活塞往复运动两次，对外做功一次。
③四个冲程中，只有做功冲程是燃气对外做功，将内能转化为机械能，其他三个冲程是辅助冲程，主要靠飞轮的惯性来完成。
【注意】
①火花塞点火的是做功冲程；进气门打开的是吸气冲程；排气门打开的是排气冲程。
②发动机的转速指的是曲轴的转速。
四、热值
（1）物理意义：物理学上用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。
（2）定义：1kg的某种燃料完全燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值。
（3）公式：Q=mq，其中Q表示燃料完全燃烧放出的热量，m表示该燃料的质量，q表示燃料的热值。
（4）单位：J/kg。
【注意】
是燃料的一种属性，反映它燃烧过程中，化学能转化为内能本领的大小，它只与燃料的种类有关，与燃烧的形态、质量、体积和有无完全燃烧均无关。
五、热效率
（1）热机的效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率。其计算公式为η=×100%。
（2）提高热机效率：设计和制造时尽量减少能量损失；使用时要保养好，如添加润滑油等。
【难点突破】
1、热值、热效率的相关计算
（1）热值：1kg的某种燃料完全燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值。
（2）热机的效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率。其计算公式为η=×100%。
【例1】（2020·黄石）可燃冰是一种新能源，它是水和天然气在高压低温下形成的类似冰状结晶物质，主要成分是甲烷，我国可燃冰的开采技术处于世界领先水平，用燃气锅炉烧水时，将500kg初温20℃的水加热到100℃，共燃烧了0.1m3的可燃冰，这个过程中水吸收的热量为______J。完全燃烧0.1m3可燃冰放出的热量为______J，燃气锅炉烧水时的效率为______。[c水=4.2×103J/（kg·℃），可燃冰热值q=6.0×109J/m3]
【答案】
(1).
1.68×108
；
(2).
6.0×108
；
(3).
28%；
【解析】
[1]水吸收的热量Q吸=c水mΔt=4.2×103J/(kg·℃)×500kg×(100℃-20℃)=1.68×108J
[2]完全燃烧0.1m3可燃冰放出的热量Q放=Vq=0.1m3×6.0×109J/m3=6.0×108J
[3]燃气锅炉烧水时的效率=28%
【例2】（2020?南宁）如图所示，将活塞迅速下压，玻璃筒底的棉花被点燃。此过程是通过 的方式增加了筒内空气的内能，能量转化方式与汽油机的
冲程相同。某汽油机在一次工作中消耗了2kg汽油，对外做功为2.3×107J，则汽油机的效率是
（汽油热值为4.6×107J/kg）。
【答案】做功；压缩；25%。
【解析】
（1）在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小撮干燥的棉絮，用力将活塞迅速向下压，棉絮燃烧起来；说明将活塞迅速下压，活塞对桶内空气做功，使筒内空气的内能增加，温度升高；压缩过程中，活塞的机械能转化为空气的内能，故该过程中，与内燃机的压缩冲程相同；
（2）汽油完全燃烧放出的热量：Q放＝mq＝2kg×4.6×107J/kg＝9.2×107J；
汽油机的效率η＝×100%＝×100%＝25%。
故答案为：做功；压缩；25%。
【典型例题】
【热点1】改变内能的方式-做功
【例1】（2019福建）
下列实例中，属于通过做功改变物体内能的是（
）
A.搓手会发热
B.用冷水冷却热鸡蛋
C.晒太阳取暖
D.给热咖啡加冰降温
【答案】A
【解析】
A.搓手会发热是通过搓手的机械能转化为手的内能。
B.用冰冷的水来冷却鸡蛋，是由于存在温度差，发生了热传递来改变内能的；
C.晒太阳取暖，是属于热传递中的热辐射的形式来改变物体内能的；
D.给热咖啡加冰也是由于存在温度差，发生了热传递来改变物体的内能的。
【例2】（2020?海南）如图所示，用酒精灯加热试管里的水，产生的水蒸气将试管塞冲向空中。在这个过程中，能量转化的顺序为（ ）
A．内能﹣机械能﹣化学能
B．化学能﹣内能﹣机械能
C．机械能﹣内能﹣化学能
D．内能﹣化学能﹣机械能
【答案】B
【解析】用酒精灯加热水的过程中，酒精的化学能转化为试管和水的内能；当水沸腾时产生大量的水蒸气，试管内的气体压强增大，大于外界大气压，就会将塞子冲出；此时试管内水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能减小，转化为塞子的机械能，即能量转化的顺序为化学能→内能→机械能，故B正确。
故选：B。
【热点2】热机、机械能与内能的转化
【例3】（2020?南京）如图是内燃机某冲程的工作示意图，下面四个事例中能量转化与之相同的是（ ）
A．瓶塞冲出
B．搓手取暖
C．压缩气体
D．钻木取火
【答案】A；
【解析】
根据图示可知，两个气门都关闭，活塞下行，因此该冲程为做功冲程，将内能转化为机械能；
A、酒精燃烧时化学能转化为内能，试管口塞子喷出是内能转化为机械能，故A符合题意；
B、冬天，搓手取暖是克服摩擦力做功，把机械能转化为内能，内能增加，故B不符合题意；
C、用力将活塞压下，活塞对筒内空气做功，筒内空气的内能增大、温度升高，达到了棉花的着火点，棉花就会燃烧，此过程中机械能转化为内能，故C不符合题意；
D、钻木取火过程中，克服摩擦力做功，机械能转化为内能，内能增加，故D不符合题意。
故选：A。
【例4】（2020?衡阳）如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下列说法正确的是（ ）
A．一个工作循环的正确顺序是：甲乙丙丁
B．乙图冲程能获得动力
C．丁图冲程有明显机械能转化为内能的过程
D．丙图冲程存在化学能转化为内能的过程
【答案】C；
【解析】
甲图中两个气阀都关闭，火花塞点火，活塞下运动，是做功冲程，此冲程将内能转化为机械能；
乙图中进气门打开，活塞向下运行，气缸容积增大，是吸气冲程；
丙图中排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程；
丁图中两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程，是机械能转化为内能；
A、四个冲程的正确顺序是乙丁甲丙，故A错误；
B、乙图为吸气冲程，内燃机在做功冲程能获得动力，故B错误；
C、丁图为压缩冲程，在该冲程中将机械能转化为内能，故C正确；
D、丙图为排气冲程，而在做功冲程存在化学能转化为内能的过程，故D错误。
故选：C；
【热点3】热值、热效率
【例5】（2019绵竹）一个标准大气压下，将质量1.0kg的水从20℃加热到沸腾，水吸收的热量是_____J。小明家天然气热水器的热效率是84%，他某次洗澡，耗水40kg，自来水进热水器的温度是24℃，出热水器的温度是40℃，小明这次洗澡消耗天然气________m3。已知水的比热容是4.2×10?
