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1、第三章 热学专题3.4热机及其效率 能量的转化与守恒一、热机1.热机：利用内能做功的机械叫热机。热机的种类：分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。内燃机根据其所使用的燃料分为汽油机和柴油机两类。2. 内燃机的工作原理（1）汽油机：四冲程汽油机的结构汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞。冲程活塞在气缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。汽油机的工作过程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。吸气冲程靠惯性运动，吸进汽油与空气的混合物；压缩冲程外界对气体做功，机械能转化为内能，气体温度升高；做功冲程化学能转化为
2、内能，气体温度升高，气体对外做功，内能转化为机械能；排气冲程靠惯性运动，排出废气。（2）柴油机：四冲程柴油机的结构汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、喷油嘴。柴油机的工作过程与汽油机几乎一样，但有三个区别：1）吸气冲程：汽油机吸进的是汽油和空气的混合物，柴油机吸进的仅仅是空气；2）压缩冲程：汽油机压缩的是汽油和空气的混合物，汽油机压缩的仅仅是空气；3）做功冲程：汽油机用火花塞点火，柴油机用喷油嘴喷油。二、热机效率1热值（q）：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫热值；热值单位是：J/kg。（1）燃料燃烧放出热量：Q放 qm；（Q放 是燃料放出的热量，单位是J；q是热值，单位是J/kg；m
3、是质量，单位是kg。）对于热值的概念，要注重理解三个关键词：“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg是指燃料的质量，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不等于热值的数值；某种燃料是指热值与燃料的种类有关；完全燃烧意思是燃料要完全烧尽，否则1kg燃料燃烧过程中，化学能转变成内能就不是该热值所确定的值。（2）热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关。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，叫热机的效率。热
4、机的效率是热机性能的一个重要指标。公式：3.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。注意：热机能量的损失：燃料未完全燃烧（完全燃烧条件：充足空气，研磨成细颗粒）； 废气排出带走能量（废气的利用）；克服磨擦，消耗能量（使用润滑剂，减小摩擦）。三、能量的转化与守恒1.能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变。2能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体，小到原子核，也无论是物理学问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转
