13.4热机效率和环境保护-九年级物理全一册典中点·课时夺冠（沪科版） 试卷

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沪科版九年级
第十三章《内能与热机》
13.4 热机效率和环境保护
【知识梳理】
一、热值
1.定义：某种燃料完全燃烧放出热量与所用该燃料的质量之比。物理量符号q
注意：热值是燃料的特性，不同的燃料热值一般不同。热值与燃料是否完全燃烧无关。
2.单位：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）
3.公式：q=Q放/m(固体）；q=Q放/v(气体）
4.热量计算：在解题时，热值一般为已知量，需要通过公式求解放出的热量或者燃料的质量。往往与比热容结合考查。
求放出热量：Q放=qm
求燃料质量：m=Q放q
二、热机效率
1.定义：热机运转中，对外做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量的比值。通常用百分数表示，符号η。
2.表达式
η=Q吸Q放×100% 或 η=W有用W总×100%
3.热机能流图（如右图所示）
4.提高热机效率的方法
①使燃料尽可能完全燃烧；②减少热量的损失
③减少机械摩擦（增加润滑）；④废气利用
【易错点】
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，是一个理想量，只与燃料的种类有关，与燃料是否完全燃烧无关，不随质量、体积的变化而变化。
【规律总结】
由于在热机工作过程中一定伴随着化学能转化为其他形式的能量，也就是说化学能不能完全转化为有用机械能，所以η<1。
热机的效率的计算一般有两种方法，一种是有用功与总功的比值，第二种是根据能流图进行计算。在热机效率类题型中，Q吸往往通过结合比热容计算，Q放往往用热值计算。
【典例分析】
（2022·山东枣庄·中考真题）太阳能是21世纪重点开发利用的能源之一，如今太阳能热水器已走进千家万户。如图所示，某家庭太阳能热水器阳光照射时，平均每小时吸收的太阳能，若热水器吸收8h的太阳能，可以使质量为100kg的水温度升高50oC。已知水的比热容，天然气的热值。求：
（1）水吸收的热量；
（2）该太阳能热水器的效率；
（3）若这些水吸收的热量由天然气来提供，假设天然气完全燃烧放出的热量全部被水吸收，则需要多少m3的天然气。


【答案】（1）；（2）37.5%；（3）0.6m3
【解析】解：（1）水吸收的热量为

（2）太阳能热水器在8h内吸收的热量为

所以，太阳能热水器的效率为

（3）若这些热量由天然气提供

则所需天然气的体积

【思路小结】
（1）热机效率的高低与热机做功的多少、做功的快慢无关；提高热机效率的途径是减少热机中的各种能量损失，即减少燃烧过程中的热量的损失和减少机械能的损失。
（2）在试题中与比热容计算和热值计算混合考查为高频考点。
【夺冠训练】
一、单选题
1．（2022·陕西宝鸡·九年级）2021年10月19日11时30分，我国自主研制、推力达500吨的整体式固体火箭发动机在陕西西安试车成功。固体发动机主要使用的丁羟这种固体燃料，原因是丁羟具有较大的（　　）

