第十四章 內(nèi)能的利用

鄭寧白

一、知識(shí)點(diǎn)例析

（一）熱機(jī)

【例1】（2015· 益陽(yáng)）下列關(guān)于內(nèi)燃機(jī)的說(shuō)法正確的是（ ）

A.汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)是內(nèi)燃機(jī)

B.蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)都是內(nèi)燃機(jī)

C.內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，壓縮沖程將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能

D.先進(jìn)的制造技術(shù)能將內(nèi)燃機(jī)的效率提高到100%

解析：汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)是內(nèi)燃機(jī)，故選項(xiàng)A正確；蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)都屬于熱機(jī)，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，壓縮沖程將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤。熱機(jī)在工作時(shí)，廢氣會(huì)帶走一部分熱量、燃料不可能完全燃燒、克服部件之間的摩擦?xí)哪芰康?，所以熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%。故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

答案：D

（二）熱機(jī)效率

圖141【例2】（2015·內(nèi)江）如圖141所示，是最新一款無(wú)人駕駛汽車(chē)原型圖。汽車(chē)自動(dòng)駕駛時(shí)使用雷達(dá)傳感器，以及激光測(cè)距器來(lái)了解周?chē)慕煌顩r。該款車(chē)以72km/h的速度在一段平直的公路上勻速行駛了8km時(shí)，消耗汽油1.5L。假設(shè)燃油完全燃燒，汽油機(jī)的效率為30%，那么，在這段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，求：

（1）該汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)做的有用功是多少？

（2）該汽車(chē)的輸出功率為多少？

（已知：汽油的密度為0.8×103kg/m3，汽油的熱值為4.5×107J/kg）

解析：（1）消耗汽油的質(zhì)量為m=ρV=1.5×10-3×0.8×103kg=1.2kg

汽油完全燃燒放出的熱量Q=qm=1.2×4.5×107J=5.4×107J

汽油機(jī)的有用功W有=ηQ=30%×5.4×107J=1.62×107J

（2）汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t=sv=8000m20m/s=400s

汽車(chē)的輸出功率P=W有t=1.62×107J400s=4.05×104W

答案：（1）1.62×107J （2）4.05×104W

（三）能量的轉(zhuǎn)化和守恒

【例3】（2014·江西）能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空消滅，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，它只會(huì)從一種形式

為其他形式，或者從一個(gè)物體

到其他物體，而在這兩個(gè)過(guò)程中，能量的總量保持不變。

解析：能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空消滅，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上，在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能的總量保持不變。

答案：轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)移

二、習(xí)題演練

（一）課后鞏固

1.（2014·益陽(yáng)）內(nèi)能機(jī)工作時(shí)

沖程將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。請(qǐng)舉一個(gè)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的實(shí)例：

。

2.（2015·菏澤）世界上很多發(fā)明都是受到生活現(xiàn)象的啟發(fā)而萌生的創(chuàng)意，比如：蒸汽機(jī)和汽油機(jī)，它們工作時(shí)，能的轉(zhuǎn)化過(guò)程是

。圖142中

是汽油機(jī)的工作原理圖。

圖1423.（2015·雅安）近期科學(xué)家發(fā)明了一種單缸六沖程內(nèi)燃機(jī)，它每一個(gè)工作循環(huán)的前四個(gè)沖程與單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)相同，在第四沖程結(jié)束后，立刻向汽缸內(nèi)噴水，水在高溫汽缸內(nèi)迅速

（填物態(tài)變化名稱(chēng)）成高溫、高壓的水蒸氣，推動(dòng)活塞再次做功，在水蒸氣推動(dòng)活塞做功的過(guò)程中主要的能量轉(zhuǎn)化情況是

，從而提高了熱機(jī)的效率。

4.（2014·南充）小明將1kg溫度為10℃的水加熱到90℃時(shí)，需要吸收

J的熱量，這相當(dāng)于完全燃燒

m3的天然氣放出的熱量。[已知c水=4.2×103J/（kg·℃），天然氣的熱值為q氣=8×107J/m3]

