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第14讲　内能的利用
@课标导读
　　3.1.1　了解能量及其存在的不同形式.能描述不同形式的能量和生产生活的联系.
　　3.1.2　通过实验，认识能量可以从一个物体转移到其他物体，不同形式的能量可以相互转化.
　　3.3.1　从能量转化的角度认识燃料的热值.
　　3.3.3　了解热机的工作原理.知道内能的利用在人类社会发展史中的重要意义.
　　3.5.1　知道能量守恒定律.列举日常生活中能量守恒的实例.有用能量转化与守恒的观点分析问题的意识.
　　3.5.2　从能量转化和转移的角度认识效率.
　　3.5.3　列举能量转化和转移具有方向性的常见实例.
@知识梳理
能量的转化与守恒
1.在一定条件下，各种形式的能量是可以相互 的，并且是具有方向性的.
2.能量守恒定律：能量既不会 ，也不会 ，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 .
3.永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律.
热机
1.定义：利用 做功的机械.常见的热机有汽油机、柴油机、蒸汽机、喷气发动机等.
2.四冲程汽油机的四个冲程、工作过程及特点如下：
冲程名称 冲程 冲程 冲程 冲程
图示
工作过程 进气门 打开 关闭 关闭 关闭
排气门 关闭 关闭 关闭 打开
活塞 向下运动 向 运动 向 运动 向上运动
能量转化 — 将 能转化为 能 将 能转化为 能 —
【回归教材】　用酒精灯给试管内的水加热至一定程度，发现试管口的木塞被冲出，如图所示.下列描述正确的是
( )　　　　　　
(RJ九P25)
A.试管中的水是靠做功的方式增加内能的
B.水蒸气对木塞做功，把机械能转化为内能
C.水蒸气对木塞做功，与汽油机做功冲程的原理相同
D.水蒸气对木塞做功，水蒸气的内能增加
热值和热机的效率
1.热值
(1)定义：物理学中，把某种燃料 放出的热量与其 之比，叫作这种燃料的热值，用符号 表示.热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量.
(2)单位： 或 ；氢的热值为1.4×108 J/kg的物理意义是 .
(3)公式：燃料完全燃烧放出热量的计算公式为Q放＝ 或Q放＝ .
(4)热值是燃料的一种特性，与燃料的质量、是否完全燃烧等 关，只与燃料的 有关.
2.热机的效率
(1)定义：用来做 的这部分能量，与燃料 放出的热量之比，叫作热机的效率.
(2)公式：η＝.
(3)热机的效率是热机性能的重要指标.提高热机效率的途径：一是让燃料尽可能充分燃烧；二是尽可能减少热量损失；三是保持良好的润滑，减小摩擦.
3.燃气灶烧水时加热效率的计算公式： ，电烧水加热效率的计算公式： .
@中考考向
能量的转化与守恒(5年5考，常结合其他知识综合考查)
　[物理学与社会发展](2021·广东)如图为火箭发射的场景，火箭的燃料使用了液态氢，主要是因为它的 大，火箭发射升空时，燃料的化学能转化为 能，再转化为火箭的机械能，这个过程中火箭的机械能 (选填“守恒”或“不守恒”).
变式1　　[中华优秀传统文化]我国古代火箭“火龙出水”是二级火箭的始祖，结构如图所示.“火龙出水”燃烧火药提供动力，用于对敌军的船只实施火攻.关于“火龙出水”发射过程中的能量转化，下列说法正确的是 ( )
A.内能转化为化学能
B.化学能转化为机械能
C.化学能转化为内能，再转化为机械能
D.内能转化为化学能，再转化为机械能
　判断能量转化时，要看消耗了什么能量，得到什么能量，消耗的能量转化为得到的能量.