5、化的过程，都遵从能量守恒定律。考点一：热机例1（2017怀化）在热机工作的四个冲程中，对外做功的是（）。A吸气冲程；B压缩冲程；C做功冲程；D排气冲程变式跟进1：（2016深圳）对如图描述正确的是（）。A甲：水在沸腾过程中继续吸热，温度不变；B乙：体温计读数为6.6；C丙：内燃机在此冲程中，把机械能转化为内能；D丁：音叉和长笛的音调、响度、音色均相同考点二：热机效率例2（2017威海）装着开水的暖水瓶塞有时会弹起来，同时看到一股“白气”冒出来，以下解释正确的是（）。A木塞弹起来，是因为暖水瓶里的空气受热膨胀对木塞做功；B在木塞弹起过程中瓶内气体的内能增加，木塞的机械能增加；C看到的“白气”是从
6、瓶子里出来的水蒸气；D看到的“白气”是水蒸气遇冷液化形成的小冰晶变式跟进2：（2017天水）如图所示，对于图片中所描述的物理过程，下列分析中正确的是（）。A图甲，厚玻璃内的空气被压缩时，空气的内能减少；B图乙，瓶子内的空气推动塞子跳起时，空气的内能增大；C图丙，试管内的水蒸气推动了塞子冲出时，水蒸气的内能减少；D图丁，汽缸内的气体推动活塞向下运动时，气体的内能增大考点三：能量转化与守恒例3 （2017威海）如图是四冲程汽油工作状态示意图，由图可以看出，此时它正处在 冲程，当燃料混合在气缸内燃烧时将 能转化为内能。变式跟进3：（2017岳阳）随着人们的生活水平的提高，汽车走进千家万户。关于小汽车
7、涉及的知识说法正确的是（ ）。A用甘油做发电机的冷却剂； B发电机做功冲程将内能转化为机械能；C精心保养可使发电机的效率达到100%；D排出的尾气对环境没有任何污染一、选择题1.（2017烟台）如图所示，是汽油机工作时的四个冲程，其中属于做功冲程的是（）。ABCD.（2017滨州）（多选题）下列说法正确的是（）。A炒菜时，满屋飘香，表明分子在不停地做无规则运动；B用水作为汽车发动机的冷却剂，主要是因为水的比热容较大；C煤的热值比干木柴的大，煤燃烧时放出的热量比干木柴燃烧时放出的热量多；D四冲程汽油机的做功冲程中，内能转化为机械能3.（2017泰安）四冲程内燃机工作时，将内能转化成机械能的冲程是
8、（）。A吸气冲程； B压缩冲程； C做功冲程； D排气冲程4.（2017临沂）关于图中所示实验的说法，错误的是（ ）。A.试管口出现的白雾是液化的结果； B.该实验基本能反映热机的工作原理；C.木塞冲出的过程机械能转化为内能；D.该实验可以说明做功能改变物体的内能5.（2017杭州）如图，汽油机处于工作过程中的某个冲程，对此冲程下列叙述正确的是（）。A压缩冲程，机械能转化为内能；B压缩冲程，内能转化为机械能；C做功冲程，机械能转化为内能；D做功冲程，内能转化为机械能6.（2017郴州）小明放学回家，看到妈妈正在做饭，小明的以下分析正确的是（）。A回到家中就能闻到饭菜香味是分子无规则运动的结果；
9、B用高压锅煮饭，熟得比较快，是因为气压越大，水的沸点越低；C用燃气灶炒菜，燃料燃烧时将内能转化为化学能；D盛热汤的碗很烫，是因为热汤把温度传给了碗7.（2017天水）如图所示，对于图片中所描述的物理过程，下列分析中正确的是（）。A图甲，厚玻璃内的空气被压缩时，空气的内能减少；B图乙，瓶子内的空气推动塞子跳起时，空气的内能增大；C图丙，试管内的水蒸气推动了塞子冲出时，水蒸气的内能减少；D图丁，汽缸内的气体推动活塞向下运动时，气体的内能增大8.（2017河北）下列说法正确的是（）。A热机消耗的燃料越多，效率就越低；B热传递中温度总是从热的物体传给冷的物体；C同一物体，温度降低的越多，放出热量就越多
10、；D人体内水的比例很高，有助于调节体温，以免温度变化太快对身体造成危害9.（2017宜昌）航空母舰上的飞机起飞时，由于跑道距离有限，可采用蒸汽弹射来帮助飞机迅速起飞所需要的速度，我国正在加紧研制这项技术力争在后续的航母中投入使用，蒸汽弹射是将水蒸气的内能转化为飞机的动能，转化效率约为9%，对于蒸汽弹射以下说法正确的是（）。A功率大、效率高；B功率大、效率低；C功率小、效率；D功率小、效率低11.（2017衡阳）如图所示是四冲程汽油机工作示意图，其中具有很明显的机械能转化为内能的冲程是（ ）。12.（2017海南）如图所示，塞子从试管口跳出，是由于水蒸气对塞子做了功，这个过程中能量的转化是（）。