J/(kg℃)，天然气的热值是3.2×107J/m3。
【答案】3.36×105；0.1；
【解析】
（1）水吸收的热量：
Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg?℃）×1.0kg×（100℃-20℃）=3.36×105J；
（2）他某次洗澡时水吸收的热量：
Q吸′=cm′△t′=4.2×103J/（kg?℃）×40kg×（40℃-24℃）=2.688×106J；
由η=可得，天然气放出的热量：Q放==
=
3.2×106J
；
由Q放=Vq可得，消耗天然气体积：V=
=
=0.1m?。
【基础过关】
1.
（2019自贡）下面实例采用做功方式使划横线物体之内能逐渐减小的是（
）
A．热水倒入茶杯，茶杯的温度升高
B．水蒸气冲开水瓶塞子
C．电炉通电后，电阻丝逐渐变红
D．汽油机压缩冲程中燃料混合物的温度发生变化
【答案】B
【解析】
A、热水倒入茶杯，茶杯的温度升高，是通过热传递使茶杯的内能增加，故A不合题意；
B、水蒸气冲开水瓶塞子，水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能转化为塞子的机械能，则水蒸气的内能减小，故B符合题意；
C、电炉通电后，电阻丝逐渐变红，是通过电流做功使电阻丝的内能增加，故C不合题意；
D、汽油机压缩冲程中，压缩混合气体做功，使燃料混合物的内能增大、温度升高，故D不合题意。
2.（2020?牡丹江）如图是汽油机一个工作循环的四个冲程，对外做功的冲程是（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】B
【解析】汽油机一个工作循环包括四个冲程，只有做功冲程对外做功，因此一个工作循环对外做功一次；
A图中的一个气阀打开，活塞向上运动，所以为排气冲程；
B图中的两个气阀都关闭，活塞下运动，所以为做功冲程；
C图中的两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程；
D图中的一个气阀打开，活塞向下运动，所以为吸气冲程；
故选：B。
3.（2020?巴中）下列四幅图是汽油机一个工作循环的四个冲程，其中不是靠飞轮惯性完成的是（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】C
【解析】
在汽油机的四个冲程中只有做功冲程对外做功，其他三个冲程都是靠飞轮的惯性完成的。
A、进气门打开，活塞向下运行，气缸容积增大，是吸气冲程，故A不符合题意；
B、排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程，故B不符合题意；
C、两气门都关闭，活塞向下运行，火花塞点火，是做功冲程，故C符合题意；
D、两气门都关闭，活塞向上运行，气缸容积减小，是压缩冲程，故D不符合题意。
故选：C。
4.（2020?枣庄）关于热机的效率，下列说法正确的是（ ）
A．在做功同样多的情况下，热机的效率越高消耗的燃料越多
B．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高
C．热机的效率越高说明做功越快
D．热机损失的能量中，废气带走的能量较少，主要是由于机械摩擦损失的
【答案】B
【解析】
A．热机的效率越高，做有用功与燃料完全燃烧放出的热量的比值越大，即在做功相同的情况下，消耗的燃料较少，或消耗相同的燃料，做功较多，故A错误。
B．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高，多用在重型机器上，故B正确；
C．热机的效率是有用功与燃料完全燃烧放出的热量的比值，热机的效率越高说明有用功与总功的比值越大；功率表示做功的快慢，功率越高说明做功越快，效率和功率是两个不同的物理量，二者之间没有必然联系，故C错误；
D．根据内燃机的能量流向，热机损失的能量中，废气带走的能量较多，故D错误。
故选：B。
5.（2019?宜昌）如图所示，在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团硝化棉，把活塞迅速压下去，看到棉花燃烧起来，活塞被向上顶起。关于这个过程说法正确的是（
）
A.活塞对棉花做功，使棉花温度升高
B.缓慢压下活塞也能看到同样的实验现象
C.压下活塞的过程中是内能转化为机械能
D.活塞被向上顶起相当于内燃机的做功冲程
【答案】D
【解析】
AC、把活塞迅速压下去，此时活塞对筒内的空气做功，空气的内能变大，温度升高，是机械能转化为内能，空气和棉花之间发生热传递，使得棉花的温度升高，故AC错误，
B、缓慢压下活塞，由于存在热损失，在慢慢下压的过程中，空气的内能增加的较小，温度升的不高，达不到棉花的燃点，棉花不会燃烧，故B错误；
D、活塞被向上顶起是因为筒内的空气推动活塞做功，内能转化为机械能，与内燃机的做功冲程相同，故D正确。
6.