热机(5年3考)
(2023·广东)如图是四冲程内燃机的某一冲程示意图，该冲程是 ( )
A.吸气冲程 B.压缩冲程
C.做功冲程 D.排气冲程
变式2－1　(2021·广东)关于四冲程汽油机的工作过程，下列说法正确的是( )
A.吸气冲程：只吸入空气
B.压缩冲程：缸内温度降低
C.做功冲程：气体推动活塞做功
D.排气冲程：内能转化为机械能
变式2－2　[物理观念](2022·广东)如图所示的四冲程汽油机处于 冲程.汽车尾气带走的能量 (选填“能”或“不能”)自动汇集回来转化成燃料的化学能，这反映了能量的转化具有 .
　四个冲程的顺序是吸气、压缩、做功、排气.判断冲程：①先看气门，两气门关闭则为压缩或做功，一气门打开则为吸气或排气；再看活塞，活塞向上运动为压缩或排气，活塞向下运动则为吸气或做功；②有火花的为做功冲程，做功冲程内能转化为机械能.
热值和热量的计算(5年5考，常结合其他知识综合考查)
[物理学与日常生活](2022·广东节选)班级厨艺展示活动中，用煤气炉烹饪食物.活动结束，剩余煤气的热值 (选填“变大”“变小”或“不变”).
壶中装有密度为1.0×103 kg/m3、质量为2 kg的水，则壶中水的体积为 m3；根据Q＝qV，若天然气的热值q＝4.2×107 J/m3，完全燃烧V＝1.0×10－2 m3的天然气放出的热量为 J，其中1.68×105 J的热量被水吸收，已知水未沸腾，比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，则水的温度升高了 ℃.
变式3　(2025·广东节选)如图是我国自主设计建造的“极地”号破冰调查船.某次任务中，该船的总质量为4.12
×106 kg.已知g＝10 N/kg，ρ海水＝1.03×103 kg/m3，
q燃油＝4.3×107 J/kg.求该船发动机完全燃烧100 kg燃油放出的热量.
热机效率
某台热机的工作效率为30％，可能符合其能量流向的选项是 ( )
变式4　[科学思维]汽油机是燃油汽车的动力来源之一.如图是某台汽油机工作时的能量数据，图中横线处应填写的内容是：① ；② .若汽油的热值为4.6×107 J/kg，则该工作过程中消耗的汽油质量为 kg.
@考点精练
1.[物理学与社会发展]世界装机容量最大的抽水蓄能电站——国家电网河北丰宁抽水蓄能电站(如图所示)可以利用电网过剩的电力，驱动水泵，将水抽到高处储存起来，需要时再将水放出发电，从而弥补了风能、太阳能等新能源发电不稳定且电力难储存的问题，堪称电力系统的巨型“充电宝”.下列说法正确的是　　　　　　　　　　　 ( )
A.抽水蓄能时是将机械能转化为电能
B.放水发电时是将机械能转化为电能
C.通过技术创新，该电站的能量转化效率可能达到100％
D.风能、光能、机械能、电能可以相互转化，说明能量的转化是没有方向性的
2.[科学态度与责任]关于能量守恒定律，下列说法正确的是
( )
A.“摩擦生热”创造了热能，因此不符合能量守恒定律
B.由于能量是守恒的，因此所谓的“能源危机”问题是不存在的
C.宇宙中各种能量的总和是不变的
D.通过科学研究，人类最终可以找到凭空创造能量的方法
3.(2025·江门一模改编)涡轴9“玉龙”是我国完全自主研发的航空涡轴发动机，其大致工作过程是空气通过进气道进入压气机，被压气机压缩后进入燃烧室与燃料混合，燃料在燃烧室燃烧后，产生的高温高压气体推动涡轮转动，从而输出动力.下列关于该发动机工作过程中的说法，正确的是
( )
A.燃烧室中燃料燃烧越充分，发动机的效率越高
B.燃料和压缩空气混合后，燃料的热值增大
C.压气机压缩空气，空气的内能减小
D.高温高压气体推动涡轮转动时，将机械能转化为内能
4.[中华优秀传统文化](2025·韶关一模改编)《天工开物》记载“凡河滨有制筒车者，堰陂障流，绕于车下，激轮使转，挽水入筒，一一倾于枧内，流入亩中，昼夜不息，百亩无忧.”图甲为筒车，图乙为其简化图.其工作原理可理解为把流水的 能转化为 能.筒车“昼夜不息”， (选填“能”或“不能”)说明它就是永动机.