11、A内能转化为机械能B化学能转化为内能C机械能转化为内能D只有内能的转移13.（2017伊春）下面是汽油机工作时的各个冲程示意图，其中将机械能转化为内能的是（）。ABCD14.(2017绥化)下图是汽油机一个工作循环的四个冲程，顺序排列正确的是（）。A甲乙丙丁； B乙丙甲丁； C丁丙乙甲； D丁甲丙乙15.（2017乌鲁木齐）目前我国已将发动机研发列为国家重大科技专项。下列我国“陆、海、空、天”装备中动力机械不属于热机（利用内能做功的机械）的是（）。A中国高铁交流异步牵引电动机；B052D型导弹驱逐舰燃气轮机；C歼20战机涡扇15煤油发动机；D长征五号火箭液氢液氧发动机16.（2017益阳）为了
12、节约能源，需要提高热机的效率，下列措施不能提高热机效率的是（）。A让燃料与空气混合充分，使燃料燃烧得比较完全；B在设计与制造热机时要不断改进与创新，以减少能量的损失；C尽量减少热机内部各部件间的摩擦；D尽量增加热机的工作时间17.（2017辽通）如图是“长征六号”运载发射场景，它首次采用了我国最新研制的大推力液氧煤油发动机，下列说法正确的是（）。A煤油燃烧得越充分，其热值就越大；B燃气对火箭做功，燃气的内能会增加；C高温高压的燃气推动火箭升空把内能转化成机械能；D使用煤油作燃料，是因为它是可再生能源二、非选择题18.（2017德州）如图所示是演示点火爆炸的实验装置，按动电火花发生器的按钮，点燃
13、盒内酒精，盒盖被打出去，这与四冲程汽油机的 冲程的能量转化相同。19（2017济宁）在一标准大气压下，将50L的水从40加热到沸点。求：（1）水需要吸收的热量；（2）提供这些热量，需要完全燃烧焦碳的质量（q焦碳=3.0107J/kg）。20.（2017连云港）2017年5月18日，中国宣布对南海可燃冰试采实现稳定产气，引发世界各国高度关注，同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的近20倍，若1kg“可燃冰”完全燃烧放出的热量全部被水吸收，可以使 kg水的温度升高50，已知c水=4.2103J/（kg），q可燃冰=8.4108J/kg。21.（2017河北）汽油机作为汽车的“心脏”，在
14、压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈地燃烧，将 能转化成 能，一辆汽车一年行驶三万公里，消耗汽油2t，这些汽油完全燃烧放出 J的热量。（q汽油=4.6107J/kg）22（2017衡阳）今年5月18日，我国首次在南海成功试采海域可燃冰，可燃冰具有热值大、储值大、能直接点燃等特点，它的热值约为1.41010J/m3，则3m3的可燃冰完全燃烧后放出的热量为 J，假设这些热量全部被比热容为4.2103J/（kg）的水吸收，可以使 kg的水温度升高50。23.（2017贵港）汽车已经广泛进入家庭。四冲程汽油机的 冲程将内能转化为机械能，使汽车获得前进的动力。汽车导航仪与卫星之间是通过 来传递信
15、息的。24（2017贵港）“可燃冰”是未来洁净的新能源2017年5月，我国首次可燃冰试采成功。可燃冰具有热值大，能直接点燃等特点，她的热值约为5.9109J/m3问完全燃烧1m3的可燃冰能使质量约为多少kg的20的水温度升高到100？（水的比热容为4.2103J/（kg）25.(2017绥化)用煤气灶烧水时，燃烧1kg的煤气，使100kg的水从20升高到70，则水吸收的热量是 J，煤气完全燃烧放出的热量是 J。（q煤气=4.2107J/kg）26（2017咸宁）2017年5月18日，我国宣布在南海进行的可燃冰试采获得成功可燃冰是一种固态晶体，在常温压下会迅速 （填物态变化）为气态；它的热值约为