（2019泰州）
如图，在大玻璃瓶与小玻璃瓶内各装入适量的水，将小瓶瓶口向下放入大瓶，使小瓶恰好悬浮.塞紧大瓶瓶塞，用气筒向大瓶内打气，大瓶内水面上方气压增大，小瓶会_______(下沉/上浮/继续悬浮)；继续打气直到瓶塞跳起，瓶口出现“白雾”，此过程大瓶上方的气体对瓶塞做功，______能转化为________能。
【答案】下沉；机械；内
【解析】
用气筒向大瓶内打气，由于气压增大，所以水会被挤进小瓶内，小瓶的质量增加，重力大于浮力，所以会下沉。瓶口出现白雾，大瓶上方的气体对瓶塞做功，机械能转化为内能。
7.（2019遂宁）为了减少环境污染，共建绿水青山的美好生态，我市部分农村地区已经用上了天然气烧水煮饭，设天然气热值为4.2×107J/kg，完全燃烧0.2kg天然气放出的热量为______J；若这些热量的25%被12.5kg、30℃的水吸收，能使水的温度升高到______℃．（c水=4.2×103J/kg?℃）
【答案】8.4×106；70；
【解析】
（1）完全燃烧0.2kg天然气放出的热量：Q放=mq=0.2kg×4.2×107J/kg=8.4×106J；
（2）由题知，水吸收的热量：Q吸=25%Q放=25%×8.4×106J=2.1×106J；
由Q吸=cm△t得，水升高的温度：△t==40℃，水的末温：t=t0+△t=30℃+40℃=70℃。
8.（2020?西宁）青海油田涩北天然气田连续10年保持稳产，为西宁人民的生产、生活用气提供了有力保障。已知天然气的热值是7×108J/m3，若小明家完全燃烧0.01m3的天然气，放出的热量为
J；做饭时会闻到饭香，从物理学角度来看，属于
现象。
【答案】：7×106；扩散
【解析】
（1）完全燃烧0.01m3天然气，放出的热量：
Q放＝Vq＝0.01m3×7×108J/m3＝7×106J；
（2）做饭时会闻到饭香，说明了分子在不停地做无规则运动，是扩散现象。
故答案为：7×106；扩散；
9.（2020·苏州）某燃气热水器将20kg的水从10℃加热到60℃，完全燃烧了0.21m3的煤气。水吸收的热量是
J．热水器烧水的效率是
。[已知水的比热容为4.2×103J/（kg?℃），煤气的热值为4×107J/m3]
【答案】4.2×106；50%。
【解析】
（1）水吸收的热量：
Q吸＝cm（t﹣t0）＝4.2×103J/（kg?℃）×20kg×（60℃﹣10℃）＝4.2×106J；
（2）这些煤气完全燃烧放出的热量：Q放＝qV＝4×107J/m3×0.21m3＝8.4×106J，
热水器烧水的效率：η＝＝×100%＝50%。
故答案为：4.2×106；50%。
10.
如图是汽油机一个工作循环的四个冲程，其中图________是将内能转化为机械能的冲程。现有一台四冲程汽油机，飞轮的转速为2400r/min,这次汽油机每秒钟内完成_______个冲程，对外做了________次功。
【答案】丙；80；20；
【解析】本题考查内燃机的四个冲程以及各冲程的能量转化。在内燃机的四个冲程(吸气、压缩做功、排气)中，内能转化为机械能的是做功沖程。
甲图：排气门打开，活塞向上运行，汽缸容积减小是排气冲程，此冲程无能量转化；
乙图：两气门都关闭，活塞向上运行，汽缸容积减小，是压缩冲程，此冲程是将机械能转化为内能；
丙图：两气门都关闭，火花塞喷出电火花，活塞向下运行，汽缸容积增大，是做功冲程，此冲程是将内能转化为机械能；
丁图：进气门打开，活塞向下运动，汽缸容积增大，是吸气冲程，此冲程无能量转化。飞轮的转速为2400r/min=40/s。在一个工作循环中，飞轮转动2转，对外做功一次，所以此汽油机每秒钟内完成80个冲程，对外做功20次。
11.（2020·聊城）小华家使用的是天然气热水器，他尝试估测该热水器的效率，以核对铭牌上的数值是否准确。当只有该热水器使用天然气时。把50kg的水从20℃加热到54℃，天然气表的示数由1365.05m3变为1365.17m3，已知水的比热容c=4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值q=7.0×107J/m3。求：
(1)水吸收的热量；
(2)消耗的天然气完全燃烧故出的热量；
(3)该热水器的效率。
【答案】(1)7.14×106J；(2)8.4×106J；(3)85%
【解析】
(1)水吸收的热量；
(2)消耗的天然气体积V=1365.17m3-1365.05m3=0.12m3
消耗的天然气完全燃烧放出的热量
(3)该热水器的效率
答：(1)水吸收的热量是7.14×106J；
(2)消耗的天然气完全燃烧故出的热量是8.4×106J；
(3)该热水器的效率是85%。
【综合提优】
1.
