通用版2020_2021学年九年级物理上学期期末复习讲义第3讲热机与热机效率含解析

第3讲热机与热机效率

教学目标

1．熟悉内燃机的运行过程

2．掌热机效率的计算

知识点一内燃机

1．内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。根据燃料的不同分为汽油机和柴油机。

2．四冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程

3．汽油机与柴油机的区别 

【内燃机】

1．针对汽油机的压缩冲程，下列说法中正确的是（　　）

A．气缸中的工作物质压强增大，温度降低 

B．气缸中的工作物质压强减小，温度升高 

C．气缸中的工作物质内能增大，温度升高 

D．气缸中的工作物质内能减小，温度降低

【解答】解：汽油机的压缩冲程汽缸里面的气体质量不变，汽缸里面的气体压强增大，汽缸里面的气体温度升高，所以热机工作时，压缩冲程将机械能转化为内能，故选项ABD错误。

故选：C。

2．如图所示，给试管里的水加热，水沸腾后，水蒸气推动橡皮塞冲出试管口，这个过程与选项四冲程汽油机工作示意图中，哪一个冲程的能量转化过程是相同的（　　）

A． B． C． D．

【解答】解：水沸腾后，水蒸气推动橡皮塞冲出试管口，是水蒸气的内能转化为机械能，与做功冲程中的能量转化相同；

A、图中，两气门都关闭，活塞上行，汽缸容积变小，是压缩冲程，此冲程将机械能转化为内能；

B、图中，排气门开启，活塞上行，气体流出汽缸，是排气冲程；

C、图中，两气门都关闭，活塞下行，汽缸容积变大，是做功冲程，此冲程将内能转化为机械能；

D、图中，进气门开启，活塞下行，气体流入汽缸，是吸气冲程。

故C符合题意，ABD不合题意。

故选：C。

3．关于下列四幅图，下列说法中不正确的是（　　）

A．装置在持续加热一段时间后，塞子飞出的过程中，瓶内气体内能减少 

B．装置从打气到瓶塞跳出之前，瓶内气体和打气筒内能改变方式相同 

C．如图显示的是汽油机的做功冲程，在这个工作过程中内能不断增大 

D．图中火箭加速上升阶段，搭载的卫星的机械能增大

【解答】解：

A、在试管内装些水，用橡胶塞塞住，加热使水沸腾，会看到塞子受到水蒸气的压力而冲出去，此过程蒸气对外做功，内能减小，温度降低，故A正确；

B、用打气筒向瓶内打气的过程中压缩瓶内空气做功，机械能转化为内能；活塞克服与筒壁间的摩擦做功，机械能转化为内能，属于做功改变物体的内能，瓶内气体和打气筒内能改变方式相同，故B正确；

C、汽油机的做功冲程中，燃气对活塞做功，燃气的内能转化为机械能，所以燃气的内能减少，故C错误；

D、火箭加速上升的过程中，搭载的卫星的质量不变，其速度增大、高度增大，所以动能和重力势能都增大，即机械能增大，故D正确。

故选：C。

知识点二热值

1．含义

热值表示燃料质量的一种重要指标。单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时所放出的热量。常用的热值单位，J/kg（固体燃料和液体燃料），或J/m3（气体燃料），符号q。热值反映了燃料燃烧特性，即不同燃料在燃烧过程中化学能转化为内能的本领大小，不随质量、体积的变化而变化。