A．比热容 B．沸点 C．热值 D．熔点
【答案】C
【解析】A．比热容是描述物质吸热能力强弱的物理量，与燃料的燃烧无关，故A不符合题意；
B．沸点是沸腾时的温度，与燃料的性质无关，故B不符合题意；
C．丁羟这种固体燃料，燃料主要是利用燃烧将化学能转化为内能，评价一种燃料最好的指标是热值，质量相同的丁羟完全燃烧放出热量比较多，故作为固体火箭的燃料，故C符合题意；
D．熔点是晶体熔化时的温度，与燃料的燃烧无关，故D不符合题意。
故选C。
2．（2022·广西柳州·中考真题）下列关于热机的说法正确的是（　　）
A．热机的效率为100% B．热机只有汽油机和柴油机两种
C．好的热机工作时不排放废气 D．热机工作时都要利用燃料的化学能
【答案】D
【解析】A．热机工作过程中不可避免地要克服机件间的摩擦而做额外功，无法使热机的效率达到100%，故A错误；
B．蒸汽机、火箭、柴油机、汽油机等都属于热机，故B错误；
C．热机排气冲程中排出废气，故C错误；
D．热机工作时时，热机先将燃料的化学能转化为内能，后把内能转化为机械能，故D正确。
故选D。
3．（2022·山西临汾·九年级期末）关于燃料的热值，以下说法正确的是（　　）
A．燃料的热值与燃料的燃烧情况有关
B．容易燃烧的燃料，热值一定大
C．煤的热值比干木柴大，燃烧煤放出的热量一定比燃烧干木柴放出的热量多
D．0.5g汽油和2kg汽油，它们的热值是一样的
【答案】D
【解析】AB．燃料的热值只与燃料的种类有关，与燃料的燃烧程度无关，与燃料是否容易燃烧无关，故AB错误；
C．煤的热值比干木柴大，说明1kg的煤完全燃烧放出的热量比1kg干木柴完全燃烧放出的热量多，在未说明燃料是否完全燃烧的情况下，无法比较二者放出热量的多少，故C错误；
D．燃料的热值只与燃料的种类有关，与燃料的质量无关，故D正确。
故选D。
4．（2022·广东广州·中考真题）下列选项可能符合汽车等热机能量流向的是（　　）
A． B．
C． D．
【答案】D
【解析】热机燃烧燃料放出的能量，有部分转化为提供热机动力的机械能，还有相当部分能量散失了。而汽油机的效率一般为20%~30%，则机械能约为
W机械能=ηW=30%×1000J=300J
散失的内能
W内能=W-W机械能=1000J-300J=700J
故ABC不符合题意，D符合题意。
故选D。
5．（2022·广西玉林·九年级期末）2021年10月16日凌晨，在酒泉卫星发射中心升空的神舟十三号载人飞船将翟志刚、王亚平、叶光富三名航天员送入太空，发射取得圆满成功，下列说法正确的是（　　）

A．火箭加速升空时，将重力势能转化为动能
B．火箭选用氢作燃料是因为液态氢的热值大
C．燃料的质量越大，热值越大
D．火箭发动机的效率可以达到100%
【答案】B
【解析】A．火箭加速升空，由于速度增大，火箭的动能增加，升空过程中，高度变大，重力势能都增加，则火箭的机械能增加，是由燃料燃烧获取的内能转化过来的，故A错误；
B．液氢具有较高的热值，完全燃烧相同质量的液氢和其他燃料，液氢可以释放更多的热量，所以火箭选用氢作燃料是因为氢气的热值大，故B正确；