如图所示,有关这个蒸汽机模型的说法不正确的是
( )
A.酒精燃烧时将内能转化为化学能
B.水吸热发生了汽化现象
C.蒸汽的内能转化为轮子的机械能
D.内能的一个重要应用是可以用来做功
【答案】A
【解析】
A.酒精燃烧放出热量,因而是把化学能转化为内能,所以选项A不正确;
B.水吸热汽化产生蒸汽,故B正确；
C.推动风车转动,将内能转化为机械能,故C正确；
D.可见内能可以用来做功,故选项B、C、D均正确。
2.（2020·连云港）关于温度、热量和内能，下列说法正确的是（ ）
A.
0℃的冰块内能为0
B.
汽油机做功冲程气缸内燃气的内能增加
C.
存在温度差的两个物体相接触会发生热传递
D.
出笼的馒头变凉的过程中所含的热量在减少
【答案】C
【解析】
A．一切物体都有内能，0℃的冰块内能不为零，故A错误；
B．在汽油机的做功冲程中，燃烧产生的高温高压气体迅速膨胀，推动活塞向下运动，内能转化为机械能，内能减小，故B错误；
C．热传递的条件是温度差，存在温度差的两个物体相接触会发生热传递，故C正确；
D．出笼的馒头变凉的过程中温度降低，内能减小，热量是过程量，不能说“含有”，故D错误。
故选C。
3.
（2020?衡阳）如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下列说法正确的是（ ）
A．一个工作循环的正确顺序是：甲乙丙丁
B．乙图冲程能获得动力
C．丁图冲程有明显机械能转化为内能的过程
D．丙图冲程存在化学能转化为内能的过程
【答案】C。
【解析】
甲图中两个气阀都关闭，火花塞点火，活塞下运动，是做功冲程，此冲程将内能转化为机械能；
乙图中进气门打开，活塞向下运行，气缸容积增大，是吸气冲程；
丙图中排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程；
丁图中两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程，是机械能转化为内能；
A、四个冲程的正确顺序是乙丁甲丙，故A错误；
B、乙图为吸气冲程，内燃机在做功冲程能获得动力，故B错误；
C、丁图为压缩冲程，在该冲程中将机械能转化为内能，故C正确；
D、丙图为排气冲程，而在做功冲程存在化学能转化为内能的过程，故D错误。
故选：C。
4.
（2020?甘孜州）下列关于热值和热机效率的说法，正确的是（ ）
A．使燃料燃烧更充分，可以增大热值
B．使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率
C．柴油机的热机效率通常为100%
D．燃料燃烧释放的热量越大，热值越大
【答案】B
【解析】
AD、热值是燃料的特性，只与燃料的种类有关，与燃烧是否充分、释放热量多少无关，故AD错误；
B、使燃料燃烧更充分，可以增大有效利用的能量，可以提高热机的效率，故B正确；
C、热机在工作时不可避免的要克服机械部件间的摩擦做额外功，机械效率不可能达到100%，故C错误。
故选：B。
5.
（2019成都）如图是汽车四冲程发动机的一个冲程示意图，下列说法正确的是（ ）
A．该冲程是做功冲程
B．该冲程机械能转化为内能
C．这种汽车对环境没有污染
D．此发动机的效率可达90%
【答案】C
【解析】
A、煤油和冰是不种物质，但是由表格可知，比热容是相同的，故A错误；
B、水和冰是同种物质，但是物态不同，比热容由表格可知时不同的，发生了变化；故B错误；
C、根据公式Q=cm△t可知，当
m和△t一定时，铝的比热容比铜大，所以铝吸收的热量更多，所以选
C。
D、根据公式Q=cm△t可知，当m和Q相同时，水比煤油比热容大，所以水升高的温度少，故D错误。
6.
如图所示，将手中的铁丝同一位置快速地弯折十余次，用手指触摸一下被弯折的部位，会感觉到弯折部位的温度升高，这是通过___
__改变物体的内能，上述过程中_
____能转化成
能。其能量转化与汽油机的
冲程的能量转化相同
【答案】做功；机械；内；压缩。
【解析】
改变物体内能的方式有热传递和做功两种：做功改变物体内能的实质是能量的转化，具体来说是内能和机械能的相互转化，图中所示，将手中的铁丝同一位置快速地弯折十余次，用手指触摸一下被弯折的部位，会感觉到弯折部位的温度升高，这是通过做功改变物体的内能，上述过程中机械能转化成内能。在汽油机的压缩冲程中，是由活塞的机械能转化为燃气混合气体的内能。
7.（2020·黔西南州）如图所示，给试管内水加热至一定程度，发现试管口木塞会被推出。
(1)给水加热是通过________方式使水的内能增加；木塞被推出后水蒸气的内能________（选填“增大”“减小”或“不变”）。
(2)四冲程内燃机________冲程与这个原理相同；内燃机工作时，产生的噪声和________会对环境造成污染。
【答案】
(1).
热传递；
(2).
减小；(3).
做功；
(4).