35.（2014·泰安）如圖143所示實(shí)驗(yàn)，試管口木塞沖出過(guò)程（ ）

A.試管口出現(xiàn)的白霧是水蒸氣

B.試管口出現(xiàn)白霧說(shuō)明水蒸氣內(nèi)能增加

C.能量轉(zhuǎn)化情況與內(nèi)燃機(jī)壓縮沖程相同

D.水蒸氣對(duì)木塞做功，水蒸氣的內(nèi)能減少

6.（2015·臺(tái)州）在圖144所示事例中，不是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)提供能量的是（ ）

A.蓄電池放電 B.水力發(fā)電 C.內(nèi)燃機(jī)做功沖程D.火箭點(diǎn)火升空

4

7.打樁錘是用于完成預(yù)制樁的打入、沉入、壓入、拔出作業(yè)的預(yù)制樁施工機(jī)械。讓打樁錘從高處自由落下打在預(yù)制樁上時(shí)，錘與樁因沖擊力作用表面溫度升高，這個(gè)過(guò)程中（ ）

A.機(jī)械能守恒B.動(dòng)能守恒

C.勢(shì)能守恒D.能量守恒

8.從能量的角度分析，圖145所示的是滾擺和單擺上下的運(yùn)動(dòng)情況，在這個(gè)過(guò)程中，下列說(shuō)法不正確的是（ ）

5A.滾擺和單擺向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能

B.滾擺和單擺向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能

C.動(dòng)能和重力勢(shì)能之間可以相互轉(zhuǎn)化

D.滾擺和單擺最終都會(huì)停下來(lái)，是機(jī)械能消失了

9.圖146所示的是“比較水和煤油吸熱升溫特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)裝置。

6①加熱過(guò)程中，用攪棒攪動(dòng)的目的是

A.采用相同的加熱方法（如酒精燈火焰的大小，與燒杯底的距離等）

B.燒杯中分別裝入相同體積的水和煤油

C.使用相同的燒杯

10.（2015·呼和浩特）王大剛同學(xué)和家人在郊外野餐，用木炭燒水。鐵鍋內(nèi)裝有5kg水，把水從18℃加熱至98℃，已知水的比熱容為4.2×103J/（kg·℃）。如果木炭的熱值為3.4×107J/kg，它燃燒放出的熱有10%被水吸收。求：

（1）在這個(gè)過(guò)程中水吸收的熱量是多少？

（2）在這個(gè)過(guò)程中用掉多少木炭？

11.用煙煤燒水時(shí)，將10kg的水從20℃加熱到100℃，燃燒了1.4kg的煙煤。水的比熱容是4.2×103J/（kg·℃），煙煤的熱值約為3×107J/kg。試求：

（1）水吸收的熱量是多少？

（2）1.4kg煙煤完全燃燒放出的熱量是多少？

（3）實(shí)際上煙煤未完全燃燒。若水吸收的熱量是煙煤放出熱量的8.4%，那么煙煤實(shí)際放出的熱量是多少？

（二）能力提升

1.（2014·昭陽(yáng)）從能的轉(zhuǎn)化角度看，在四沖程內(nèi)燃機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)中，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的沖程是

2.如圖147所示，玻璃瓶?jī)?nèi)有一些水，水上方存在著無(wú)色透明、無(wú)法看到的水蒸氣。給瓶

7內(nèi)打氣，當(dāng)瓶塞跳出時(shí)，可以看到瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)

7.每年麥?zhǔn)諘r(shí)節(jié)，農(nóng)民往往把麥秸稈堆在田里焚燒，這樣既污染環(huán)境，又浪費(fèi)資源。據(jù)測(cè)算，1t麥秸稈在沼氣池中可以產(chǎn)生270m3沼氣，剩余的殘?jiān)€是優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料。若某市農(nóng)村一個(gè)村一年可產(chǎn)生500t麥秸稈，若這些麥秸稈用來(lái)在沼氣池中產(chǎn)生沼氣，產(chǎn)生的沼氣完全燃燒后，可以放出