5.(2025·东莞一模)某家庭用燃气热水器将质量为50 kg，温度为20 ℃的自来水加热到40 ℃，消耗的天然气体积为0.2 m3，则天然气完全燃烧放出的热量为 J，水吸收的热量为 J，该热水器的热效率为 .[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，q天然气＝4×107 J/m3]
6.(2025·惠州二模)新型太阳能汽车在运行过程中，能量转化情况如图所示.该太阳能汽车的能量转化效率为 ；汽车在刹车过程中，机械能转化为地面和轮胎等的内能，此过程中能量 (选填“守恒”或“不守恒”)，这些内能无法自动转化为汽车的机械能，说明能量的转化和转移具有 .
7.[科学思维]一款汽车发动机的效率是30％，则其每消耗6 kg汽油，发动机输出的机械能是 J，在损失的能量中， 带走的能量最多.若损失的能量完全被水吸收，则可使 kg的水温度升高50 ℃.[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，q汽油＝4.6×107 J/kg，假设汽油完全燃烧]第14讲　内能的利用
@课标导读
　　3.1.1　了解能量及其存在的不同形式.能描述不同形式的能量和生产生活的联系.
　　3.1.2　通过实验，认识能量可以从一个物体转移到其他物体，不同形式的能量可以相互转化.
　　3.3.1　从能量转化的角度认识燃料的热值.
　　3.3.3　了解热机的工作原理.知道内能的利用在人类社会发展史中的重要意义.
　　3.5.1　知道能量守恒定律.列举日常生活中能量守恒的实例.有用能量转化与守恒的观点分析问题的意识.
　　3.5.2　从能量转化和转移的角度认识效率.
　　3.5.3　列举能量转化和转移具有方向性的常见实例.
@知识梳理
能量的转化与守恒
1.在一定条件下，各种形式的能量是可以相互　转化或转移　的，并且是具有方向性的.
2.能量守恒定律：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　.
3.永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律.
热机
1.定义：利用　内能　做功的机械.常见的热机有汽油机、柴油机、蒸汽机、喷气发动机等.
2.四冲程汽油机的四个冲程、工作过程及特点如下：
冲程名称 　吸气　冲程 　压缩　冲程 　做功　冲程 　排气　冲程
图示
工作过程 进气门 打开 关闭 关闭 关闭
排气门 关闭 关闭 关闭 打开
活塞 向下运动 向　上　运动 向　下　运动 向上运动
能量转化 — 将　机械　能转化为　内　能 将　内　能转化为　机械　能 —
【回归教材】　用酒精灯给试管内的水加热至一定程度，发现试管口的木塞被冲出，如图所示.下列描述正确的是
(　C　)　　　　　　
(RJ九P25)
A.试管中的水是靠做功的方式增加内能的
B.水蒸气对木塞做功，把机械能转化为内能
C.水蒸气对木塞做功，与汽油机做功冲程的原理相同
D.水蒸气对木塞做功，水蒸气的内能增加
热值和热机的效率
1.热值
(1)定义：物理学中，把某种燃料　完全燃烧　放出的热量与其　质量　之比，叫作这种燃料的热值，用符号　q　表示.热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量.
(2)单位：　J/kg　或　J/m3　；氢的热值为1.4×108 J/kg的物理意义是　1 kg的氢完全燃烧放出的热量是1.4×108 J　.
(3)公式：燃料完全燃烧放出热量的计算公式为Q放＝　qm　或Q放＝　qV　.
(4)热值是燃料的一种特性，与燃料的质量、是否完全燃烧等　无　关，只与燃料的　种类　有关.
