第十四章 内能的利用

郑宁白

一、知识点例析

（一）热机

【例1】（2015· 益阳）下列关于内燃机的说法正确的是（ ）

A.汽车的发动机是内燃机

B.蒸汽机、汽轮机、喷气发动机都是内燃机

C.内燃机工作时，压缩冲程将内能转化为机械能

D.先进的制造技术能将内燃机的效率提高到100%

解析：汽车的发动机是内燃机，故选项A正确；蒸汽机、汽轮机、喷气发动机、内燃机都属于热机，故选项B错误。内燃机工作时，压缩冲程将机械能转化为内能，故选项C错误。热机在工作时，废气会带走一部分热量、燃料不可能完全燃烧、克服部件之间的摩擦会消耗能量等，所以热机的效率不可能达到100%。故选项D错误。

答案：D

（二）热机效率

图141【例2】（2015·内江）如图141所示，是最新一款无人驾驶汽车原型图。汽车自动驾驶时使用雷达传感器，以及激光测距器来了解周围的交通状况。该款车以72km/h的速度在一段平直的公路上匀速行驶了8km时，消耗汽油1.5L。假设燃油完全燃烧，汽油机的效率为30%，那么，在这段运动过程中，求：

（1）该汽车发动机做的有用功是多少？

（2）该汽车的输出功率为多少？

（已知：汽油的密度为0.8×103kg/m3，汽油的热值为4.5×107J/kg）

解析：（1）消耗汽油的质量为m=ρV=1.5×10-3×0.8×103kg=1.2kg

汽油完全燃烧放出的热量Q=qm=1.2×4.5×107J=5.4×107J

汽油机的有用功W有=ηQ=30%×5.4×107J=1.62×107J

（2）汽车运动的时间t=sv=8000m20m/s=400s

汽车的输出功率P=W有t=1.62×107J400s=4.05×104W

答案：（1）1.62×107J （2）4.05×104W

（三）能量的转化和守恒

【例3】（2014·江西）能量守恒定律：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式

为其他形式，或者从一个物体

到其他物体，而在这两个过程中，能量的总量保持不变。

解析：能量守恒定律：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，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上，在转移和转化过程中，能的总量保持不变。

答案：转化 转移

二、习题演练

（一）课后巩固

1.（2014·益阳）内能机工作时

冲程将内能转化为机械能。请举一个将机械能转化为内能的实例：

。

2.（2015·菏泽）世界上很多发明都是受到生活现象的启发而萌生的创意，比如：蒸汽机和汽油机，它们工作时，能的转化过程是

。图142中

是汽油机的工作原理图。

图1423.（2015·雅安）近期科学家发明了一种单缸六冲程内燃机，它每一个工作循环的前四个冲程与单缸四冲程内燃机相同，在第四冲程结束后，立刻向汽缸内喷水，水在高温汽缸内迅速

（填物态变化名称）成高温、高压的水蒸气，推动活塞再次做功，在水蒸气推动活塞做功的过程中主要的能量转化情况是

，从而提高了热机的效率。

4.（2014·南充）小明将1kg温度为10℃的水加热到90℃时，需要吸收

J的热量，这相当于完全燃烧

m3的天然气放出的热量。[已知c水=4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值为q气=8×107J/m3]

35.（2014·泰安）如图143所示实验，试管口木塞冲出过程（ ）

A.试管口出现的白雾是水蒸气

B.试管口出现白雾说明水蒸气内能增加

C.能量转化情况与内燃机压缩冲程相同

D.水蒸气对木塞做功，水蒸气的内能减少

6.（2015·台州）在图144所示事例中，不是通过化学反应提供能量的是（ ）

A.蓄电池放电 B.水力发电 C.内燃机做功冲程D.火箭点火升空

4

7.打桩锤是用于完成预制桩的打入、沉入、压入、拔出作业的预制桩施工机械。让打桩锤从高处自由落下打在预制桩上时，锤与桩因冲击力作用表面温度升高，这个过程中（ ）

A.机械能守恒B.动能守恒

C.势能守恒D.能量守恒

8.从能量的角度分析，图145所示的是滚摆和单摆上下的运动情况，在这个过程中，下列说法不正确的是（ ）

5A.滚摆和单摆向下运动时，重力势能转化为动能

B.滚摆和单摆向上运动时，动能转化为重力势能

C.动能和重力势能之间可以相互转化

D.滚摆和单摆最终都会停下来，是机械能消失了

9.图146所示的是“比较水和煤油吸热升温特点”的实验装置。

6①加热过程中，用搅棒搅动的目的是

A.采用相同的加热方法（如酒精灯火焰的大小，与烧杯底的距离等）

B.烧杯中分别装入相同体积的水和煤油

C.使用相同的烧杯

10.（2015·呼和浩特）王大刚同学和家人在郊外野餐，用木炭烧水。铁锅内装有5kg水，把水从18℃加热至98℃，已知水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）。如果木炭的热值为3.4×107J/kg，它燃烧放出的热有10%被水吸收。求：