8.（2014·遂寧）下列有關(guān)熱機(jī)的說(shuō)法中不正確的是（ ）

A.熱機(jī)工作的過(guò)程是將燃料燃燒獲得的內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的過(guò)程

B.為了防止熱機(jī)過(guò)熱，通常用水來(lái)降溫，是利用水的比熱大的特性

C.可以采用增大熱機(jī)功率的方法來(lái)增大熱機(jī)的效率

D.熱機(jī)的大量使用會(huì)造成環(huán)境污染

9.雙燃料汽車(chē)以天然氣或汽油作為燃料，以下說(shuō)法正確的是（ ）

A.燃料的熱值越大，燃燒時(shí)放出的熱量越多

B.以天然氣為燃料，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率可以達(dá)到100%

C.在壓縮沖程中，燃料混合物的溫度升高，內(nèi)能增大

D.汽油與天然氣相比，燃燒時(shí)汽油對(duì)環(huán)境的污染較小

10.有經(jīng)驗(yàn)的柴油機(jī)維修師，不用任何儀器，只是靠近柴油機(jī)排氣管口觀察和聞一下，并將手伸到排氣管口附近感覺(jué)一下尾氣的溫度，就能初步判斷這臺(tái)柴油機(jī)的節(jié)能效果，在同樣負(fù)荷的情況下，關(guān)于柴油機(jī)的節(jié)能效果，下列判斷中正確的是（ ）

A.尾氣的溫度越高，柴油機(jī)越節(jié)能

B.尾氣的溫度越低，柴油機(jī)越節(jié)能

C.尾氣的柴油味越濃，柴油機(jī)越節(jié)能

D.尾氣的顏色越發(fā)黑，柴油機(jī)越節(jié)能

11.下面是小明同學(xué)“物理學(xué)習(xí)筆記”中的摘錄，其中正確的是（ ）

A.做功和熱傳遞在改變物體熱量上是等效的

B.某種燃料在燃燒時(shí)所放出的熱量叫做這種燃料的熱值

C.熱量是在熱傳遞過(guò)程中物體內(nèi)能改變的多少

D.溫度越高的物體具有的熱量越多

12.物理小組的同學(xué)們組裝了如圖1411甲所示的裝置，在完全相同的燒杯中分別裝有質(zhì)量相同的A、B兩種液體，在完全相同的燃料盒中分別裝有兩種不同的燃料。

11（1）若要比較液體的吸熱本領(lǐng)，應(yīng)選

兩圖的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，若浸在液體中的溫度計(jì)示數(shù)都升高50℃，加熱時(shí)間較短的液體比熱容較

12（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，給兩杯液體加熱相同的時(shí)間，溫度升高較少的液體比熱容較

（4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同學(xué)們繪制出了如圖1412所示的圖象。由圖象可知：液體

的比熱容較大。

（5）為了比較不同燃料的熱值應(yīng)選

兩圖的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，若浸在液體中的溫度計(jì)示數(shù)升高多，說(shuō)明這種燃料的熱值

（填“大”或“小”）。

13.（2014·南昌）某汽車(chē)的最低油耗可達(dá)0.2kg/（kW·h），最低油耗是指燃燒最少的汽油獲得最大有用功的能量[0.2kg/（kW·h）表示獲得1kW·h的能量需要消耗0.2kg汽油]，已知汽油的熱值為4.6×107J/kg，請(qǐng)你通過(guò)這些數(shù)據(jù)寫(xiě)出判斷該汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)最高效率的辦法。

14.（2014·蘇州）燃?xì)庠顭畷r(shí)，把質(zhì)量為2kg、初溫為20℃的水加熱到100℃，共燃燒了0.02m3天然氣（假設(shè)天然氣完全燃燒）。已知水的比熱容為4.2×103J/（kg·℃），天然氣的熱值為8.4×107J/m3，求：