C．燃料的热值是燃料本身的一种特性，热值的大小只与燃料的种类有关，与燃料的质量无关，故C错误；
D．发动机在工作过程中总是会有能量的损失，所以火箭发动机的效率永远小于100%，故D错误。
故选B。
6．（2022·山东青岛·九年级期中）山东潍柴集团于2020年正式发布全球首款效率突破50%的商用柴油机，世界内燃机发展出现历史性新突破，关于内燃机下列说法正确的是（　　）
A．内燃机效率越高则做功越快
B．做同样的功，内燃机效率越高消耗的燃料越少
C．在内燃机的能量损失中，克服摩擦消耗的能量最多
D．随着技术的进步，内燃机的效率能到达100%
【答案】B
【解析】A．热机效率是有用能量在燃料完全燃烧放出热量中所占比值，功率是热机做功的快慢，两者没有必然联系，故A错误；
B．热机的效率越高，热机将燃料完全燃烧放出的热量转换成机械能的能力越强，所以在输出同样功的情况下，消耗燃料越少，故B正确；
C．根据内燃机的能量流向，热机损失的能量中，废气带走的能量最多，故C错误；
D．热机在工作过程中会由于热传递或摩擦等消耗一些能量，所以热机效率不能达到100%，故D错误。
故选B。
7．甲、乙两台内燃机，甲的效率为35%，乙的效率为25%，这两个数据表示（　　）
A．内燃机甲做的功比内燃机乙做得多
B．内燃机甲的功率比内燃机乙的功率大
C．在相同时间内内燃机甲燃烧的燃油比内燃机乙多
D．在消耗相同的燃油时，内燃机甲做的有用功比内燃机乙做的有用功多
【答案】D
【解析】AB．做功多少和功率的大小以及热机的效率没有关系，故AB不符合题意；
C．甲汽油机的效率高于乙汽油机的效率说明做相同的有用功，甲消耗的汽油少，故C不符合题意；
D．热机的效率是指热机有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，甲内燃机的效率高于乙内燃机的效率，说明消耗相同的燃油，甲内燃机做的有用功多，故D符合题意。
故选D。
8．（2022·河南信阳·九年级期末）关于热机，下列说法错误的是（　　）
A．热机性能好坏的重要标志之一是热机效率
B．在压缩冲程中内燃机将机械能转化为内能
C．柴油机的效率比汽油机的高，这是因为柴油的热值比汽油的大
D．在四冲程内燃机中减少废气带走的大量热量可以大大提高热机效率
【答案】C
【解析】A．热机效率是指有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量的比值，是反映热机性能好坏的重要标志之一，故A正确，A不符合题意；
B．内燃机在压缩冲程中将机械能转化为内能，故B正确，B不符合题意；
C．柴油机对燃料的压缩比高于汽油机，因此柴油机的效率比汽油机的高，与热值无关，故C错误，C符合题意；
D．废气的温度很高，带走的热量最多，因此在四冲程内燃机中减少废气带走的大量热量可以大大提高热机效率，故D正确，D不符合题意。
故选C。
9．（2022·河北保定·九年级期末）如图所示为四冲程汽油机的某一个工作冲程。汽油的热值为4.6×107J/kg，下列说法中正确的是（　　）