废气。
【解析】
（1）改变内能的方式有两种：做功和热传递。给水加热是通过热传递的方式，将酒精燃烧产生的内能转移到水中，使水的内能增加。
木塞被推出是因为水蒸气通过做功的方式，将自身内能转化为木塞的机械能，此过程水蒸气内能减少，温度降低。
（2）四冲程中，做功冲程是内燃机中高温高压的气体将内能转化为活塞的机械能，推动活塞向下运动，从而实现对外做功，与(1)中木塞被推出的原理相同。
内燃机工作时，产生的噪声和废气会对环境造成污染。
8.（2020·无锡）某辆行驶的小轿车，其正常工作时的能量转化情况如图所示，若输入的化学能为2000J，输出的动能为300J。则输出的内能和声能共计______J；输出的有用能量是动能，则小轿车正常工作时的效率为______。
【答案】
(1).
1700；(2).
。
【解析】
[1]由图可知，输入的化学能，输出的动能，输出的内能和声能
[2]小轿车正常工作时的效率。
9.
如图所示,在一试管里装入质量为100g的干燥沙子,用软木塞把管口封住,在塞子的中间插入温度计,测得此时沙的温度为20℃,然后用手捏住试管上不上下晃动,过了一会儿,发现温度计的示数为23℃.(?沙子的比热容为c=0.92×103J/(kg?℃)
(1)在这个过程中，沙子增加的内能为?___?焦。
(2)分析沙子的内能是通过?__
_
?途径增加的。
(3)如果试管内放的是同样质量的水,用同样的方法同样的幅度晃动试管相等的时间,试管的水温会是?___23℃?(填“大于、等于或小于”).
【答案】
(1)276；(2)?做功；(3)?小于。
【解析】
(1)沙子增加的内能等于沙子升高温度吸收的热量：
Q=cm(t?to)=0.92×103J/(kg?℃)×0.1kg×(23℃?20℃)=276J，
(2)晃动试管时，沙子互相摩擦做功，机械能转化为内能，沙子内能增加，温度升高。
(3)由于水的比热容比沙子的比热容大，同样质量的水和沙子相比，对它们做的功相同，则水的温度变化幅度会更小。
10.（2020·湘潭）小明家中的电水查，其铭牌如图所示，他在电水壶中装入2.5L初温为20℃的水，并将这壶水烧开（1标准大气压下），已知该电水壶的效率为84%，问：
（1）小明在壶中装入 kg的水；
（2）此过程中，水吸收了
J热量，这些热量相当于完全燃烧
m3天然气放出的热量？（q天然气＝4.0×107J/m3）
（3）电水壶正常工作时，烧开这壶水需要多长时间？
【答案】（1）2.5；（2）8.4×105；0.021；（3）烧开这壶水需要500s。
【解析】
（1）电水壶装满水水的体积V＝2.5L＝2.5×10﹣3m3，
由ρ＝可知，水的质量：
m＝ρV＝1×103kg/m3×2.5×10﹣3m3＝2.5kg，
（2）在标准大气压下，水的沸点为100℃，
水吸收的热量（有用能量）：
Q吸＝cm（t﹣t0）＝4.2×103J/（kg?℃）×2.5kg×（100℃﹣20℃）＝8.4×105J，
天然气放出的热量等于水吸收的热量，由Q吸＝Q放＝Vq可得，天然气的体积：
V＝＝＝＝0.021m3；
（3）电水壶在额定电压下，P＝P额＝2000W，
由η＝×100%得，消耗的电能：
W＝＝＝1×106J，
由P＝得，烧水时间：
t＝＝＝500s。
故答案为：（1）2.5；（2）8.4×105；0.021；（3）烧开这壶水需要500s。
11.
（2020·南通）小明想估测薯片的热值，进行了如下实验?
(1)将天平放在水平面上并将游码归零，发现指针偏左，则应将平衡螺母向_____端週节；测量质量时，调节天平再次平衡，右盘中的砝码和游码位置如图甲，其质量为_____g?
(2)如图乙，将薯片放在燃烧皿中充分燃烧后，烧杯中0.2kg的水温度升高了5℃，则水吸收的热量Q吸=_____J?[c水=4.2×103J/（kg?℃）]
(3)根据Q放=Q吸和Q放=mq，算出薯片的热值比实际值小得多，原因是∶_____?
【答案】(1).
右
；
(2).
6.2
；
(3).
4.2×103J；
(4).
薯片燃烧放出的热量没有完全被水吸收。
【解析】
(1)[1]天平放在水平面上并将游码归零，发现指针偏左说明天平左侧较重，应将平衡螺母向右调。
[2]由图甲可知，薯片的质量为
(2)[3]水吸收的热量为
(3)[4]薯片燃烧放出的热量没有完全被水吸收。
12.
木柴、焦炭、木炭等都是常用的燃料,取不同质量的这三种物质分别进行完全燃烧,得到了下表的数据:
燃料的质量/g
100
200
燃料完全燃烧放出的热量
Q木柴/J
1.3×106
2.6×106
Q焦炭/J
3.0×106
6.0×106
Q木炭/J
3.4×106
6.8×106
燃料的质量/g
300
400
燃料完全燃烧放出的热量
Q木柴/J
3.9×106
5.2×106
Q焦炭/J
9.0×106
12.0×106
Q木炭/J
10.2×106
13.6×106
(1)从表中的数据可以得到,相同质量的不同燃料,它们完全燃烧所释放的热量是 的;对于同一种燃料,质量越大,完全燃烧所释放的热量越 。?