16、1.41010J/m3，2m3的可燃冰完全燃烧后可放出 J的热量，若这些热量60%被水吸收，可以将 kg的水从0加热到100。（C水=4.2103J/（kg）27（2017西宁）2017年5月18日，我国在南海海域“可燃冰”试采成功，“可燃冰”作为新型能源，有着巨大的开发使用潜力。同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍，说明“可燃冰”的 很大；以10倍的关系粗略计算，1kg“可燃冰”完全燃烧出的热量为 J。（q煤气=4.2107J/kg）28（2017云南）可燃冰是一种新型能源，它是水和天然气在高压低温情况下形成的类冰状结晶物质，主要成分是甲烷，其开采是世界难题，据中央电视台
17、2017年5月18日报道，我国可燃冰已试采成功，技术处于世界领先，用燃气锅炉烧水时，把质量为500kg，初温为20的水加热到100，共燃烧了12m3天然气，已知水的比热容c水=4.2103J/（kg），天然气的热值q=4.2107J/m3，可燃冰的热值为同体积天然气的160倍，求：（1）水吸收的热量；（2）燃气锅炉烧水时的效率；（3）若换用可燃冰，应使用多少m3可燃冰29（2017广元）汽车汽油机是由四个冲程的不断循环来保证连续工作的，其中由机械能转化为内能的是 冲程已知汽油的热值为4.6107J/kg，2kg汽油完全燃烧时释放的热量为 J。已知汽车防冻液比热容为4.2103J/（kg），防冻
18、液从90冷却到20的过程中，放出的热量为2.94106J，则汽车防冻液的质量为 kg。30（2017眉山）在四冲程汽油机工作过程中，实现内能转化为机械能的是 冲程；完全燃烧500g汽油释放出的热量是 J。（汽油的热值为4.6107J/Kg） 一、选择题1.如图是四冲程汽油机的工作示意图，下列说法正确的是（）。A.甲是压缩冲程，为汽车提供动力；B.乙是吸气冲程，吸进汽油和空气的混合物；C.丙是做功冲程，把内能转化为机械能；D.丁是排气冲程，排出废气2.以下四幅图中，说法正确的是（ ）。A图甲所示，橡皮塞被冲开的过程与内燃机的压缩冲程都是内能转化为机械能的过程B图乙所示，小孩从滑梯上面滑下时，他的
19、重力势能转化为动能C图丙所示，搓手的过程是通过热传递的方式增加内能D图丁所示，酒精灯在使用过程中，酒精的质量和热值都减小了3.如图是四冲程汽油机做功冲程的示意图。汽油燃烧产生高温高压的气体推动活塞向下运动。在活塞向下运动的过程中，汽缸内气体的（ ）。A.内能减少； B.温度降低； C.密度增大； D.分子热运动加快 4.在试管中装入适量的水，试管口用塞子塞住，用酒精灯对试管加热，如图所示。加热一段时间后，塞子冲出去了，则（ ）。A加热过程中酒精的化学能全部转化为水的内能；B塞子冲出前，试管内水的质量不断增大；C塞子冲出时，试管内气体温度不变；D塞子被水蒸气推出过程反映的是汽油机的做功冲程原理5
20、.下列对四个图的描述与分析正确的是( )。甲乙A甲图中软木塞飞出时，管内水蒸气的内能增加B乙图中迅速下压活塞使硝化棉被点燃，此过程中能量转化情况与热机压缩冲程相同C丙图中活塞向上运动时，气缸内气体被压缩，是内燃机的做功冲程D丁图中小朋友下滑时，内能转化机械能6.下列说法正确的是（ ）。A.炽热的铁水具有内能，它的分子在不停的地运动，冰冷的铁水不具有内能，它的分子不会运动；B.在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间后发现塞子受到水蒸气的压力而冲出去，水蒸气的内能转化为塞子的动能；C.机械能为零的物体，内能一定为零；D.汽油机的压缩冲程中，主要是用热传递的方式增加了气缸内物质的内能7.