A．此图所示为汽油机的排气冲程
B．汽油燃烧可以放出的热量为 4.6×107J
C．汽油机的效率越高，消耗的汽油就越少
D．质量2kg 的汽油完全燃烧，放出9.2×107J的热量
【答案】D
【解析】A．由图中可知，进气门与排气门均关闭，活塞向上运动，故是压缩冲程，故A错误；
B．由Q=mq可知，汽油燃烧放出的热量与汽油的热值和热量均有关，只根据热值无法求出汽油燃烧放出的热量，故B错误；
C．汽油的效率越高，说明有用功与汽油完全燃烧放出的热量的比值越大，只有在有用功相同的情况下，汽油完全燃烧放出的热量才少，此时消耗的汽油才较少，故C错误；
D．由Q=mq可得，2kg的汽油完全燃烧，放出的热量为
Q=mq=2kg×4.6×107J/kg=9.2×107J
故D正确。
故选D。
二、填空题
10．（2022·安徽安庆·九年级期末）把一瓶酒精倒去一半，则剩下的酒精的比热容将_______，热值_______。（选填“不变”或“变化”）
【答案】     不变     不变
【解析】[1][2]一瓶酒精用去一半后，质量变小，但物质种类不变，比热容是物质的一种特性，其大小与物体的质量无关；热值是燃料的一种特性，其大小与质量和燃烧程度无关，所以剩下酒精的比热容和热值均不变。
11．（2022·山东济宁·中考真题）某柴油机工作一段时间后，油箱里的柴油没有发生变化的是 ______（选填序号：①质量；②密度；③比热容；④热值）。完全燃烧10kg柴油放出的热量Q=______J。（q柴油=4.3×107J/kg）
【答案】     ②③④     4.3×108
【解析】[1]柴油机工作一段时间后，由于一部分柴油燃烧，使得油箱里的柴油的质量减少；密度、比热容、热值属于物质的特性，大小与质量无关，所以密度、比热容、热值的大小不变。
[2]完全燃烧10kg柴油放出的热量
Q=mq柴油=10kg×4.3×107J/kg=4.3×108J
12．（2022·四川内江·九年级期末）人们常常把热机所做的 _____与燃料完全燃烧释放的热量之比叫热机效率，一般来说，汽油机的效率比柴油机的效率 _____（选填“高”或“低”）。
【答案】     有用功     低
【解析】[1]热机效率指的是热机所做的有用功与燃料完全燃烧释放的热量之比。
[2]由于柴油机的压缩比高于汽油机，因此一般来说，汽油机的效率比柴油机的效率要低。
13．（2022·河北·涿州九年级期末）在热机的各种损失中______带走的能量最多，设法利用这些能量，是提高燃料利用率的重要措施；“涡轮增压”是目前在各种汽油机和柴油机中采用的一项节能、提高热机功率的技术。它是利用热机排出的废气带动涡轮旋转，将新鲜空气压缩后送入内燃机的进气口，这样做的好处是______（选填“增大”或“减小”）排出废气所带走的能量，______（选填“提高”或“降低”）内燃机的效率。
【答案】     排出的废气     减小     提高
【解析】[1]在热机的各种损失中，排出的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。
[2]“涡轮增压”技术中，利用热机排出的废气带动涡轮旋转，把废气的一部分内能转化为涡轮的机械能，减小了排出废气带走的能量。
[3]通过涡轮的旋转，将新鲜的空气压缩后又送入内燃机的进气口，涡轮的机械能转化为空气的内能，被内燃机再次利用，提高了内燃机的效率。
14．（2022·广西来宾·九年级期末）食物在人体内相当于“燃料”，其营养成分在人体细胞里与氧结合，释放出细胞组织所需的能量。无蔗糖手撕面包的营养成分表标有“每100g能量1500kJ”，该标识的含义与______（选填“热量”、“比热容”或“热值”）相似。晓静吃了一块20g的这种无蔗糖手撕面包时，则进入她体内的化学能是______J，其中的一部分化学能可转化为______能，以维持人体正常温度。
【答案】     热值     3×105     内
【解析】[1]无蔗糖手撕面包的营养成分表上标有“每100g能量1500kJ”，该标识的含义为每100g无蔗糖手撕面包能够提供的能量为1500kJ，则1kg提供的能量为15000kJ，即：1.5×107J/kg；热值表示1kg某种燃料完全燃烧时放出的热量，可见其含义与热值相似。
[2]吃一块20g的无蔗糖手撕面包获得的能量
Q=mq=20×10-3kg×1.5×107J/kg=3×105J
[3]人类的活动需要的能量来自于食物的化学能，其中的一部分化学能转化为内能，以维持人体温度正常。
15．（2022·四川内江·九年级期末）酒精的热值为3.0×107J/kg，50g酒精完全燃烧放出的热量为_____J，若放出的这些热量有84%被水吸收，则可以使_____kg的水从10℃升高到30℃[水的比热容c＝4.2×103J/(kg·℃)]。
【答案】     1.5×106     15
【解析】[1]完全燃烧50g酒精放出的热量