2．公式

q=Q放/m(固体）；q=Q放/v(气体）

【内燃机】

1．关于燃料的热值，以下说法正确的（　　）

A．燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的热值小 

B．0.5g汽油和2kg汽油，它们的热值是一样的 

C．当燃料未燃烧时，其热值为零 

D．煤油的热值比酒精大，就是说煤油完全燃烧放出的热量比酒精多

【解答】解：

AC、燃料的热值只与燃料的种类有关，与燃料的燃烧情况无关，故AC错误；

B、燃料的热值只与燃料的种类有关，与燃料的质量无关，所以0.5g汽油和2kg汽油的热值是一样的，故B正确；

D、煤油的热值比酒精大，意思是在质量相同时煤油完全燃烧放出的热量比酒精多，故D错误。

故选：B。

2．关于热值下列说法正确的是（　　）

A．燃料燃烧不完全时热值变小 

B．燃料热值越大，燃烧放出的热量越多 

C．2kg煤的热值大于1kg同种煤的热值 

D．燃料热值是燃料的特性，与其他因素无关

【解答】解：A、热值与燃料是否完全燃烧无关，故A错误；

B、燃料的热值越大，只有在相同质量并且完全燃烧的情况下，放出的热量才越多，质量少、燃烧不完全放出的热量就少，故B错误；

CD、热值是燃料本身的特性，只与燃料的种类有关，与其他因素无关，故C错误、D正确。

故选：D。

3．一瓶酒精用掉一半，关于剩下的酒精，下列判断正确的是（　　）

A．密度变为原来的一半 B．比热容不变 

C．温度变为原来的一半 D．热值变为原来的一半

【解答】解：一瓶酒精用掉一半，剩下酒精的质量变小了，体积变小了，温度没有发生变化；密度、比热容、热值是物质的特性，其大小都与质量无关，所以密度、比热容、热值都不变；故B正确。

故选：B。

知识点三热机效率

1．含义

转变为有用功的热量跟燃料燃烧时放出的热量的比叫做热机的效率，也叫热机的有效效率。通常用百分数来表示。

2．公式

η=Q有/Q放×100%

【热机效率】

1．甲、乙两种燃料完全燃烧放出的热量与其质量关系的图象如图所示，下列分析正确的是（　　）

A．甲燃料的热值小于乙燃料的热值 

B．使用甲燃料的热机做的有用功一定更多 

C．完全燃烧相同质量的两种燃料，甲放出的热量更多 

D．使用甲燃料的热机效率一定高，但是热机效率肯定小于 100%

【解答】解：

A、由图可知，取相同质量时，Q甲＞Q乙，根据q＝可知，q甲＞q乙，即甲燃料的热值大于乙燃料的热值，故A错误；

BD、甲燃料的热值大，由Q放＝mq可知，完全燃烧相同质量的甲燃料和其它燃料相比，甲放出的热量多，但使用甲燃料的热机做的有用功不一定多；使用甲燃料的热机做的有用功与燃料完全燃烧放出的热量之比不一定大，使用甲燃料的热机效率不一定高（热机效率肯定小于 100%是正确的），故BD错误；

C、甲燃料的热值大于乙燃料的热值，由Q放＝mq可知，完全燃烧相同质量的甲、乙燃料，甲放出的热量大于乙燃料，故C正确；

故选：C。

2．关于热机的效率，下列说法正确的是（　　）

A．热机的效率越高说明做功越快 

B．热机的效率越高，在做功同样多的情况下消耗的能量越多 

C．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

D．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高

【解答】解：

A、热机的效率越高说明用来做有用功的能量占燃料完全燃烧产生的能量之比大，做功越快是指功率大，功率和效率没有关系，故A错误；

B、热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，当热机做一定的有用功，消耗的燃料越少，效率一定越高，故B错误；