21、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。关于对图中的补充正确的是（ ）。A做功冲程内能转化为机械能压缩冲程机械能转化为内能；B压缩冲程内能转化为机械能做功冲程机械能转化为内；C压缩冲程机械能转化为内能做功冲程内能转化为机械能；D做功冲程机械能转化为内能压缩冲程内能转化为机械能8.下列有关能量转化的说法中正确的是( )。A蓄电池对外供电时，主要将电能转化为化学能；B家庭中使用的排风扇工作中，主要将电能转化为机械能；C跳水运动员在空中下落过程中，动能转化为重力势能；D篮球撞击篮板被反弹回来，反弹过程中是将动能转化为弹性势能9.如图所示的实验或机器均改变了物体的
22、内能，其中与另外三个改变内能方法不同的图是（ ）。A.探究萘的熔化规律B.压缩气体点燃棉花C.内燃机压缩冲程D.水蒸气将软木塞冲出10.下列关于能量转化的实例，你认为说法正确的是()。A水轮机带动发电机发电电能转化为机械能；B燃料燃烧化学能转化为内能；C汽油机的做功冲程机械能转化为内能；D给蓄电池充电化学能转化为电能11.以下关于能量的说法中，不正确的是（ ）。A所有能量转化过程，都遵守能量守恒定律；B汽油机的做功冲程中，内能转化为机械能；C电动机在工作的过程中，电能转化为机械能的效率小于1 ；D物体受到平衡力的作用时，其重力势能一定保持不变12.某机器的能量流向图如图所示，据此推测该机器可能
23、是（ ）。A热机；B电动机；C发电机；D电吹风13.如图是四冲程汽油机工作状态示意图，下列说法正确的是（ ）。A该图表示的是压缩冲程；B该冲程是内能转化为机械能的过程；C该冲程中气缸内气体分子运动剧烈程度减弱；D该冲程中主要是通过热传递的方式改变气缸内物质的内能14.关于热机，下列说法正确的是（ ）。A.改进技术，能使热机的效率达到100% ；B.柴油机的压缩冲程使得气缸内的气体内能减小；C.利用循环水可为热机降温，主要是利用水蒸发时吸热的特性；D.汽油机除了做功冲程外，其他三个冲程都依靠飞轮的惯性完成15.关于能量及其能量之间的转化，下列说法正确的是（ ）。A.火山具有内能，冰山不具有内能；
24、B.火箭在加速上升时，机械能保持不变；C.拦河大坝使水位升高，增加了水的重力势能；D.坠落的陨石在空中划过一道亮光时，内能转化为机械能16.在试管中装入适量的水，试管口用塞子塞住，用酒精灯对试管加热，如图所示。加热一段时间后，塞子冲出去了，则( )。A加热过程中酒精的化学能全部转化为水的内能；B塞子冲出前，试管内水的质量不断增大；C塞子冲出时，试管内气体温度不变；D塞子被水蒸气推出过程反映的是汽油机的做功冲程原理17.下列与“热”相关的物理现象，描述错误的是（ ）。A汽油机的做功冲程是将内能转化为机械能的过程；B用水作汽车冷却剂，是因为水的比热容较大；C把冰放在手心，感到冷，是因为冰的内能为0
25、；D内燃机的压缩冲程，主要是用做功的方法增加了气缸内物质的内能二、非选择题18.小璇春节回老家过年，爸爸开的是新买的混合动力汽车。混合动力汽车是一种新型汽车，它有两种动力系统。汽车加速，汽油机提供的动力不足时，蓄电池的电能转化为动能，使汽车加速更快；汽车减速，汽车动能转化为电能，由蓄电池贮存起来，减少能量的浪费。两种动力系统也可以独立工作，只有汽油机工作时，与一般的汽车相同；只使用电力时，由电动机提供动力。如表是小璇家的混合动力汽车蓄电池的铭牌，其中电池容量是蓄电池贮存的最大电能。求：电池容量44kWh输入电压220V输入电流20A输出电压150V（1）在家庭电路中对放电完毕的蓄电池充满电要多
26、长时间？（2）若仅由汽油机提供动力，假设一箱汽油完全燃烧放出的热量的24%与蓄电池储存的能量相当，汽车一箱油是多少升？（汽油的热值为3.0107J/L）19.小明家利用天然气灶烧水，把质量为1kg的20的水烧开（在标准大气压下）。（1）通过观察天燃气表得知消耗了0.01m3的天然气，如果天然气的密度为0.7kg/m3，烧水时消耗天然气多少千克？（2）在此过程中水需要吸收多少热量？（3）用额定功率是800W的电热壶在220V额定电压下，烧开同样质量的水，若电能转化为内能的效率是84%，则通电时间是多少？20.联系生活，用所学知识回答下列问题。依照示例，写出下列情景中主要的能量转化形式。序号用电器能量的转化示例收音机发声电能转化为声能1为手机充电2箭射出3电热水壶烧开水4瀑布飞流直下
