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第1节　能量的转化与守恒
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一、能量的转化
阅读教材,完成下列问题。
1.自然界中存在着各种形式的能量,如机械能、化学能、内能、电能、光能、核能、潮汐能等。在一定条件下,各种形式的能量是可以__________的。
2.请你结合下图中的实例,补充相应能量转化的具体实例。
①气体膨胀做功　
②摩擦生热　
③太阳能热水器　
④加热器　
⑤火力发电站　
⑥电灯　
⑦太阳能电池　
⑧蜡烛燃烧　
⑨光合作用　
⑩水力发电机
电动机
二、能量守恒定律
阅读教材,完成下列问题。
1.能量守恒定律的内容是什么
2.为什么根本不可能造出永动机
能量既不会凭空消失,也不会凭空产生,它只会从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到其他物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量保持不变。
任何一部机器,只能使能量从一种形式转化为其他形式,而不能无中生有地制造能量。因此,根本不可能造出永动机。
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一、正确理解能量的“转化”和“转移”
1.能量的转化:能量的转化往往伴随着物体做功,能量的形式发生了变化。注意:在能量转化的过程中,一种形式的能量增加了,肯定有其他形式的能量减少了。例如:弯折铁丝时,铁丝温度升高,内能增加,通过做功(弯折铁丝)的方式使机械能转化成了内能。
2.能量的转移:能量的形式不变,但能量的载体发生变化。例如:用锅烧水时,内能从高温的电加热器转移到低温的水和锅上。再如:流水推动水轮机转动,水的机械能转移到水轮机上。
跟踪训练1(2024·湖南中考)有关能量的转移、转化和利用,下列说法正确的是(　　)
A.用电烤炉取暖,是电能转移到人体
B.钻木取火,是内能转化为机械能
C.热水泡脚,是通过热传递的方式增大脚部的内能的
D.用嘴对着手“哈气”取暖,主要是通过做功的方式增大手的内能的
C
解析:电烤炉是利用电流的热效应工作的,电烤炉工作时,将电能转化为内能,内能再通过热传递转移到人体,而不是电能直接转移到人体,A错误。钻木取火是通过做功的方式将机械能转化为内能的,B错误。热水泡脚,热量从热水转移到脚上,这是通过热传递的方式来增大脚部的内能的,C正确。对着手“哈气”取暖,是通过热传递来改变物体内能的,D错误。
【方法规律】 从能量的形式是否改变区分“转移”与“转化”
当能量发生转化时,一定表现为一种形式的能量减少,另一种形式的能量增加,能量的形式发生了改变;而“转移”则是指一种形式的能量在物体与物体之间或同一物体的不同部分之间发生了数值的变化,能量的形式并没有改变。
二、能量守恒定律的理解和应用
1.能量守恒定律的普遍性:能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的基本定律之一。自然界中,所有能量转化的过程,都遵循能量守恒定律。
2.能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。
3.不需要动力就可以源源不断地对外做功的机器——永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律。
4.能量守恒定律的成立是无条件的,一种形式的能量减少多少,其他形式的能量就会增加多少;能量从一个物体转移到另一个物体上,一个物体的能量减少了多少,另一个物体的能量就增加了多少,能量的总量保持不变。
跟踪训练2如图所示的摆设,正常运行时,小轮在支架上来回摆动,每次到达的最大高度相同。小斌发现摆设上有一电源,关掉电源后,小轮逐渐停下来。下列说法正确的是(　　)

A.小轮滚动过程中没有力对其做功