(2)从表中的数据还可以看出,对于同一种燃料, 和 的比值是不变的,这个不变的比值,反映了燃料本身的一种性质,物理学中把它称之为 ,它是用来描述燃料完全燃烧时,释放热量能力大小的物理量。?
(3)完全燃烧0.01
m3的天然气放出的热量是 J;如果这些热量完全用于加热水,可使 kg的水温度升高10
℃;实际加热这些水所燃烧的天然气比上述要多许多,原因是用燃气灶烧水时,除了水吸收的热量外,一部分传给了盛水容器,另外一部分传给了 (答一个即可)。[q天然气=4.2×107
J/m3,c水=4.2×103
J/(kg·℃)]?
【答案】(1)不同；多；(2)放出热量；质量；热值；(3)4.2×105；10空气。
【解析】
(1)由表格中数据可知,完全燃烧质量相同的木柴、焦炭、木炭放出的热量不同;对于同一种燃料,质量越大,完全燃烧所释放的热量越多。
(2)对于同一种燃料,完全燃烧放出的热量与燃料的质量成正比,即放出热量与质量的比值不变;物理学中用热值表示燃料的这一特性。
(3)完全燃烧0.01
m3的天然气放出的热量Q放=Vq=0.01
m3×4.2×107
J/m3=4.2×105
J;
由于Q吸=Q放,由Q=cmΔt得,水的质量m==10
kg;天然气完全燃烧放出的热量一部分被水吸收,还会被容器、空气吸收。
答案
(1)不同；多；(2)放出热量；质量；热值；(3)4.2×105 ；10空气。
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第12章 机械能和内能
12.4 机械能与内能的相互转化
【学习目标】
1.
理解做功和热传递是改变内能的方式；
2.
熟悉热机的工作原理；
3.
理解热值的概念并掌握一般计算。
4.
通过能量的转化和转移，进一步认识效率的概念。
【知识梳理】
一、改变物体内能的方式—做功
（1）做功是改变物体内能的另一种方式。
①外界对物体做功，物体的内能会增加。
②物体对外界做功，物体的内能会减少。
（2）做功特点：
①条件：物体对外做功，内能减少；外界对
物体做功，内能增加。
②方式：压缩体积；摩擦生热，锻打物体。
③实质：内能与其他形式的能之间发生了转化。
【注意】
①做功和热传递：在改变物体的内能上是等效的。
②搓手是利用做功的方式取暖；呵气是利用热传递的方式取暖。
二、认识热机
（1）定义：利用燃料的燃烧产生的高温高压燃气的内能转化为机械能的机器统称为热机。
（2）种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机等。
（3）能量转化：内能转化为机械能。
【注意】
①工作原理：燃料燃烧时，将化学能转化为内能，内能转化为机械能。
②内燃机：燃料直接在发动机内燃烧产生动力的热机叫内燃机。主要有汽油机和柴油机两种。
三、汽油机
（1）概念：热机的一种，利用气缸内燃烧的汽油产生高温高压的燃气来推动活塞做功的机器。
（2）工作过程：汽油机工作的时候，活塞在气缸内往复运动，活塞从气缸的一端运动到另一端，叫做一个冲程。
①汽油机一个工作循环有四个冲程组成，分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。
②一个工作循环，曲轴转动两周，活塞往复运动两次，对外做功一次。
③四个冲程中，只有做功冲程是燃气对外做功，将内能转化为机械能，其他三个冲程是辅助冲程，主要靠飞轮的惯性来完成。
【注意】
①火花塞点火的是做功冲程；进气门打开的是吸气冲程；排气门打开的是排气冲程。
②发动机的转速指的是曲轴的转速。
四、热值
（1）物理意义：物理学上用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。
（2）定义：1kg的某种燃料完全燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值。
（3）公式：Q=mq，其中Q表示燃料完全燃烧放出的热量，m表示该燃料的质量，q表示燃料的热值。
（4）单位：J/kg。
【注意】
是燃料的一种属性，反映它燃烧过程中，化学能转化为内能本领的大小，它只与燃料的种类有关，与燃烧的形态、质量、体积和有无完全燃烧均无关。
五、热效率
（1）热机的效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率。其计算公式为η=×100%。
（2）提高热机效率：设计和制造时尽量减少能量损失；使用时要保养好，如添加润滑油等。
【难点突破】
1、热值、热效率的相关计算
（1）热值：1kg的某种燃料完全燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值。
（2）热机的效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率。其计算公式为η=×100%。
【例1】（2020·黄石）可燃冰是一种新能源，它是水和天然气在高压低温下形成的类似冰状结晶物质，主要成分是甲烷，我国可燃冰的开采技术处于世界领先水平，用燃气锅炉烧水时，将500kg初温20℃的水加热到100℃，共燃烧了0.1m3的可燃冰，这个过程中水吸收的热量为______J。完全燃烧0.1m3可燃冰放出的热量为______J，燃气锅炉烧水时的效率为______。[c水=4.2×103J/（kg·℃），可燃冰热值q=6.0×109J/m3]