（1）水吸收的熱量。

（2）天然氣完全燃燒放出的熱量。

（3）燃?xì)庠顭畷r(shí)的效率。

15.（2014·泰州）三峽水電站有“照亮半個(gè)中國(guó)”的美譽(yù)，它的年平均發(fā)電量約為8.5×1010kW·h，相當(dāng)于一座年消耗5×1010kg標(biāo)準(zhǔn)煤的火力發(fā)電站的發(fā)電量。求：

（1）標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為2.9×107J/kg，完全燃燒5×1010kg標(biāo)準(zhǔn)煤能放出多少熱量。

（2）以三峽水力發(fā)電代替同等的火力發(fā)電，每年會(huì)少排CO2氣體1.2×1011kg，這些氣體的體積是多少m3（通常情況下CO2氣體的密度為2kg/m3）。

（3）根據(jù)本題中的數(shù)據(jù)，計(jì)算火力發(fā)電的效率。

習(xí)題演練參考答案

（一）課后鞏固

1.做功 雙手互相摩擦、打氣筒打氣、彎折鐵絲、鍛打鐵塊等

2.化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 乙

3.汽化 內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能）

4.3.36×105 4.2×10-3

5.D

6.B

7.D

解析：打樁時(shí)，錘和樁溫度升高說(shuō)明有內(nèi)能產(chǎn)生，而錘的機(jī)械能減小，故發(fā)生了機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，故只能說(shuō)明是能量守恒。

8.D

解析：滾擺和單擺向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，由于高度升高，則重力勢(shì)能增加，同時(shí)速度減小，則動(dòng)能減小，即動(dòng)能轉(zhuǎn)化為了重力勢(shì)能，故選項(xiàng)AB正確；因重力勢(shì)能和動(dòng)能統(tǒng)稱(chēng)為機(jī)械能，又因?yàn)闈L擺和單擺在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，高度逐漸減小，說(shuō)明機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故機(jī)械能會(huì)減小，故選項(xiàng)C正確；滾擺和單擺最終都會(huì)停下來(lái)，不是機(jī)械能消失了，而是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能了，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

9.①使液體均勻受熱 加熱時(shí)間 ②B

10.（1）1.68×106J （2）0.49kg

（1）Q吸=cm（t2-t1）

=4.2×103J/（kg·℃）×5kg×（98℃-18℃）=1.68×106J

（2）Q吸=10%qm

m=Q吸/10%q=1.68×106J/（0.1×3.4×107J/kg）=0.49kg

11.（1）3.36×106J （2）4.2×107J （3）4×107J

解析：（1）水吸收的熱量

Q吸=cmΔt=4.2×103J/（kg·℃）×10kg×（100℃-20℃）=3.36×106J

（2）1.4kg煙煤完全燃燒放出的熱量Q放=m煤q=1.4kg×3×107J/kg=4.2×107J

（3）由于水吸收的熱量是煙煤放出熱量的8.4%，故Q吸/8.4%才是天然氣燃燒實(shí)際放出的熱量Q=Q吸8.4%=3.36×106J8.4%=4×107J。

（二）能力提升

1.做功

2.白霧 液化 做功 減小 3 壓縮

3.小 內(nèi)

4.內(nèi) 28%

解析：蒸汽輪機(jī)的作用是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。已知鍋爐、蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的效率分別為η1=50%、η2=70%和η3=80%，所以火電站的效率為η=η1η2η3=50%×70%×80%=28%。

5.可 6000

6.做功 內(nèi) 機(jī)械 做功

解析：當(dāng)按動(dòng)電火花發(fā)生器的按鈕時(shí)，酒精燃燒后的燃?xì)鈱?duì)盒蓋做功，將燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為盒蓋的機(jī)械能，燃?xì)獾膬?nèi)能減小；四沖程熱機(jī)中的做功沖程就是利用內(nèi)能來(lái)做功的沖程，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