B.正常运行时,小轮的速度一直不变
C.断电后小轮最终会停下,说明能量守恒定律不一定成立
D.正常运行时,小轮往返一次,摆设一定需要消耗电能
D
解析:小轮在滚动过程中,要克服摩擦力做功,A错误。正常运行时,小球从最高点滚下,重力势能转化为动能,因为小球的质量不变,所以小球的速度增大,B错误。小球在滚动过程中要克服摩擦力做功,小轮要持续往返运动,必须要有能量补充,即要消耗电能;断电后,小球克服摩擦力做功,一部分机械能转化为内能,但能量仍然是守恒的,C错误,D正确。
【易错提醒】 把握题目中温度的含义
水的初温t0水=25 ℃,金属块的初温t0金=100 ℃,水和金属块的末温t =30 ℃;水吸收热量,温度升高;金属块放出热量,温度降低。
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第2节　热机
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一、热机
阅读教材,完成下列问题。
1.热机是利用____________做功的机械。热机工作时,将____________能转化为____________能。常见的热机有蒸汽机、____________、汽轮机、喷气发动机等。
2.燃料直接在发动机____________内燃烧产生动力的热机,叫作内燃机。内燃机分为____________和柴油机两大类,它们分别用____________和柴油作为燃料。
内能
内
机械
内燃机
气缸
汽油机
汽油
二、汽油机
阅读教材,完成下列问题。
1.右图是四冲程汽油机剖面图。
其中,(1)是____________,
(2)是____________,
(3)是____________。
2.汽油机的工作原理:汽油在____________里面燃烧时生成高温高压的燃气,推动活塞做功。活塞运动带动曲轴转动。
火花塞
连杆
活塞
气缸
3.四冲程汽油机的一个工作循环由哪四个冲程组成 在四个冲程中,压缩冲程和做功冲程各发生了怎样的能量转化 哪个冲程排出了气缸中的废气
吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。压缩冲程将机械能转化为内能,做功冲程将内能转化为机械能。排气冲程排出了气缸中的废气。
4.请填写下列各图对应冲程的名称。
做功冲程
排气冲程
压缩冲程
吸气冲程
三、柴油机
阅读教材,完成下列问题。
1.柴油机在构造上不同于汽油机的是什么
2.柴油机的工作过程中,有哪些方面不同于汽油机
柴油机气缸顶部没有火花塞,而有一个喷油嘴。
(1)柴油机在吸气冲程中吸进气缸的只有空气,而汽油机吸进气缸的是汽油和空气的混合物。(2)在压缩冲程中,柴油机对空气的压缩程度比汽油机高。(3)柴油机压缩冲程结束时,气缸内空气的温度超过柴油的燃点,此时从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气便立刻燃烧起来;而汽油机是在压缩冲程结束时,由火花塞产生电火花来点燃被压缩的汽油和空气的混合物。
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一、汽油机的工作过程及各冲程的判断
1.汽油机的工作过程。
过程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
图示
气门 进气门打开, 排气门关闭 进气门、 排气门均关闭 进气门、 排气门均关闭 进气门关闭,
排气门打开
过程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
活塞 向下运动 向上运动 向下运动 向上运动
作用 吸入汽油和 空气的混合物 压缩燃料 混合物 在压缩冲程结束时, 火花塞产生电火花, 使燃料猛烈燃烧,产 生的高温高压气体推 动活塞向下运动,带 动曲轴转动,对外做功 把废气排出气缸
主要的能 的转化 无 机械能转化为内能 内能转化为机械能 无