[2]由得，水吸收的热量

由得，水的质量

16．（2022·安徽合肥·九年级期末）热水袋是我们冬季常用的取暖工具。如图所示的热水袋内装有500g的水，袋内水温度降低40℃，放出的热量相当于完全燃烧 ___________m3的天然放出的热量。[c水=4.2×103J/（kg•℃），q天然气=4.2×107J/m3]

【答案】0.002
【解析】热水袋内装的水的质量，500g=0.5kg的水吸收的热量
Q吸=c水mΔt=4.2×103J/（kg•℃）×0.5kg×40℃=8.4×104J
由题知Q吸=Q放=Vq，需要完全燃烧天然气的体积

17．（2022·江西·余干九年级期末）为提倡节能减排，我国乘用车普遍升级为“涡轮增压”（T型）轿车，它的原理是通过涡轮压缩空气后输送给发动机，更充足的空气使汽油更充分地燃烧，比普通轿车（L型）更节能，排气更清洁。同样的汽油加在T型轿车内与加在L型轿车内相比热值_______，热机效率_______（均选填“更大”、“相同”或“更小”）。
【答案】     相同     更大
【解析】[1]燃料的热值大小取决于燃料的种类，与燃料的质量、燃烧程度、放出的热量无关，同样的汽油加在T型轿车内与加在L型轿车内相比汽油的热值相同。
[2]T型轿车与L型轿车相比，有更充足的空气使汽油更充分燃烧，同样多的燃料，T型轿车内汽油燃烧更充分，放出的热量多，转化成有效利用的能量也更多，因此T型轿车比L型轿车热机效率更大。
三、简答题
18．（2022·浙江绍兴·中考真题）汽车在给人们的出行带来便利的同时，也带来了能源消耗、尾气污染等问题。
材料一：如图是一辆小汽车行驶时的能耗分配图。汽油在汽缸内完全燃烧时放出的能量，大约只有13%用于驱动汽车前进，而其余87%的能量则被损耗掉了。
材料二：排出的尾气除了CO2、H2O外，还有CO、NO、NO2及未燃烧的碳氢化合物等有害气体。
结合材料：
（1）对汽车行驶时能量形式的转化与损耗途径作出分析。
（2）请从节能、减排等方面对燃油汽车提出技术改进建议。

【答案】（1）见解析；（2）见解析
【解析】（1）汽车行驶时的能量转化分析∶汽车的化学能转化为气体内能，然后再转化为活塞的机械能，最后为汽车机械能，转化率很低；损耗途径分析∶绝大部分是以热能形式损失的，部分是未完全燃烧的碳氢化合物损失，有少量是汽油蒸发损失。
（2）技术改进建议∶减少散热器、排气管和汽油机的热损失；减少汽油的蒸发；使汽油充分燃烧；研制和使用混合动力或者纯电动的新能源汽车。
四、实验题
19．（2022·湖北黄石·九年级期末）为探究不同燃料燃烧放热能力的差异，小华设计了如图甲、乙所示的两组对比实验，实验装置完全相同。烧杯内水的初温、质量也都相同，实验中忽略热量的散失，且两种燃料燃烧时均匀放热。

（1）实验中应控制两种燃料燃烧的________（选填“时间”、“初温”或“质量”）相同；
（2）燃料燃烧过程中，记录燃烧时间和对应的水温；燃烧完后，画出水的温度随时间变化的关系图像如图丙所示。由图可知，燃料1燃烧5min放出的热量________（选填“大于”、“小于”或“等于”）燃料2燃烧15min放出的热量。假设这一过程燃料都完全燃烧，则燃料1与燃料2的热值之比为________；
（3）若甲装置中消耗了质量为m的燃料，使质量为m'的水温度升高了（水未沸腾），则燃料1的热值为________（用字母表达式表示，已知水的比热容为c水），该方法测量的热值会比真实值________（选填“大”或“小”），原因是：________（写出一条即可）。
【答案】     质量     大于     3:2          小     燃料1燃烧放出的热量不可能全部被水吸收
【解析】（1）[1]在比较不同燃料燃烧放热能力的实验中，还应控制燃料燃烧的质量相同，让燃料完全燃烧，通过比较温度计的示数变化来比较燃料燃烧放出热量的多少，燃料的初温不一定要相同，不同的燃料完全燃烧的时间也不一定相同。
（2）[2]读图丙可知，燃料燃烧完时，燃料1燃烧了5min，燃料2燃烧了15min，则可知甲图中水升温更多，说明甲图中的水吸收的热量多，因此燃料1放出的热量大于燃料2放出的热量。
[3]实验中忽略热量的散失，且两杯水的质量、比热容均相同，则由公式可得，二者放出的热量之比为

燃料的质量相同，由公式Q＝mq可得，燃料1与燃料2的热值之比为

（3）[4]水吸收的热量为

燃料1的热值为

[5][6]燃料1燃烧放出的热量不可能全部被水吸收，燃料1可能没有完全燃烧，导致Q放或Q吸偏小，根据上式计算出的热值要比实际的小。
20．（2022·广西北海·九年级期末）如图所示甲、乙、丙三个实验装置。