7.2.565×1012 3053571

解析：（1）先求出500t秸稈產(chǎn)生的沼氣，然后根據(jù)Q=qV求出沼氣完全燃燒放出的熱量；

（2）根據(jù)Q=cmΔt求出一壺水吸收的熱量，然后沼氣放出的熱量與一壺水吸收的熱量的比值即為燒開(kāi)的壺?cái)?shù)。

解：（1）500t麥秸稈產(chǎn)生的沼氣：V=500×270m3=1.35×105m3，則這些沼氣完全燃燒放出的熱量：Q=qV=1.9×107J/m3×1.35×105m3=2.565×1012J；

（2）一壺水吸收的熱量：Q′=cmΔt=4.2×103J/（kg·℃）×2.5kg×（100℃-20℃）=8.4×105J，

則燒開(kāi)的壺?cái)?shù)：n=QQ′=2.565×1012J8.4×105J=3053571（壺）。

8.C 9.C

10.B

解析：尾氣的溫度高，說(shuō)明散失的熱量多，柴油機(jī)的效率低，反之，柴油機(jī)的效率高，即節(jié)能。尾氣的柴油味濃、顏色黑都說(shuō)明柴油沒(méi)有充分燃燒，浪費(fèi)了燃料，這樣柴油機(jī)的效率會(huì)低。故選B。

11.C

解析：做功以能量轉(zhuǎn)化的方式改變物體的內(nèi)能， 熱傳遞用能量轉(zhuǎn)移的方式改變物體的內(nèi)能，不是改變物體的熱量；熱傳遞中能量轉(zhuǎn)移的多少用熱量來(lái)量度，A不正確，C正確。燃料在完全燃燒時(shí)所放出的熱量叫做這種燃料的熱值，B不正確；熱量只可以說(shuō)吸收熱量或放出熱量，不可以說(shuō)含有熱量，D不錯(cuò)誤。

12.（1）甲、丙 （2）小 （3）大 （4）B （5）甲、乙 大

解析：（1）要比較不同物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)，必須保證不同物質(zhì)的質(zhì)量相等，相同時(shí)間吸收的熱量相同，所以選擇甲丙；（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，若浸在液體中的溫度計(jì)示數(shù)都升高了50℃，加熱時(shí)間較短的液體比熱容較??；（3）質(zhì)量相同的兩種物質(zhì)，加熱時(shí)間相同時(shí)，溫度升高較多的液體比熱容較?。唬?）質(zhì)量和初始溫度均相同的A、B兩種液體，吸熱后它們的溫度隨時(shí)間變化的圖象如圖2所示，由圖可以看出，B液體的溫度升高得較慢，B液體的比熱容較大；（5）由圖知，要比較不同燃料的熱值，需要選擇甲和乙兩圖，因?yàn)槿剂喜煌?；?shí)驗(yàn)過(guò)程中，若浸在液體中的溫度計(jì)示數(shù)升高多，說(shuō)明在相同時(shí)間這種燃料放出的熱量多熱值大。

13.解：Q總=mq=0.2kg×4.6×107J/kg=9.2×106J

W有用=1kW·h=3.6×106J，

η=W有用Q×100%=3.6×106J9.2×106J×100%≈39%

14.（1）6.72×105J （2）1.68×106J （3）40%

解析：（1）在此過(guò)程中，水吸收的熱量：

Q吸=c水m（t-t0）=4.2×103J/（kg·℃）×2kg×（100℃-20℃）=6.72×105J

（2）天然氣完全燃燒放熱：

Q放=Vq=8.4×107J/m3×0.02m3=1.68×106J

（3）燃?xì)庠顭男剩害?Q吸Q放×100%=6.72×105J1.68×106J×100%=40%

15.1.45×1018J 1.2×1011kg 6×1010 21.1%

解：（1）Q=qm=2.9×107J/kg×5×1010kg=1.45×1018J

（2）由ρ=mV可得，V=mρ=1.2×1011kg2kg/m3=6×1010m3

（3）已知E=8.5×1010kW·h=8.5×1010×1000×3600J=3.06×1017J，

Q=1.45×1018J，

η=EQ×100%=3.06×1017J1.45×1018J×100%=21.1%