（1）在这个过程中水吸收的热量是多少？

（2）在这个过程中用掉多少木炭？

11.用烟煤烧水时，将10kg的水从20℃加热到100℃，燃烧了1.4kg的烟煤。水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），烟煤的热值约为3×107J/kg。试求：

（1）水吸收的热量是多少？

（2）1.4kg烟煤完全燃烧放出的热量是多少？

（3）实际上烟煤未完全燃烧。若水吸收的热量是烟煤放出热量的8.4%，那么烟煤实际放出的热量是多少？

（二）能力提升

1.（2014·昭阳）从能的转化角度看，在四冲程内燃机的每个工作循环中，将内能转化为机械能的冲程是

2.如图147所示，玻璃瓶内有一些水，水上方存在着无色透明、无法看到的水蒸气。给瓶

7内打气，当瓶塞跳出时，可以看到瓶内出现

7.每年麦收时节，农民往往把麦秸秆堆在田里焚烧，这样既污染环境，又浪费资源。据测算，1t麦秸秆在沼气池中可以产生270m3沼气，剩余的残渣还是优质有机肥料。若某市农村一个村一年可产生500t麦秸秆，若这些麦秸秆用来在沼气池中产生沼气，产生的沼气完全燃烧后，可以放出

8.（2014·遂宁）下列有关热机的说法中不正确的是（ ）

A.热机工作的过程是将燃料燃烧获得的内能转化成机械能的过程

B.为了防止热机过热，通常用水来降温，是利用水的比热大的特性

C.可以采用增大热机功率的方法来增大热机的效率

D.热机的大量使用会造成环境污染

9.双燃料汽车以天然气或汽油作为燃料，以下说法正确的是（ ）

A.燃料的热值越大，燃烧时放出的热量越多

B.以天然气为燃料，汽车发动机的效率可以达到100%

C.在压缩冲程中，燃料混合物的温度升高，内能增大

D.汽油与天然气相比，燃烧时汽油对环境的污染较小

10.有经验的柴油机维修师，不用任何仪器，只是靠近柴油机排气管口观察和闻一下，并将手伸到排气管口附近感觉一下尾气的温度，就能初步判断这台柴油机的节能效果，在同样负荷的情况下，关于柴油机的节能效果，下列判断中正确的是（ ）

A.尾气的温度越高，柴油机越节能

B.尾气的温度越低，柴油机越节能

C.尾气的柴油味越浓，柴油机越节能

D.尾气的颜色越发黑，柴油机越节能

11.下面是小明同学“物理学习笔记”中的摘录，其中正确的是（ ）

A.做功和热传递在改变物体热量上是等效的

B.某种燃料在燃烧时所放出的热量叫做这种燃料的热值

C.热量是在热传递过程中物体内能改变的多少

D.温度越高的物体具有的热量越多

12.物理小组的同学们组装了如图1411甲所示的装置，在完全相同的烧杯中分别装有质量相同的A、B两种液体，在完全相同的燃料盒中分别装有两种不同的燃料。

11（1）若要比较液体的吸热本领，应选

两图的实验装置进行实验。

（2）实验过程中，若浸在液体中的温度计示数都升高50℃，加热时间较短的液体比热容较

12（3）实验过程中，给两杯液体加热相同的时间，温度升高较少的液体比热容较

（4）根据实验数据同学们绘制出了如图1412所示的图象。由图象可知：液体

的比热容较大。

（5）为了比较不同燃料的热值应选

两图的实验装置进行实验；实验过程中，若浸在液体中的温度计示数升高多，说明这种燃料的热值

（填“大”或“小”）。

13.（2014·南昌）某汽车的最低油耗可达0.2kg/（kW·h），最低油耗是指燃烧最少的汽油获得最大有用功的能量[0.2kg/（kW·h）表示获得1kW·h的能量需要消耗0.2kg汽油]，已知汽油的热值为4.6×107J/kg，请你通过这些数据写出判断该汽车发动机最高效率的办法。

14.（2014·苏州）燃气灶烧水时，把质量为2kg、初温为20℃的水加热到100℃，共燃烧了0.02m3天然气（假设天然气完全燃烧）。已知水的比热容为4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值为8.4×107J/m3，求：

（1）水吸收的热量。

（2）天然气完全燃烧放出的热量。

（3）燃气灶烧水时的效率。

15.（2014·泰州）三峡水电站有“照亮半个中国”的美誉，它的年平均发电量约为8.5×1010kW·h，相当于一座年消耗5×1010kg标准煤的火力发电站的发电量。求：

