14.2热机的效率
考点1 热值
焦炭的热值是3.0×107 J/kg，它表示的物理意义是____________________________。
完全燃烧500 g的酒精放出的热量为 J；完全燃烧2.1 m3的天然气放出的热量为 J。（q酒精＝3.0×107 J/kg，q天然气＝4×107 J/m3）
关于燃料及其热值，下列说法正确的是（ ）
A.没有燃烧的燃料，热值等于零
B.燃料完全燃烧时，它的热值最大
C.燃料的热值与质量和燃烧状态无关
D.燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多
考点2 热机的效率
为了节约能源，需要提高热机的效率，下列措施不能提高热机效率的是（ ）
A.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
B.尽量减少热机内部各部件间的摩擦
C.尽量增加热机的工作时间
D.让燃料与空气混合充分，使燃料燃烧得比较完全
如图是某柴油机的能量流向示意图，其中内能输入为1 kg柴油完全燃烧放出的能量，从图中可以得出，该柴油机的效率为（ ）
A.20% B.30% C.40% D.50%
小明利用家中的燃气表和温度计测量燃气灶烧水的效率。将1 kg的水从20 ℃加热到60 ℃，消耗了0.01 m3的天然气（假设天然气完全燃烧），已知水的比热容为4.2×103 J/（kg·℃），天然气的热值为4.0×107 J/m3，则此次燃气灶烧水的效率为 。
综合练习
天然气的热气值放出为4.4×107J/kg，小明烧开一壶水消耗了0.05kg。完全燃烧这些天然气放出热量为 J；水沸腾时壶盖被顶起，这是内能转化为 能，汽油机的 冲程与此原理相似。
质量为10kg的水温度升高22℃，需要吸收的热量为_____J，若不考虑热量散失，这些热量需要完全燃烧_____g的天然气来提供。[c水=4.2×103J/（kg ℃），q天然气=4.4×107J/kg]
完全燃烧20g热值为2.1×107J/kg的某种燃料，放出的热量可以使质量10kg，温度25℃的水，温度升高 ℃。四冲程汽油机，把机械能转化成内能的是 冲程。[水的比热容c水＝4.2×103J/（kg ℃）]
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 。
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
2020年5月13日，备受大家关注的“悬崖村”的村民们逐渐搬进位于凉山州昭觉县城的易地扶贫搬迁安置点，实现了“拎包入住”。易地扶贫搬迁安置户小强同学家里有一个容积为5L的水壶，水壶里装有3.5kg初温为50℃的水，他用家里的液化气炉具把水加热到70℃使用。（已知液化气的热值q＝4.9×107J/m3）求：
（1）烧水过程水吸收了多少热量？
（2）若实际使用了0.02m3的液化气，则该液化气炉具的效率是多少？
将一瓶酒精用去三分之二，则剩余部分酒精的密度、比热容和热值的大小，下列说法正确的是（ ）
A. 都变为原来的三分之一
B. 密度、比热容不变，热值变为原来的三分之一
C. 都不变
D. 热值不变，密度、比热容变为原来的三分之一
菜油最适宜的烹饪温度在150℃至180℃之间．用天然气将质量为0.02kg的菜油从室温20℃加热到170℃，天然气燃烧释放出的热量有60%被菜油吸收．则菜油吸收了_______J热量，燃烧了______m-3的天然气．（取c菜油= 2.0×103J·（kg·℃）-1，天然气的热值为4×107J/m3）
合理分类和利用垃圾可以变废为宝，在一定条件下，1吨垃圾能榨出170kg燃料油，若燃料油的热值为4.0×107J/kg，则这些燃料油完全燃烧释放出的热量为________J，燃烧时燃料油的化学能转化为______能．
一台柴油机中的燃料完全燃烧放出了8×107 J的热量，共计损失了4.8×107 J能量，下列说法错误的是（ ）
A.该柴油机的效率为40%
B.用来做有用功的能量为3.2×107 J
C.废气带走的能量小于4.8×107 J
D.通过科技进步，在未来可以实现能量零损失
如图是小林探究煤油和菜籽油的热值大小关系的实验装置，记录结果见下表：
燃料 加热前水温/℃ 燃料燃尽后水温/℃
煤油 20 39
菜籽油 20 29
（1）为了保证实验结论的可靠性，小林选择了两套相同装置，除了控制两个烧杯中所装水的质量和初温相同外，还应控制煤油和菜籽油的 相同；
（2）分析表中数据可得出：煤油和菜籽油两种燃料相比较，热值较大的是 ；
（3）小林还想利用本实验的方法测量煤油和菜籽油的热值，则他根据测量的结果计算出的这两种油的热值将比真实值 （选填“偏大”或“偏小”），原因是_____________________________________。
目前运载火箭一般使用液态氢作为燃料，液态氧作为助燃剂，氢的热值为1.4×108 J/kg。
