物理九年级上册知识讲义13.4热机效率和环境保护-沪科版（含答案）

初中物理 热机效率和环境保护
【考点精讲】
（一）热机效率
热机工作时的能量走向图
定义 热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值叫做热机的效率。
公式 η＝
提高热机效率的途径 ① 使燃料充分燃烧，如：将煤粒磨成煤粉、加大送氧量，使其燃烧更充分；
② 尽量减小各种热量损失；
③ 机件间保持良好的润滑，减小摩擦
◆说明：热机的效率总小于1，主要是由于燃料不能完全燃烧、废气带走一部分热量、克服摩擦做功、热传递损失能量等原因，没办法将全部能量都用来做功。
（二）环境保护
热机为人类的发展做出了重大贡献，但也带来了许多环境污染问题。

污染 类型 ① 废气污染
② 噪声污染
危害 不但直接有害人体健康，而且影响植物和水生物正常生长，甚至影响全球气候。
减少污染 主要措施 （1）改进燃烧设备，消除烟尘。
（2）提高燃料的综合利用，采取集中供热。
（3）充分开发利用污染少和无污染的能源，如太阳能。
（4）在内燃机排气管上安装消音器，以减少噪声污染。
（5）大力开展植树、种草活动，使空气得到净化。
【典例精析】
例题1 （常德）热机的效率较低，为了提高热机的效率，你认为下列方法目前不可行的是（　　）
A. 尽量使燃料充分燃烧
B. 尽量减少各种热损失
C. 尽量减少因克服摩擦力而额外消耗的能量
D. 想办法把燃料放出的热量全部用来做有用功
思路导航：在现有条件下，热机工作过程中燃料不可能完全燃烧，机械摩擦和散热要消耗能量、废气带走较大部分能量，所以燃料燃烧释放出的热量不可能全部做有用功。
答案：D
例题2 建筑工地上有一台大型汽车吊，把100t建筑材料从地面吊到15m高处，汽车吊做的有用功为 J，在这过程中，汽车吊消耗柴油的质量为2.0kg，则完全燃烧2.0kg柴油释放的内能为 J，该过程中汽车吊的效率为 %。（柴油的热值为q＝4.3×107J/kg，取g＝10N/kg）
思路导航：①∵m＝100t＝1×105kg，g＝10N/kg，
∴建筑材料的重力为：G＝mg＝1×105kg×10N/kg＝1×106N，
而h＝15m，
∴汽车吊做的有用功为：W有＝Gh＝1×106N×15m＝1.5×107J。
②∵m柴油＝2.0kg，q＝4.3×107J/kg，
∴柴油完全燃烧放出的热量为：Q放＝mq＝2.0kg×4.3×107J/kg＝8.6×107J。
③汽车吊的效率为：η＝≈17.4%。
答案：1.5×107，8.6×107，17.4
例题3 （鞍山）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6kg的无烟煤，水的比热容为4.2×103J/（kg?℃），无烟煤的热值是3.4×107J/kg，试求：
（1）锅炉内200kg的水吸收的热量是多少？6kg无烟煤完全燃烧放出的热量是多少？
（2）此锅炉的效率是多少？
思路导航：解决此题可结合热量公式Q＝cm△t求解水吸收的热量，利用热量公式Q＝qm求解无烟煤完全燃烧放出的热量，结合效率公式η＝求解锅炉的效率。
答案：由Q吸＝c水m水△t＝4.2×103J/（kg?℃）×200kg×（100℃－25℃）＝6.3×107J；
由Q放＝m煤q煤＝3.4×107J/kg×6kg＝2.04×108J；
由公式η＝＝30.9%；
答：（1）锅炉内的水吸收的热量是6.3×107J；6kg无烟煤完全燃烧放出的热量是2.04×108J；（2）此锅炉的效率是30.9%。
【总结提升】
1. 由于热机在工作过程中，总有能量损失，所以热机的效率总小于1。由于损失的原因比较多，所以热机的效率一般都较低。汽油机的效率为20％~30％，柴油机的效率为30％～45％。柴油机的效率比汽油机的效率高，这主要是因为柴油机的构造和工作过程与汽油机有所不同，因为柴油机在压缩冲程中的压缩比比汽油机更大。