【例2】（2020?南宁）如图所示，将活塞迅速下压，玻璃筒底的棉花被点燃。此过程是通过 的方式增加了筒内空气的内能，能量转化方式与汽油机的
冲程相同。某汽油机在一次工作中消耗了2kg汽油，对外做功为2.3×107J，则汽油机的效率是
（汽油热值为4.6×107J/kg）。
【典型例题】
【热点1】改变内能的方式-做功
【例1】（2019福建）
下列实例中，属于通过做功改变物体内能的是（
）
A.搓手会发热
B.用冷水冷却热鸡蛋
C.晒太阳取暖
D.给热咖啡加冰降温
【例2】（2020?海南）如图所示，用酒精灯加热试管里的水，产生的水蒸气将试管塞冲向空中。在这个过程中，能量转化的顺序为（ ）
A．内能﹣机械能﹣化学能
B．化学能﹣内能﹣机械能
C．机械能﹣内能﹣化学能
D．内能﹣化学能﹣机械能
【热点2】热机、机械能与内能的转化
【例3】（2020?南京）如图是内燃机某冲程的工作示意图，下面四个事例中能量转化与之相同的是（ ）
A．瓶塞冲出
B．搓手取暖
C．压缩气体
D．钻木取火
【例4】（2020?衡阳）如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下列说法正确的是（ ）
A．一个工作循环的正确顺序是：甲乙丙丁
B．乙图冲程能获得动力
C．丁图冲程有明显机械能转化为内能的过程
D．丙图冲程存在化学能转化为内能的过程
【热点3】热值、热效率
【例5】（2019绵竹）一个标准大气压下，将质量1.0kg的水从20℃加热到沸腾，水吸收的热量是_____J。小明家天然气热水器的热效率是84%，他某次洗澡，耗水40kg，自来水进热水器的温度是24℃，出热水器的温度是40℃，小明这次洗澡消耗天然气________m3。已知水的比热容是4.2×10?
J/(kg℃)，天然气的热值是3.2×107J/m3。
【基础过关】
1.（2019自贡）下面实例采用做功方式使划横线物体之内能逐渐减小的是（
）
A．热水倒入茶杯，茶杯的温度升高
B．水蒸气冲开水瓶塞子
C．电炉通电后，电阻丝逐渐变红
D．汽油机压缩冲程中燃料混合物的温度发生变化
2.（2020?牡丹江）如图是汽油机一个工作循环的四个冲程，对外做功的冲程是（ ）
A．
B．
C．
D．
3.（2020?巴中）下列四幅图是汽油机一个工作循环的四个冲程，其中不是靠飞轮惯性完成的是（ ）
A．
B．
C．
D．
4.（2020?枣庄）关于热机的效率，下列说法正确的是（ ）
A．在做功同样多的情况下，热机的效率越高消耗的燃料越多
B．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高
C．热机的效率越高说明做功越快
D．热机损失的能量中，废气带走的能量较少，主要是由于机械摩擦损失的
5.（2019?宜昌）如图所示，在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团硝化棉，把活塞迅速压下去，看到棉花燃烧起来，活塞被向上顶起。关于这个过程说法正确的是（
）
A.活塞对棉花做功，使棉花温度升高
B.缓慢压下活塞也能看到同样的实验现象
C.压下活塞的过程中是内能转化为机械能
D.活塞被向上顶起相当于内燃机的做功冲程
6.
（2019泰州）
如图，在大玻璃瓶与小玻璃瓶内各装入适量的水，将小瓶瓶口向下放入大瓶，使小瓶恰好悬浮.塞紧大瓶瓶塞，用气筒向大瓶内打气，大瓶内水面上方气压增大，小瓶会_______(下沉/上浮/继续悬浮)；继续打气直到瓶塞跳起，瓶口出现“白雾”，此过程大瓶上方的气体对瓶塞做功，______能转化为________能。
7.（2019遂宁）为了减少环境污染，共建绿水青山的美好生态，我市部分农村地区已经用上了天然气烧水煮饭，设天然气热值为4.2×107J/kg，完全燃烧0.2kg天然气放出的热量为______J；若这些热量的25%被12.5kg、30℃的水吸收，能使水的温度升高到______℃．（c水=4.2×103J/kg?℃）
8.（2020?西宁）青海油田涩北天然气田连续10年保持稳产，为西宁人民的生产、生活用气提供了有力保障。已知天然气的热值是7×108J/m3，若小明家完全燃烧0.01m3的天然气，放出的热量为
J；做饭时会闻到饭香，从物理学角度来看，属于
现象。
9.（2020·苏州）某燃气热水器将20kg的水从10℃加热到60℃，完全燃烧了0.21m3的煤气。水吸收的热量是
J．热水器烧水的效率是
。[已知水的比热容为4.2×103J/（kg?℃），煤气的热值为4×107J/m3]
10.
如图是汽油机一个工作循环的四个冲程，其中图________是将内能转化为机械能的冲程。现有一台四冲程汽油机，飞轮的转速为2400r/min,这次汽油机每秒钟内完成_______个冲程，对外做了________次功。
11.（2020·聊城）小华家使用的是天然气热水器，他尝试估测该热水器的效率，以核对铭牌上的数值是否准确。当只有该热水器使用天然气时。把50kg的水从20℃加热到54℃，天然气表的示数由1365.05m3变为1365.17m3，已知水的比热容c=4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值q=7.0×107J/m3。求：
(1)水吸收的热量；
(2)消耗的天然气完全燃烧故出的热量；
(3)该热水器的效率。
【综合提优】
1.