（1）某火箭发射时携带了3×104 kg的液态氢燃料，这些燃料完全燃烧最多能将多少千克、初温为20 ℃的水加热至沸腾 [c水＝4.2×103 J/（kg·℃），当地大气压为一标准大气压]
（2）氢能源车的发动机工作时将液态氢转化为氢气在汽缸中燃烧。某次测试中，一辆氢能源车以70 kW的功率匀速行驶0.5 h，消耗了2 kg燃料，求该发动机的效率。
14.2热机的效率（答案解析）
考点1 热值
焦炭的热值是3.0×107 J/kg，它表示的物理意义是____________________________。
【答案】1 kg的焦炭完全燃烧放出的热量为3.0×107 J
完全燃烧500 g的酒精放出的热量为 J；完全燃烧2.1 m3的天然气放出的热量为 J。（q酒精＝3.0×107 J/kg，q天然气＝4×107 J/m3）
【答案】1.5×107；8.4×107
关于燃料及其热值，下列说法正确的是（ ）
A.没有燃烧的燃料，热值等于零
B.燃料完全燃烧时，它的热值最大
C.燃料的热值与质量和燃烧状态无关
D.燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多
【答案】C
考点2 热机的效率
为了节约能源，需要提高热机的效率，下列措施不能提高热机效率的是（ ）
A.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
B.尽量减少热机内部各部件间的摩擦
C.尽量增加热机的工作时间
D.让燃料与空气混合充分，使燃料燃烧得比较完全
【答案】C
如图是某柴油机的能量流向示意图，其中内能输入为1 kg柴油完全燃烧放出的能量，从图中可以得出，该柴油机的效率为（ ）
A.20% B.30% C.40% D.50%
【答案】B
小明利用家中的燃气表和温度计测量燃气灶烧水的效率。将1 kg的水从20 ℃加热到60 ℃，消耗了0.01 m3的天然气（假设天然气完全燃烧），已知水的比热容为4.2×103 J/（kg·℃），天然气的热值为4.0×107 J/m3，则此次燃气灶烧水的效率为 。
【答案】42%
【解析】
综合练习
天然气的热气值放出为4.4×107J/kg，小明烧开一壶水消耗了0.05kg。完全燃烧这些天然气放出热量为 J；水沸腾时壶盖被顶起，这是内能转化为 能，汽油机的 冲程与此原理相似。
【答案】2.2×106；机械；做功。
【解析】消耗0.05g天然气释放的热量：
Q＝mq＝0.05kg×4.4×107J/kg＝2.2×106J；
水沸腾时壶盖被顶起，这是内能转化为机械能，在汽油机的做功冲程中，高温高压的燃气膨胀做功，将内能转化为机械能。故答案为：2.2×106；机械；做功。
质量为10kg的水温度升高22℃，需要吸收的热量为_____J，若不考虑热量散失，这些热量需要完全燃烧_____g的天然气来提供。[c水=4.2×103J/（kg ℃），q天然气=4.4×107J/kg]
【答案】（1）9.24×105；（2）21；
【解析】质量为10kg的水温度升高22℃，需要吸收的热量为
Q吸=c水m水Δt=4.2×103J/（kg ℃）×10kg×22℃=9.24×105 J
若不考虑热量散失，这些热量需要完全燃烧天然气的质量为
m===0.021kg=21g
完全燃烧20g热值为2.1×107J/kg的某种燃料，放出的热量可以使质量10kg，温度25℃的水，温度升高 ℃。四冲程汽油机，把机械能转化成内能的是 冲程。[水的比热容c水＝4.2×103J/（kg ℃）]
【答案】10；压缩。
【解析】（1）燃料的质量m＝20g＝0.02kg，则该燃料完全燃烧放出的热量：
Q放＝mq＝0.02kg×2.1×107J/kg＝4.2×105J，
由题知，Q吸＝Q放＝4.2×105J，
由Q吸＝cm△t得水升高的温度：△t＝＝＝10℃；
（2）四冲程汽油机的压缩冲程中，活塞压缩汽油和空气的混合物，使其内能增加、温度升高，该过程中机械能转化为内能。
故答案为：10；压缩。
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】1700；15%。
【解析】（1）由图知，输入的化学能E＝2000J，输出的动能E1＝300J
输出的内能和声能：E2＝E﹣E1＝2000J﹣300J＝1700J；
（2）小轿车正常工作时的效率：η＝＝×100%＝15%。
故答案为：1700；15%。
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占的比值越大，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。
2020年5月13日，备受大家关注的“悬崖村”的村民们逐渐搬进位于凉山州昭觉县城的易地扶贫搬迁安置点，实现了“拎包入住”。易地扶贫搬迁安置户小强同学家里有一个容积为5L的水壶，水壶里装有3.5kg初温为50℃的水，他用家里的液化气炉具把水加热到70℃使用。（已知液化气的热值q＝4.9×107J/m3）求：