（1）为比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量，应选择______两图进行实验，该实验中燃料燃烧时放出热量的多少是通过比较______来判断的；
（2）为比较不同物质吸热升温的特点：
①应选择______两个图进行实验，不同物质吸热的多少是通过______来反映的；
②在实验过程中，下列操作正确的是______；
A．使用相同的烧杯                                                         B．烧杯中分别装入相同体积的不同液体
C．燃烧皿中燃料的质量必须相同                                 D．加热时火焰大小尽量相同
③正确操作后，记录并作出甲、乙两种液体的温度随时间变化图像，如图丁所示。已知甲的比热容是1.8×103J/(kg℃)，则乙的比热容是______J/(kg℃)（不考虑热量的损失）；
④若只将所选两烧杯中的液体分别换成初温相同的同种液体，同时加热记录并作出液体温度随时间变化的图像，如图戊所示，则______（选填“A”或“B”）液体的质量较大。
【答案】     甲、丙     温度计升高的示数     甲、乙     加热时间     AD     2.4×103     B
【解析】（1）[1][2]为了比较不同燃料燃烧时放出热量的多少，要选择不同燃料，加热同种液体，让液体的质量和初温相同，通过温度计的示数高低得出吸热多少，进而判断热值大小，应选择甲和丙两图进行实验。
（2）[3][4]为了比较两种液体的比热容，需要燃烧相同的燃料，加热不同的液体，让液体的质量和温度的变化相同，通过比较加热时间，进而判断两种液体比热容的大小关系，应选择甲和乙两图进行实验；不同物质吸热的多少是通过加热时间来反映的。
[5] AD．实验过程中，为得到正确的结论，必须选择相同的烧杯，加热时火焰大小尽量相同，确保相同时间内吸收的热量相同，故AD正确；
B．实验中要控制物质的质量相同，由于物质的密度可能不同，所以体积相同时质量可能不同，故B错误；
C．实验中需要控制燃料燃烧的质量相同，不需要控制燃料的质量相同，故C错误。
故选AD。
[6]根据图像可知，从10℃升高到40℃，甲的加热时间为3min，乙的加热时间为4min，用相同的酒精灯加热，甲和乙吸收的热量之比是3：4，甲、乙的质量相同，升高的温度相同，根据Q吸=cmt可知，比热容和吸收的热量成正比，则乙的比热容
c乙=×1.8×103J/(kg℃)=2.4×103J/(kg℃)
[7]将所选两烧杯中的液体分别换成初温相同的同种液体，根据图像可知，升高相同的温度，B的加热时间长，A和B的比热容相同，升高的温度相同，加热时间越长，吸收的热量越多，根据Q吸=cmt可知，B的质量大。
五、计算题
21．（2022·福建龙岩·九年级期末）有朋自远方来，烧一壶热水，拈几许茶叶，置于瓷制器皿中，沸水冲泡，这是闽西人独有的待客之道。如果用酒精炉烧水，将质量为1kg，温度为20℃的水加热至沸腾（1个标准大气压下），需完全燃烧40g酒精。已知c水=4.2×103J/（kg•℃），q酒精=3.0×107J/kg。求：
（1）40g酒精完全燃烧放出的热量；
（2）水吸收的热量；
（3）酒精炉的效率。
【答案】（1）1.2×106J；（2）3.36×105J；（3）28%。
【解析】解：（1）酒精的质量
m=40g=4×10-2kg
酒精完全燃烧放出的热量为
Q放=mq酒精=4×10-2kg×3.0×107J/kg=1.2×106J
（2）水吸收的热量为
Q吸=c水m水Δt=4.2×103J/（kg•℃）×1kg×（100℃﹣20℃）=3.36×105J
（3）酒精炉的效率

答：（1）40g酒精完全燃烧放出的热量是1.2×106J；
（2）水吸收的热量是3.36×105J；
（3）酒精炉的效率是28%。
22．（2022·安徽合肥·九年级期末）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℃，若天然气完全燃烧释放出的热量有60%被菜油吸收。[，天然气的热值为4×107J/m3]求：
（1）菜油吸收了多少热量？
（2）此过程中燃烧了多少m3的天然气？
【答案】（1）6000J；（2）2.5×10﹣4m3
【解析】解：（1）菜油吸收的热量为

（2）天然气燃烧释放出的热量有60%被菜油吸收，由可得，天然气放出的热量为

由可得，天然气的体积为

答：（1）菜油吸收了6000J热量；
（2）此过程中燃烧了2.5×10﹣4m3的天然气。