2.热机的效率
(1)定义：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＝.
(3)热机的效率是热机性能的重要指标.提高热机效率的途径：一是让燃料尽可能充分燃烧；二是尽可能减少热量损失；三是保持良好的润滑，减小摩擦.
3.燃气灶烧水时加热效率的计算公式：　η＝　，电烧水加热效率的计算公式：　η＝　.
@中考考向
能量的转化与守恒(5年5考，常结合其他知识综合考查)
　[物理学与社会发展](2021·广东)如图为火箭发射的场景，火箭的燃料使用了液态氢，主要是因为它的　热值　大，火箭发射升空时，燃料的化学能转化为　内　能，再转化为火箭的机械能，这个过程中火箭的机械能　不守恒　(选填“守恒”或“不守恒”).
变式1　　[中华优秀传统文化]我国古代火箭“火龙出水”是二级火箭的始祖，结构如图所示.“火龙出水”燃烧火药提供动力，用于对敌军的船只实施火攻.关于“火龙出水”发射过程中的能量转化，下列说法正确的是 (　C　)
A.内能转化为化学能
B.化学能转化为机械能
C.化学能转化为内能，再转化为机械能
D.内能转化为化学能，再转化为机械能
　判断能量转化时，要看消耗了什么能量，得到什么能量，消耗的能量转化为得到的能量.
热机(5年3考)
(2023·广东)如图是四冲程内燃机的某一冲程示意图，该冲程是 (　C　)
A.吸气冲程 B.压缩冲程
C.做功冲程 D.排气冲程
变式2－1　(2021·广东)关于四冲程汽油机的工作过程，下列说法正确的是(　C　)
A.吸气冲程：只吸入空气
B.压缩冲程：缸内温度降低
C.做功冲程：气体推动活塞做功
D.排气冲程：内能转化为机械能
变式2－2　[物理观念](2022·广东)如图所示的四冲程汽油机处于　排气　冲程.汽车尾气带走的能量　不能　(选填“能”或“不能”)自动汇集回来转化成燃料的化学能，这反映了能量的转化具有　方向性　.
　四个冲程的顺序是吸气、压缩、做功、排气.判断冲程：①先看气门，两气门关闭则为压缩或做功，一气门打开则为吸气或排气；再看活塞，活塞向上运动为压缩或排气，活塞向下运动则为吸气或做功；②有火花的为做功冲程，做功冲程内能转化为机械能.
热值和热量的计算(5年5考，常结合其他知识综合考查)
[物理学与日常生活](2022·广东节选)班级厨艺展示活动中，用煤气炉烹饪食物.活动结束，剩余煤气的热值　不变　(选填“变大”“变小”或“不变”).
壶中装有密度为1.0×103 kg/m3、质量为2 kg的水，则壶中水的体积为　2×10－3　m3；根据Q＝qV，若天然气的热值q＝4.2×107 J/m3，完全燃烧V＝1.0×10－2 m3的天然气放出的热量为　4.2×105　J，其中1.68×105 J的热量被水吸收，已知水未沸腾，比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，则水的温度升高了　20　℃.
【解析】壶中装有密度为1.0×103 kg/m3、质量为2 kg的水，则壶中水的体积V水＝＝＝2×10－3 m3；完全燃烧V＝1.0×10－2 m3的天然气放出的热量
Q放＝qV＝4.2×107 J/m3×1.0×10－2 m3＝4.2×105 J，
根据Q吸＝cmΔt可知，水升高的温度
Δt＝＝＝20 ℃.
变式3　(2025·广东节选)如图是我国自主设计建造的“极地”号破冰调查船.某次任务中，该船的总质量为4.12
×106 kg.已知g＝10 N/kg，ρ海水＝1.03×103 kg/m3，
q燃油＝4.3×107 J/kg.求该船发动机完全燃烧100 kg燃油放出的热量.