（1）烧水过程水吸收了多少热量？
（2）若实际使用了0.02m3的液化气，则该液化气炉具的效率是多少？
【解析】（1）水吸收的热量：
Q吸＝cm△t＝4.2×103J/（kg ℃）×3.5kg×（70℃﹣50℃）＝2.94×105J；
（2）0.02m3的液化气完全燃烧放出的热量：
Q放＝Vq＝0.02m3×4.9×107J/m3＝9.8×105J，
该液化气炉具的效率：η＝＝×100%＝30%。
答：（1）烧水过程水吸收的热量为2.94×105J；（2）液化气炉具的效率是30%。
【点睛】此题考查了吸热公式、燃料完全燃烧放热公式和热效率计算公式的应用，属于基本规律的考查，难度不大。（1）已知水的质量、比热容、初温和末温，利用吸热公式Q吸＝cm△t求出水吸收的热量；（2）已知实际使用液化气的体积及其热值，根据公式Q放＝Vq可以求出液化气完全燃烧放出的热量；知道水吸收的热量和液化气完全燃烧释放的热量，两者之比就是该液化气炉具的效率。
将一瓶酒精用去三分之二，则剩余部分酒精的密度、比热容和热值的大小，下列说法正确的是（ ）
A. 都变为原来的三分之一
B. 密度、比热容不变，热值变为原来的三分之一
C. 都不变
D. 热值不变，密度、比热容变为原来的三分之一
【答案】C
【解析】比热容、热值、密度都是物质或燃料的属性，与质量或体积是无关的，即质量改变时，这些属性是不变的．所以一瓶酒精用去三分之二，则剩余部分酒精的密度、比热容和热值都不变．
故选C．
菜油最适宜的烹饪温度在150℃至180℃之间．用天然气将质量为0.02kg的菜油从室温20℃加热到170℃，天然气燃烧释放出的热量有60%被菜油吸收．则菜油吸收了_______J热量，燃烧了______m-3的天然气．（取c菜油= 2.0×103J·（kg·℃）-1，天然气的热值为4×107J/m3）
【答案】 （1）. 6×103 （2）. 2.5×10-4
【解析】Q吸=cmΔt=2.0×103J·（kg·℃）-1×0.02kg×（170℃-20℃）=6×103J；
天然气燃烧放出热量Q放=Q吸/η=6×103J/60％=104J；又Q放=qV得：V=Q放/q=104J/4×107J/m3=2.5×10-4m3.
合理分类和利用垃圾可以变废为宝，在一定条件下，1吨垃圾能榨出170kg燃料油，若燃料油的热值为4.0×107J/kg，则这些燃料油完全燃烧释放出的热量为________J，燃烧时燃料油的化学能转化为______能．
【答案】 （1）. 6.8×109 （2）. 内
【解析】燃料油完全燃烧释放出的热量，
燃烧时燃料油的化学能转化为内能．
一台柴油机中的燃料完全燃烧放出了8×107 J的热量，共计损失了4.8×107 J能量，下列说法错误的是（ ）
A.该柴油机的效率为40%
B.用来做有用功的能量为3.2×107 J
C.废气带走的能量小于4.8×107 J
D.通过科技进步，在未来可以实现能量零损失
【答案】D
如图是小林探究煤油和菜籽油的热值大小关系的实验装置，记录结果见下表：
燃料 加热前水温/℃ 燃料燃尽后水温/℃
煤油 20 39
菜籽油 20 29
（1）为了保证实验结论的可靠性，小林选择了两套相同装置，除了控制两个烧杯中所装水的质量和初温相同外，还应控制煤油和菜籽油的 相同；
（2）分析表中数据可得出：煤油和菜籽油两种燃料相比较，热值较大的是 ；
（3）小林还想利用本实验的方法测量煤油和菜籽油的热值，则他根据测量的结果计算出的这两种油的热值将比真实值 （选填“偏大”或“偏小”），原因是_____________________________________。
【答案】质量；煤油；偏小；燃料燃烧放出的热量不可能完全被水吸收
目前运载火箭一般使用液态氢作为燃料，液态氧作为助燃剂，氢的热值为1.4×108 J/kg。
（1）某火箭发射时携带了3×104 kg的液态氢燃料，这些燃料完全燃烧最多能将多少千克、初温为20 ℃的水加热至沸腾 [c水＝4.2×103 J/（kg·℃），当地大气压为一标准大气压]
（2）氢能源车的发动机工作时将液态氢转化为氢气在汽缸中燃烧。某次测试中，一辆氢能源车以70 kW的功率匀速行驶0.5 h，消耗了2 kg燃料，求该发动机的效率。
【答案】1.25×107 kg；45%
【解析】
（1）3×104 kg的液态氢完全燃烧释放的热量Q＝mq＝3×104 kg×1.4×108 J/kg＝4.2×1012 J
一标准大气压下水的沸点为100 ℃，水的质量m'＝＝1.25×107 kg
（2）氢能源车所做的功W＝Pt＝70000 W×0.5×3600 s＝1.26×108 J
2 kg燃料完全燃烧释放的热量Q'＝m″q＝2 kg×1.4×108 J/kg＝2.8×108 J
该发动机的效率η＝×100%＝45%