温度变化 无 温度升高 温度降低 温度降低
2.对汽油机工作过程的理解。
(1)四冲程汽油机在一个工作循环中有四个冲程,活塞往复运动两次,曲轴和飞轮转动两周,对外做功一次,简记为“4、2、2、1”。
(2)汽油机在工作时只有做功冲程对外输出动力,其他三个冲程均为辅助冲程,依靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。
跟踪训练1如图所示内燃机的四个冲程,气缸内气体的内能最小的是(　　)
D
解析:A中,火花塞产生电火花,使燃料猛烈燃烧,产生高温高压的气体,高温高压的气体推动活塞向下运动,带动曲轴转动,对外做功,是做功冲程,内能转化机械能。B中,进气门保持关闭,排气门打开,活塞向上运动,把废气排出气缸。C中,进气门和排气门都关闭,活塞向上运动,燃料混合物被压缩,是压缩冲程,活塞对气体做功,将机械能转化为气体的内能,使气缸内气体内能增加。D中,进气门打开,排气门关闭,活塞向下运动,汽油和空气的混合物进入气缸,是吸气冲程,气体温度较低,内能最小。相比而言,吸气冲程中燃料混合物的温度最低,内能最小,故选D。
【方法规律】 汽油机冲程的判断方法
根据气门开、闭情况和活塞运动方向判断:一门打开,上排下吸;两门关闭,上压下功。其中“上”“下”是指活塞向上运动或向下运动。
跟踪训练2汽油机将内能转化为机械能的是___________冲程,某单缸四冲程汽油机曲轴转速是2 400 r/min,则此汽油机每秒对外做功__________次。
做功
20
【点拨】 厘清循环、冲程、转速、做功间的数量关系,以及其中两个冲程的能量转化,是解答本题的关键,具体可以概括为:
二、柴油机与汽油机的对比
种类 柴油机 汽油机
燃料 柴油 汽油
构造 气缸顶部有喷油嘴 气缸顶部有火花塞
一个工 作循环 吸气冲程 吸进气缸的只有空气 吸进气缸的是汽油和空气的混合物
压缩冲程 对空气的压缩程度高,空气温度很高 对汽油和空气混合物的压缩程度比柴油机低
做功冲程 压缩冲程结束时,空气的温度超过柴油的燃点,喷油嘴喷出雾状柴油遇到热空气便立刻燃烧(压燃式) 压缩冲程结束时,火花塞产生电火花,点燃燃料(点燃式)
排气冲程 排出废气 排出废气
主要特点 笨重、效率较高 轻巧、效率较低
适用范围 载重汽车、拖拉机、 坦克、火车、轮船等 小汽车、摩托车等
跟踪训练3(多选)关于汽油机和柴油机的不同点,下列说法正确的是(　　)
A.在构造上,汽油机气缸顶部有火花塞,柴油机气缸顶部有喷油嘴
B.在吸气冲程中,汽油机吸入气缸的是汽油,柴油机吸入气缸的是柴油
C.在压缩冲程末,汽油机用点燃式点火,而柴油机用压燃式点火
D.在做功冲程中,汽油机气缸内气体的压强大于柴油机
AC
解析:在吸气冲程中,汽油机吸入气缸的是空气和汽油的混合物,柴油机吸入气缸的是空气,B错误。由于柴油机对空气的压缩程度比汽油机高,因此在做功冲程中气体的压强也大于汽油机,可以输出更大的功率,D错误,A、C正确。
【方法规律】 巧记汽油机和柴油机的异同点
汽油柴油机异同,关键先看气缸顶。汽油机用火花塞,柴油机用喷油嘴。汽油压末塞点火,柴油压末喷油雾。汽油机轻效率低,用于汽车小农机。柴油机重效率高,轮船火车拖拉机。
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第3节　热机的效率
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一、燃料的热值
阅读教材,完成下列问题。
1.某种燃料____________放出的热量与其质量之比,叫作这种燃料的热值。
2.固体燃料热值的单位:焦每千克,符号是____________。某些气体燃料热值的单位:焦每立方米,符号是____________。
3.热值在数值上等于1 kg(在标准状态下1 m3)某种燃料完全燃烧放出的热量。如木炭的热值为3.4×107 J/kg,它表示:
________________________________________________________;
焦炉煤气的热值约为1.7×107 J/m3,它表示:
__________________________________________________________。
完全燃烧
J/kg
J/m3
1 kg的木炭完全燃烧时放出的热量为3.4×107 J
在标准状态下1 m3的焦炉煤气完全燃烧放出的热量约为1.7×107 J
二、热机的效率
阅读教材,完成下列问题。
1.什么是热机的效率
2.在设计和制造热机时,提高效率的关键点是什么
用来做有用功的这部分能量,与燃料完全燃烧放出的热量之比,叫作热机的效率。
不断改进和创新,减少各种能量损失。
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一、对燃料热值的理解和燃料燃烧放出热量的计算
1.理解燃料的热值时应注意三个关键词。
(1)“某种燃料”
(2)“完全燃烧”
(3)“与其质量之比”
热值是个比值,它与释放的热量和燃料的质量无关,仅与燃料的种类有关。
【拓展延伸】 比值定义法
在定义一个物理量的时候可采用比值的形式定义。一般地,比值定义法的基本特点是被定义的物理量往往反映物质的最本质的属性,它不随定义所用的物理量的大小变化而改变。速度、密度、压强、功率、比热容、热值等,都是采用的比值定义法。
2.燃料燃烧放出热量的计算。
根据燃料的热值的定义,我们可以推导出质量为m(或体积为V)的某种燃料完全燃烧时放出的热量的计算公式。
(1)固体和液体燃料:
(2)气体燃料:
(3)注意:①运用公式进行计算时,单位一定要统一;②由燃料的热值的定义(q=或q=)变形可得到Q=qm或Q=qV。注意公式中每个物理量都有其特殊的物理意义,不能错误地认为q与Q成正比,与m成反比。
跟踪训练1(2024·江苏连云港中考)下列关于燃料的热值说法正确的是
(　　)
A.燃料燃烧越充分,其热值越大
B.燃料的热值越小,完全燃烧放出的热量越少
C.一瓶酒精用去三分之一,剩余酒精的热值将减小
D.焦炭的热值是3.0×107 J/kg,完全燃烧1 kg焦炭能放出3.0×107 J的热量
D
解析:热值是燃料的一种特性,其大小仅与燃料的种类有关,而与燃料的质量和燃烧程度无关,A、C错误。根据Q放=mq知,在质量相同时,燃料的热值越小,完全燃烧放出的热量越少,B错误。焦炭放出的热量Q放=mq=1 kg× 3.0×107 J/kg=3.0×107 J,D正确。
跟踪训练2(2024·山东泰安中考)某地利用地热资源建立温泉浴池。某温泉池注入了6×103 kg的水,初始水温为42 ℃,一段时间后水温降至30 ℃,放出的热量为Q,c水=4.2×103 J/(kg·℃),q天然气=3.2×107 J/m3。求:
(1)Q的大小。
(2)完全燃烧多少立方米的天然气放出的热量与Q的大小相等。
答案:(1)3.024×108 J (2)9.45 m3
解析:(1)水温下降时,放出的热量
Q=c水m(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×6×103 kg×(42 ℃-30 ℃)=3.024×108 J。
(2)由题意知Q天然气放=Q=3.024×108 J,则需要天然气的体积
V==9.45 m3。
【误区警示】 规避热量计算的几个误区
(1)明确题目中热量的计算是物体温度降低时放出热量的计算还是燃料燃烧时放出热量的计算。
(2)根据热量计算的不同情况选用公式;根据待求量正确进行公式变形,计算时注意单位要统一。
(3)准确挖掘题目中的隐含条件,建立等量关系。如本题中“完全燃烧多少立方米的天然气放出的热量与Q的大小相等”。
二、热机效率的理解与计算
关于效率的两种情形。
(1)燃料燃烧的热效率
①燃料燃烧的热效率:有效利用的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比叫作热效率。
②计算公式:热效率=
(2)热机的效率
①热机的效率:用来做有用功的这部分能量,与燃料完全燃烧放出的热量之比,叫作热机的效率。