如图所示,有关这个蒸汽机模型的说法不正确的是
( )
A.酒精燃烧时将内能转化为化学能
B.水吸热发生了汽化现象
C.蒸汽的内能转化为轮子的机械能
D.内能的一个重要应用是可以用来做功
2.（2020·连云港）关于温度、热量和内能，下列说法正确的是（ ）
A.
0℃的冰块内能为0
B.
汽油机做功冲程气缸内燃气的内能增加
C.
存在温度差的两个物体相接触会发生热传递
D.
出笼的馒头变凉的过程中所含的热量在减少
3.
（2020?衡阳）如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下列说法正确的是（ ）
A．一个工作循环的正确顺序是：甲乙丙丁
B．乙图冲程能获得动力
C．丁图冲程有明显机械能转化为内能的过程
D．丙图冲程存在化学能转化为内能的过程
4.
（2020?甘孜州）下列关于热值和热机效率的说法，正确的是（ ）
A．使燃料燃烧更充分，可以增大热值
B．使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率
C．柴油机的热机效率通常为100%
D．燃料燃烧释放的热量越大，热值越大
5.
（2019成都）如图是汽车四冲程发动机的一个冲程示意图，下列说法正确的是（ ）
A．该冲程是做功冲程
B．该冲程机械能转化为内能
C．这种汽车对环境没有污染
D．此发动机的效率可达90%
6.
如图所示，将手中的铁丝同一位置快速地弯折十余次，用手指触摸一下被弯折的部位，会感觉到弯折部位的温度升高，这是通过___
__改变物体的内能，上述过程中_
____能转化成
能。其能量转化与汽油机的
冲程的能量转化相同
7.（2020·黔西南州）如图所示，给试管内水加热至一定程度，发现试管口木塞会被推出。
(1)给水加热是通过________方式使水的内能增加；木塞被推出后水蒸气的内能________（选填“增大”“减小”或“不变”）。
(2)四冲程内燃机________冲程与这个原理相同；内燃机工作时，产生的噪声和________会对环境造成污染。
8.（2020·无锡）某辆行驶的小轿车，其正常工作时的能量转化情况如图所示，若输入的化学能为2000J，输出的动能为300J。则输出的内能和声能共计______J；输出的有用能量是动能，则小轿车正常工作时的效率为______。
9.
如图所示,在一试管里装入质量为100g的干燥沙子,用软木塞把管口封住,在塞子的中间插入温度计,测得此时沙的温度为20℃,然后用手捏住试管上不上下晃动,过了一会儿,发现温度计的示数为23℃.(?沙子的比热容为c=0.92×103J/(kg?℃)
(1)在这个过程中，沙子增加的内能为?___?焦。
(2)分析沙子的内能是通过?__
_
?途径增加的。
(3)如果试管内放的是同样质量的水,用同样的方法同样的幅度晃动试管相等的时间,试管的水温会是?___23℃?(填“大于、等于或小于”).
10.（2020·湘潭）小明家中的电水查，其铭牌如图所示，他在电水壶中装入2.5L初温为20℃的水，并将这壶水烧开（1标准大气压下），已知该电水壶的效率为84%，问：
（1）小明在壶中装入 kg的水；
（2）此过程中，水吸收了
J热量，这些热量相当于完全燃烧
m3天然气放出的热量？（q天然气＝4.0×107J/m3）
（3）电水壶正常工作时，烧开这壶水需要多长时间？
11.
（2020·南通）小明想估测薯片的热值，进行了如下实验?
(1)将天平放在水平面上并将游码归零，发现指针偏左，则应将平衡螺母向_____端週节；测量质量时，调节天平再次平衡，右盘中的砝码和游码位置如图甲，其质量为_____g?
(2)如图乙，将薯片放在燃烧皿中充分燃烧后，烧杯中0.2kg的水温度升高了5℃，则水吸收的热量Q吸=_____J?[c水=4.2×103J/（kg?℃）]
(3)根据Q放=Q吸和Q放=mq，算出薯片的热值比实际值小得多，原因是∶_____?
12.
木柴、焦炭、木炭等都是常用的燃料,取不同质量的这三种物质分别进行完全燃烧,得到了下表的数据:
燃料的质量/g
100
200
燃料完全燃烧放出的热量
Q木柴/J
1.3×106
2.6×106
Q焦炭/J
3.0×106
6.0×106
Q木炭/J
3.4×106
6.8×106
燃料的质量/g
300
400
燃料完全燃烧放出的热量
Q木柴/J
3.9×106
5.2×106
Q焦炭/J
9.0×106
12.0×106
Q木炭/J
10.2×106
13.6×106
(1)从表中的数据可以得到,相同质量的不同燃料,它们完全燃烧所释放的热量是 的;对于同一种燃料,质量越大,完全燃烧所释放的热量越 。?
(2)从表中的数据还可以看出,对于同一种燃料, 和 的比值是不变的,这个不变的比值,反映了燃料本身的一种性质,物理学中把它称之为 ,它是用来描述燃料完全燃烧时,释放热量能力大小的物理量。?
(3)完全燃烧0.01
m3的天然气放出的热量是 J;如果这些热量完全用于加热水,可使 kg的水温度升高10
℃;实际加热这些水所燃烧的天然气比上述要多许多,原因是用燃气灶烧水时,除了水吸收的热量外,一部分传给了盛水容器,另外一部分传给了 (答一个即可)。[q天然气=4.2×107
J/m3,c水=4.2×103
J/(kg·℃)]?
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