（1）标准煤的热值为2.9×107J/kg，完全燃烧5×1010kg标准煤能放出多少热量。

（2）以三峡水力发电代替同等的火力发电，每年会少排CO2气体1.2×1011kg，这些气体的体积是多少m3（通常情况下CO2气体的密度为2kg/m3）。

（3）根据本题中的数据，计算火力发电的效率。

习题演练参考答案

（一）课后巩固

1.做功 双手互相摩擦、打气筒打气、弯折铁丝、锻打铁块等

2.化学能转化为机械能 乙

3.汽化 内能转化为机械能（内能转化为动能）

4.3.36×105 4.2×10-3

5.D

6.B

7.D

解析：打桩时，锤和桩温度升高说明有内能产生，而锤的机械能减小，故发生了机械能和内能的转化，故只能说明是能量守恒。

8.D

解析：滚摆和单摆向上运动的过程中，由于高度升高，则重力势能增加，同时速度减小，则动能减小，即动能转化为了重力势能，故选项AB正确；因重力势能和动能统称为机械能，又因为滚摆和单摆在运动的过程中，高度逐渐减小，说明机械能转化为内能，故机械能会减小，故选项C正确；滚摆和单摆最终都会停下来，不是机械能消失了，而是机械能转化为其他形式的能了，故选项D错误。

9.①使液体均匀受热 加热时间 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）水吸收的热量

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

（2）1.4kg烟煤完全燃烧放出的热量Q放=m煤q=1.4kg×3×107J/kg=4.2×107J

（3）由于水吸收的热量是烟煤放出热量的8.4%，故Q吸/8.4%才是天然气燃烧实际放出的热量Q=Q吸8.4%=3.36×106J8.4%=4×107J。

（二）能力提升

1.做功

2.白雾 液化 做功 减小 3 压缩

3.小 内

4.内 28%

解析：蒸汽轮机的作用是将内能转化为机械能。已知锅炉、蒸汽轮机和发电机的效率分别为η1=50%、η2=70%和η3=80%，所以火电站的效率为η=η1η2η3=50%×70%×80%=28%。

5.可 6000

6.做功 内 机械 做功

解析：当按动电火花发生器的按钮时，酒精燃烧后的燃气对盒盖做功，将燃气的内能转化为盒盖的机械能，燃气的内能减小；四冲程热机中的做功冲程就是利用内能来做功的冲程，将内能转化为机械能。

7.2.565×1012 3053571

解析：（1）先求出500t秸秆产生的沼气，然后根据Q=qV求出沼气完全燃烧放出的热量；

（2）根据Q=cmΔt求出一壶水吸收的热量，然后沼气放出的热量与一壶水吸收的热量的比值即为烧开的壶数。

解：（1）500t麦秸秆产生的沼气：V=500×270m3=1.35×105m3，则这些沼气完全燃烧放出的热量：Q=qV=1.9×107J/m3×1.35×105m3=2.565×1012J；

（2）一壶水吸收的热量：Q′=cmΔt=4.2×103J/（kg·℃）×2.5kg×（100℃-20℃）=8.4×105J，

则烧开的壶数：n=QQ′=2.565×1012J8.4×105J=3053571（壶）。

8.C 9.C

10.B

解析：尾气的温度高，说明散失的热量多，柴油机的效率低，反之，柴油机的效率高，即节能。尾气的柴油味浓、颜色黑都说明柴油没有充分燃烧，浪费了燃料，这样柴油机的效率会低。故选B。

11.C

解析：做功以能量转化的方式改变物体的内能， 热传递用能量转移的方式改变物体的内能，不是改变物体的热量；热传递中能量转移的多少用热量来量度，A不正确，C正确。燃料在完全燃烧时所放出的热量叫做这种燃料的热值，B不正确；热量只可以说吸收热量或放出热量，不可以说含有热量，D不错误。

12.（1）甲、丙 （2）小 （3）大 （4）B （5）甲、乙 大

解析：（1）要比较不同物质的吸热本领，必须保证不同物质的质量相等，相同时间吸收的热量相同，所以选择甲丙；（2）实验过程中，若浸在液体中的温度计示数都升高了50℃，加热时间较短的液体比热容较小；（3）质量相同的两种物质，加热时间相同时，温度升高较多的液体比热容较小；（4）质量和初始温度均相同的A、B两种液体，吸热后它们的温度随时间变化的图象如图2所示，由图可以看出，B液体的温度升高得较慢，B液体的比热容较大；（5）由图知，要比较不同燃料的热值，需要选择甲和乙两图，因为燃料不同；实验过程中，若浸在液体中的温度计示数升高多，说明在相同时间这种燃料放出的热量多热值大。

13.解：Q总=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）在此过程中，水吸收的热量：

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

（2）天然气完全燃烧放热：

Q放=Vq=8.4×107J/m3×0.02m3=1.68×106J

（3）燃气灶烧水的效率：η=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%