2. “功率”和“效率”由于都有一“率”字，容易混淆而出错，这是两个意义截然不同的概念。功率表示物体做功的快慢，而效率是指用来做有用功的那部分能量跟燃料完全燃烧放出的热量之比，反映的是能量利用率的问题。
同步练习：
（答题时间：15分钟）
1. 下列关于热机和环境保护的说法中正确的是（ ）
A. 热机的大量使用会造成环境污染
B. 所有的热机都是用汽油作燃料
C. 汽车排出的尾气都是有毒气体
D. 热机产生的噪声，可以被热机上的消声器完全消除
2. 热机甲的效率比热机乙的效率大，这句话的意思是（　　）
A. 甲的功率比乙的功率大
B. 甲在单位时间内烧的燃料比乙少
C. 甲比乙能做更多的功
D. 甲对燃料燃烧释放的热能的利用率比乙高
3. 热机的效率是热机性能的一个重要指标，下面关于热机效率的叙述不正确的是（　　）
A. 在设计和制造上，要不断改进和革新，以减少各种能量损失，就有可能使热机效率达到100%
B. 两辆型号相同的小汽车，以相同的速度行驶相同的路程，耗油量小的那辆车效率较高
C. 在使用上要正确使用，注意保养，可提高效率
D. 在热机的各种损失中，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
4. 一位同学阅读了某牌号汽车发动机的说明书后，将内燃机的能量流向制成如图所示的图表，请你根据给出的信息，计算该内燃机的效率为 至 。
5. 一台汽油机工作时的功率为P，在t时间内烧掉汽油的质量为m，如果汽油的热值是q，则这台汽油机的效率是 ，这段时间做的额外功是 。
6. 一台单缸四冲程汽油机在一个工作循环中消耗了10g汽油（汽油的热值为4.6×107J/kg），这些汽油完全燃烧产生的热量是 J。如果这台汽油机的效率为30%，则一个工作循环中输出的有用机械能为 J。
7. （苏州）某家庭需要将50 kg、20 ℃的水加热到60 ℃作为生活用热水，他们利用煤气灶烧水，需燃烧0.8 kg煤气.已知煤气的热值q＝4.2×107 J/kg，水的比热容c＝4.2×103 J/（kg·℃）。求：
（1）50 kg、20 ℃的水加热到60 ℃需吸收的热量；
（2）完全燃烧0.8 kg煤气放出的热量；
（3）煤气灶烧水的效率.
8. 用烟煤烧水时，将10 kg水从20 ℃加热到100 ℃，燃烧了1.4 kg的烟煤.水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），烟煤的热值约为3×107 J/kg。试求：
（1）水吸收的热量是多少？
（2）1.4 kg的烟煤完全燃烧放出的热量是多少？
（3）实际上烟煤未完全燃烧.若水吸收的热量是烟煤放出热量的8.4%，那么烟煤实际放出的热量是多少？
9. 泰安五岳专用汽车有限公司是一家大型的特种专用汽车生产基地。该厂某型号专用车在车型测试中，在一段平直的公路上匀速行驶5.6 km，受到的阻力是3.0×103 N，消耗燃油1.5×10－3 m3（假设燃油完全燃烧）.若燃油的密度ρ＝0.8×103 kg/m3，热值q＝4×107 J/kg，求：
（1）专用车牵引力所做的功；
（2）已知热机效率η＝（式中W为热机在某段时间内对外所做的功，Q为它在这段时间内所消耗的燃油完全燃烧所产生的热量），则该专用车的热机效率是多少？
答案：
1. A 解析：A. 热机都是靠燃烧燃料获得能量的，汽油、柴油等燃料燃烧时都会放出有害气体，污染环境，所以A是正确的；
B. 热机中有燃烧汽油的（汽油机），有燃烧柴油的（柴油机），有燃烧液态氢的（火箭喷气发动机），所以B是错误的；