解：该船发动机完全燃烧100 kg燃油放出的热量
Q放＝m燃油q燃油＝100 kg×4.3×107 J/kg＝4.3×109 J
答：该船发动机完全燃烧100 kg燃油放出的热量为
4.3×109 J.
热机效率
某台热机的工作效率为30％，可能符合其能量流向的选项是 (　D　)
变式4　[科学思维]汽油机是燃油汽车的动力来源之一.如图是某台汽油机工作时的能量数据，图中横线处应填写的内容是：①　1.61×105　；②　机械　.若汽油的热值为4.6×107 J/kg，则该工作过程中消耗的汽油质量为　0.003 5　kg.
@考点精练
1.[物理学与社会发展]世界装机容量最大的抽水蓄能电站——国家电网河北丰宁抽水蓄能电站(如图所示)可以利用电网过剩的电力，驱动水泵，将水抽到高处储存起来，需要时再将水放出发电，从而弥补了风能、太阳能等新能源发电不稳定且电力难储存的问题，堪称电力系统的巨型“充电宝”.下列说法正确的是　　　　　　　　　　　 (　B　)
A.抽水蓄能时是将机械能转化为电能
B.放水发电时是将机械能转化为电能
C.通过技术创新，该电站的能量转化效率可能达到100％
D.风能、光能、机械能、电能可以相互转化，说明能量的转化是没有方向性的
2.[科学态度与责任]关于能量守恒定律，下列说法正确的是
(　C　)
A.“摩擦生热”创造了热能，因此不符合能量守恒定律
B.由于能量是守恒的，因此所谓的“能源危机”问题是不存在的
C.宇宙中各种能量的总和是不变的
D.通过科学研究，人类最终可以找到凭空创造能量的方法
3.(2025·江门一模改编)涡轴9“玉龙”是我国完全自主研发的航空涡轴发动机，其大致工作过程是空气通过进气道进入压气机，被压气机压缩后进入燃烧室与燃料混合，燃料在燃烧室燃烧后，产生的高温高压气体推动涡轮转动，从而输出动力.下列关于该发动机工作过程中的说法，正确的是
(　A　)
A.燃烧室中燃料燃烧越充分，发动机的效率越高
B.燃料和压缩空气混合后，燃料的热值增大
C.压气机压缩空气，空气的内能减小
D.高温高压气体推动涡轮转动时，将机械能转化为内能
4.[中华优秀传统文化](2025·韶关一模改编)《天工开物》记载“凡河滨有制筒车者，堰陂障流，绕于车下，激轮使转，挽水入筒，一一倾于枧内，流入亩中，昼夜不息，百亩无忧.”图甲为筒车，图乙为其简化图.其工作原理可理解为把流水的　动　能转化为　重力势　能.筒车“昼夜不息”，　不能　(选填“能”或“不能”)说明它就是永动机.
5.(2025·东莞一模)某家庭用燃气热水器将质量为50 kg，温度为20 ℃的自来水加热到40 ℃，消耗的天然气体积为0.2 m3，则天然气完全燃烧放出的热量为　8×106　J，水吸收的热量为　4.2×106　J，该热水器的热效率为　52.5％　.[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，q天然气＝4×107 J/m3]
6.(2025·惠州二模)新型太阳能汽车在运行过程中，能量转化情况如图所示.该太阳能汽车的能量转化效率为　30％　；汽车在刹车过程中，机械能转化为地面和轮胎等的内能，此过程中能量　守恒　(选填“守恒”或“不守恒”)，这些内能无法自动转化为汽车的机械能，说明能量的转化和转移具有　方向性　.
7.[科学思维]一款汽车发动机的效率是30％，则其每消耗6 kg汽油，发动机输出的机械能是　8.28×107　J，在损失的能量中，　废气　带走的能量最多.若损失的能量完全被水吸收，则可使　920　kg的水温度升高50 ℃.[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，q汽油＝4.6×107 J/kg，假设汽油完全燃烧]

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