C、热机损失的能量中，主要有废气带走的能量，故C错误；

D、柴油机的效率一般要高于汽油机，故D正确。

故选：D。

3．如图是某型号的消防车，其部分相关数据如下表，该车通过柴油发动机提供

喷水动力。在喷水作业的过程中，（已知柴油的热值为4.0×107J/kg，g＝10N/kg）求：

（1）喷嘴处喷水时受到的喷水压力是多少？

（2）若将满箱水全部喷到50m高的着火点处，这一过程中克服整箱水的重力做的有用功是多少？

（3）若这次消防车喷水效率是10%，此过程需要消耗柴油的质量是多少？

【解答】解：（1）根据p＝知，

喷嘴处喷水时受到的喷水压力为：

F＝pS＝1×106Pa1×4×10﹣4m2＝400N；

（2）根据ρ＝知，

水的质量为：

m＝ρV＝1.0×103kg/m3×8m3＝8×103kg，

水的重力为：

G＝mg＝8×103kg×10N/kg＝8×104N，

克服整箱水的重力做的有用功为：

W＝Gh＝8×104 N×50m＝4×106J；

（3）根据η＝知，

燃料完全燃烧放出的热量为：

Q放＝＝＝4×107J

由Q＝mq知，

消耗柴油的质量为：

m′＝＝＝1kg。

答：（1）喷嘴处喷水时受到的喷水压力是400N；

（2）若将满箱水全部喷到50m高的着火点处，这一过程中克服整箱水的重力做的有用功是4×106J；

（3）若这次消防车喷水效率是10%，此过程需要消耗柴油的质量是1kg。

4．我国自主研制的某型新一代战斗机，具备超音速巡航、电磁隐身、超机动性、超视距攻击等优异性能，该飞机最大起飞质量为3.7×104kg，最大飞行高度达2×104m，最大航行速度达2.5倍声速，最大载油量为104kg．飞机航行时所受阻力的大小与速度的关系见下表（其中一格数据漏填）：

飞机发动机燃油完全燃烧的能量转化为机械能的效率是30%，飞机使用的航空燃油的热值为5×107J/kg

（1）飞机发动机完全燃烧104kg燃油放出的热量为多少焦？

（2）当飞机以400m/s的速度巡航时，飞机航行时所受阻力的大小是　4.8×104　N；

当飞机以300m/s的速度巡航时，飞机发动机的输出功率是多少？

（3）某次执行任务时，驾驶员发现飞机的油量还有5.4×103kg，若以500m/s的速度巡航，则飞机最多还能飞行多少？

【解答】解：（1）完全燃烧104kg燃油放出的热量：

Q＝mq＝1×104kg×5×107J/kg＝5×1011J；

（2）由表中数据可知，飞机所受阻力与速度的平方成正比，即f1：f2＝v12：v22，

则飞机以400m/s的速度巡航时，所受阻力：

f4＝f1＝×0.3×104N＝4.8×104N；

当飞机以300m/s的速度巡航时，由表格数据可知，此时的阻力为2.7×104N，

此时飞机发动机的输出功率：

P＝＝＝F3v3＝f3v3＝2.7×104N×300m/s＝8.1×106W＝8.1×103kW；

（3）飞机的油量还有5.4×103kg，则这些燃油放出的热量：

Q′＝m′q＝5.4×103kg×5×107J/kg＝2.7×1011J；

由η＝得还能做的有用功：

W＝30%×Q′＝30%×2.7×1011J＝8.1×1010J，

由表格数据可知，速度500m/s时的阻力为：f5＝7.5×104N；

由W＝Fs＝fs可得飞机最多还能飞行的路程：

s＝＝＝1.08×106m＝1080km。

答：（1）飞机发动机完全燃烧104kg燃油放出的热量为5×1011J；

（2）4.8×104；当飞机以300m/s的速度巡航时，飞机发动机的输出功率是8.1×103kW；

（3）某次执行任务时，驾驶员发现飞机的油量还有5.4×103kg，若以500m/s的速度巡航，则飞机的最多还能飞行1080km。

5．2019年，常州首批无人驾驶公交车在常州科教城投入运行。某无人驾驶公交车在一段平直公路上匀速行驶5.52km，用时9min12s，消耗燃油2L．已知无人驾驶公交车的牵引力是4000N，燃油的密度为0.75×103kg/m3，热值为4.6×107J/kg，假设燃油完全燃烧。求此过程中：

（1）无人驾驶公交车行驶速度；

（2）燃油完全燃烧时放出的热量；

（3）无人驾驶公交车牵引力做功的功率；

（4）无人驾驶公交车发动机的效率。

【解答】解：（1）无人驾驶公交车的速度为：

v＝＝＝10m/s；

（2）消耗燃油的质量：

m＝ρV＝0.75×103kg/m3×2×10﹣3m3＝1.5kg，

燃油完全燃烧放出的热量：

Q放＝mq＝1.5kg×4.6×107J/kg＝6.9×107J；

（3）无人驾驶公交车牵引力做的功为：

W＝Fs＝4000N×5520m＝2.208×107J，

无人驾驶公交车牵引力做功的功率为：

P＝＝＝4×104W；

（4）无人驾驶公交车发动机的效率为：

η＝×100%＝×100%＝32%。

答：（1）无人驾驶公交车行驶速度为10m/s；

（2）消耗的燃油完全燃烧放出的热量6.9×107J；

（3）无人驾驶公交车牵引力做功的功率4×104W；

（4）无人驾驶公交车发动机的效率为32%。