C. 汽车排出的气体中有二氧化碳、水蒸气、一氧化碳、氮氢化合物等，其中二氧化碳和水蒸气是无害的，所以C是错误的；
D. 消声器只是减弱噪声，而不是消除噪声，所以D是错误的。
2. D 解析：热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。甲的效率高，则甲用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比大，即甲对燃料释放的热能的利用率比乙高。
3. A 解析：A. 在设计和制造上，要不断改进和革新，以减少各种能量损失，热机效率相应提高，但不可能达到100%。此选项错误；
B. 两辆型号相同的小汽车，以相同的速度行驶相同的路程，做的有用功相同，耗油量小的那辆车效率较高。此选项正确；
C. 在使用上要正确使用，注意保养，减少摩擦消耗的能量。此选项正确；
D. 在热机的各种损失中，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。此选项正确。
4. 24%；30% 解析：当损失的各种能量在总能量中占的百分比最大时，该内燃机的效率最低，即为：100%－35%－32%－9%＝24%；
当损失的各种能量在总能量中占的百分比最小时，该内燃机的效率最高，即为：100%－33%－30%－7%＝30%。
5. mq－Pt 解析：在t时间内汽油完全燃烧，能放出的热量Q＝W总＝mq，
汽油机工作对外所做的功为有用功，由功率P＝得：W有＝Pt，
则η＝∴W额＝W总－W有＝mq－Pt。
6. 4.6×105，1.38×105 解析：汽油的质量：m＝10g＝0.01kg，
汽油完全燃烧产生的热量：
Q放＝qm＝4.6×107J/kg×0.01kg＝4.6×105J，一个工作循环中输出的有用机械能：
W有＝η×W总＝30%×4.6×105J＝1.38×105J；
7. （1）解：Q吸＝cm（t–t0）＝4.2×103 J/（kg·℃）×50 kg×（60 ℃－20 ℃）＝8.4×106 J
（2）解：Q放＝mq＝0.8 kg×4.2×107 J/kg＝3.36×107 J
（3）解：
解析：（1）知道水的质量、水的比热容和水的初温和末温，利用吸热公式求水吸收的热量；（2）知道煤气的质量和煤气的热值，利用Q放＝mq计算煤气完全燃烧放出的热量；（3）水吸收的热量是有用的能量，煤气完全燃烧放出的热量为总能量，利用效率公式求燃气灶烧水的效率。
8. 解：（1）水吸收的热量：
Q吸＝cm（t－t0）
＝4.2×103 J/（kg·℃）×10 kg×（100 ℃－20 ℃）
＝3.36×106 J
（2）1.4 kg的烟煤完全燃烧放出的热量：
Q＝mq＝1.4 kg×3×107 J/kg＝4.2×107 J
（3）由Q吸＝Q放×8.4%得：
Q放＝＝＝4×107 J
解析：计算燃料的利用率时，常常先使用公式Q吸＝cm（t－t0）计算物体吸收的热量，使用公式Q放＝mq计算燃料燃烧放出的热量；再使用公式计算燃料的利用率。
9.（1）因为专用车匀速行驶，所以牵引力
F＝f＝3.0×103 N
牵引力做的功：
W＝Fs＝3.0×103 N×5.6×103 m
＝1.68×107 J
（2）消耗燃油的质量：
m＝ρV＝0.8×103 kg/m3×1.5×10－3 m3＝1.2 kg
燃油完全燃烧所产生的热量：
Q＝mq＝1.2 kg×4×107 J/kg＝4.8×107 J
热机效率：
η＝＝＝35%
解析：（1）车匀速运动，牵引力等于阻力，牵引力做的功就是克服阻力做的功；（2）已知消耗燃油体积，利用密度公式求燃油的质量，利用燃料完全燃烧放热公式可求出燃油完全燃烧放出的热量，再利用效率公式便可求出专用车的热机效率。