②公式:η=。
跟踪训练3(2024·山西中考)山西拥有丰富的历史文化遗产。暑假期间小明一家从平遥古城自驾前往五台山,进行古建筑研学旅行。平遥古城到五台山全程约360 km,驾车前往大约需要4 h。汽油的热值q取4.6×107 J/kg,汽油的密度ρ取0.8×103 kg/m3。
(1)求汽车的平均速度。
(2)汽车全程消耗汽油25 L,求汽油完全燃烧放出的热量Q。
(3)若汽车发动机全程的平均功率为25 kW,求汽车发动机的效率(结果保留三位有效数字)。
答案:(1)90 km/h (2)9×108 J (3)39.1%
解析:(1)汽车平均速度v==90 km/h。
(2)消耗汽油的质量m=ρV=25×10-3 m3×0.8×103 kg/m3=20 kg
汽油完全燃烧放出的热量Q=qm=4.6×107 J/kg×20 kg=9.2×108 J。
(3)汽车发动机做的机械功W=Pt=25×103 W×4×3 600 s=3.6×108 J
发动机的效率η==39.1%。
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第14章　内能的利用
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本 章 知 识 梳 理
专 题 归 纳 复 习
本章知识梳理
专题归纳复习
专题归纳一 能量的转化与守恒
各种形式的能量之间可以相互转化,同种形式的能量可以发生转移。在分析能量的转化或转移的过程时,明确要研究的对象及对应的过程,注意分析物体起始状态和最终状态所具有的能量形式,确定是能量的转化还是转移,在能量的转化或转移的过程中,能量是守恒的。
典例分析1某大学的学生设计制作了一种发电足球,球在被踢的过程中,其内部装置能够发电,并将产生的电能储存在蓄电池中,用来点亮LED灯。该过程中的能量转化分析不正确的是(　　)
A.球在被踢的过程中,其内部装置发电时,机械能转化为电能
B.将产生的电能储存在蓄电池中时,电能转化为化学能
C.点亮LED灯时,化学能转化为电能再转化为光能
D.整个过程中机械能守恒
D
解析:球具有机械能,其内部装置能够发电,机械能被转化为电能,A正确。蓄电池将电能转化为化学能储存起来,B正确。点亮LED灯时,蓄电池中的化学能转化为电能,电能再转化为光能,C正确。在整个过程中,球在被踢时,机械能一部分转化为电能,还有一部分转化为其他形式的能,在这个过程中机械能不守恒,D错误。
专题归纳二 内燃机冲程的识别及能量转化
1.内燃机四个冲程的识别方法:一看气门,二看活塞。
2.在内燃机的四个冲程中,涉及能量转化的有两个冲程。压缩冲程中机械能转化为内能,气缸内气体的体积减小、密度增大、压强增大、内能增加、温度升高;做功冲程中内能转化为机械能。
3.在内燃机的四个冲程中,只有做功冲程对外做功,其余三个冲程都是靠飞轮的惯性完成的。
典例分析2关于如图所示的某单缸四冲程汽油机的说法正确的是(　　)
A.靠飞轮惯性完成冲程的是乙、丙、丁
B.四冲程内燃机在一个工作循环中的工作过程依次是丁丙乙甲
C.甲图中能量的转化情况是内能转化为机械能
D.甲图中气缸内气体温度会上升
D
解析:甲图中,进气门和排气门都关闭,活塞向上运动,气缸容积减小,是压缩冲程,此过程中将机械能转化为内能,C错误。甲图中,两气门关闭,活塞向上运动,气缸容积减小,是压缩冲程,气缸内气体温度会上升,D正确。丙图中,进气门和排气门都关闭,活塞向下运动,气缸容积增大,是做功冲程,将内能转化为机械能;丁图中,进气门打开,排气门关闭,活塞向下运动,气缸容积增大,是吸气冲程;汽油机的四个冲程依次是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程,即丁、甲、丙、乙,B错误。在汽油机的四个冲程中,只有做功冲程做功,其他三个冲程是靠飞轮的惯性来完成的,所以依靠飞轮惯性完成的冲程是甲、乙、丁冲程,A错误。
专题归纳三 以热机为载体的综合计算
以热机为载体的综合计算主要包括热量的计算、热值的计算、热机效率的计算、功和功率的计算、压强的计算,以及车辆牵引力的计算等。
应用到的有关公式如下表所示。
相关计算 应用到的公式 说明
热量的计算 Q吸=cm(t-t0) 注意末温t、温度变化量Δt的确定
热值的计算 q=或q= 注意区分燃料的种类及热值的单位
热机效率的计算 η= 注意变形公式Q总=、Q有用=ηQ总的选用
功和功率的计算 W=Fs 利用公式s=vt求出汽车行驶的路程
压强的计算 p= 注意F、S的大小及确定;
变形公式F=pS、S=的选用
牵引力的计算 F=Ff 汽车在水平路面上匀速直线行驶
典例分析3(2024·海南中考)科技助“荔”打造智慧果园。海南荔枝农利用植保无人机巡逻、喷药、施肥,给百亩荔枝施肥只需3 h。作业前,装满药剂和汽油的无人机停在水平地面上,对水平地面的压强为5×104 Pa,支架与水平地面的总接触面积为5×10-3 m2;作业时,该无人机先匀速直线上升3 m,接着水平匀速飞行喷洒药剂。无人机上升时所受的空气阻力和汽油的消耗可忽略不计。请完成下列问题。已知ρ汽油=0.7×103 kg/m3,q汽油= 4.6×107 J/kg,g取10 N/kg。
(1)无人机匀速上升时升力与总重力____________(选填“是”或“不是”)一对平衡力。
(2)满载时无人机的总质量为多少
(3)上升过程中升力做了多少功
(4)若无人机的热机效率是40%,则无人机消耗200 mL汽油所做的有用功是多少
答案:(1)是　(2)25 kg　(3)750 J (4)2.576×106 J
解析:(2)由p=可得无人机对水平地面的压力
F=pS=5×104 Pa×5×10-3 m2=250 N
无人机的总重力G=F=250 N
无人机的总质量m==25 kg。
(3)上升过程中升力做的功W=Gh=250 N×3 m=750 J。
(4)消耗汽油的体积V汽油=200 mL=200 cm3
汽油的质量m汽油=ρ汽油V汽油=0.7 g/cm3×200 cm3=140 g=0.14 kg
汽油完全燃烧放出的热量
Q放=m汽油q汽油=0.14 kg×4.6×107 J/kg=6.44×106 J
由η=可得有用功W=ηQ放=40%×6.44×106 J=2.576×106 J。
【探究学习活动】
典例分析4据统计,每燃烧1 kg燃油约排放3.3 kg二氧化碳。为实现碳达峰、碳中和的目标,氢能作为一种绿色的清洁能源,在我国交通领域的应用场景不断扩大,使用氢燃料电池的交通工具不断丰富,其应用流程如下。
(1)氢燃料电池将化学能直接转化为____________能。
(2)当储氢瓶内的气体压强为3.5×107 Pa时,求瓶内壁1 cm2的面积受到的压力。
(3)以氢燃料电池卡车为例,假设卡车在水平路面上匀速行驶72 km用时1 h,功率为172 kW。燃油机的效率取36%,燃油的热值q取4.3×107 J/kg。
①求卡车的行驶速度。
②求卡车所受牵引力。
③与燃油卡车相比,氢燃料电池卡车行驶72 km可减排二氧化碳的质量为多少
答案:(1)电 (2)3.5×103 N (3)①20 m/s　②8.6×103 N　③132 kg
解析:(1)由题图可知,氢燃料电池是将氢的化学能直接转化为电能的。
(2)根据p=可知,当储氢瓶内的气体压强为3.5×107 Pa时,瓶内壁1 cm2的面积受到的压力F=pS=3.5×107 Pa×1×10-4 m2=3.5×103 N。
(3)①卡车的行驶速度v==72 km/h=20 m/s。
②卡车所做的机械功W=Pt=172×103 W×3 600 s=6.192×108 J
根据W=Fs可知,卡车所受牵引力F==8.6×103 N。
③根据η=可知,
燃料完全燃烧放出的热量Q放==1.72×109 J
消耗燃油的质量m==40 kg
则减排二氧化碳的质量m'=3.3m=3.3×40 kg=132 kg。
本课结束

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