物理特色专题：热机效率和能量守恒定律

试卷更新日期：2024-03-08 类型：一轮复习

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一、选择题

1. 关于热机，下列说法中正确的是（）

A、热机的效率越高，功率就越大 B、改进技术后，热机的效率可达到100% C、热机产生的噪声会污染环境 D、使用热值高的燃料可提高热机的效率

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2. 某同学为提高热机效率提出了四种办法，其中错误的是（）

A、尽量减少各种热损失 B、尽量减少克服摩擦额外消耗的功 C、尽量减少输出功力 D、尽量使燃料充分燃烧

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3. 甲汽油机的热机效率比乙汽油机的热机效率高，这表明（）

A、甲做功比乙多 B、甲做功比乙快 C、甲消耗的汽油比乙少 D、以相同的速度行驶相同的路程，乙消耗的汽油多

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4. 某人为了测试汽车发动机的效率，开车以60km/h的平均速度行驶了120km，用去汽油25L。已知汽油的密度为0.7×10³kg/m³ ，热值为4.6×10⁷J/kg，发动机的功率为32.2kW，则该汽车发动机的效率为（　　）

A、28.8% B、36.5% C、23.6% D、38%

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5. 下列说法中正确的是（　　）

A、质量是1g的燃料燃烧后放出的热量，叫做这种燃料的热值 B、做功和热传递都可以改变物体内能 C、热机做的有用功越多，热机效率就一定越高 D、燃料在燃烧时，将化学能转化为电能

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6. 随着人民生活水平的不断提高，混合动力车已进入了千家万户，混合动力汽车的发动机由一台内燃机和一台电机组成。如图所示是某混合动力汽车中内燃机的某冲程示意图。下列有关说法正确的是（　　）

A、该冲程将机械能转化为内能 B、该冲程是内燃机的做功冲程 C、给混合动力汽车蓄电池充电时机械能转化为内能 D、混合动力汽车发动机的效率能达到 $100 %$

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7. 甲、乙两种机器所做的总功之比是2：3，机械效率之比是3：1，则它们所做的有用功之比（）

A、2：3 B、2：1 C、2：9 D、9：2

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8. 小美在老师指导下进行了以下实验：甲、乙两烧杯各装100g水，用酒精灯加热甲烧杯，煤油灯加热乙烧杯，测得消耗酒精4g、煤油2.5g。她根据实验数据绘制了水温与加热时间关系的图像（如图）。若水沸腾前质量不改变，q_酒精＝3.0×10⁷J/kg，q_煤油＝4.6×10⁷J/kg，c_水＝4.2×10³J/（kg•℃），则下列说法正确的是（）

A、整个过程，甲杯中的水吸收的热量更多 B、前3分钟，乙杯中的水吸收的热量为3.36×10⁴J C、消耗的煤油完全燃烧放出的热量为1.15×10⁸J D、酒精灯加热的效率为28%

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9. 如图是某四冲程汽油机工作时的部分冲程示意图，下列说法正确的是（　　）

A、图示为汽油机的压缩冲程 B、若其转速为1200r/min，则1s内对外做功20次 C、图示冲程将内能转化为机械能 D、随着科技发展，热机的效率可以达到100%

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10. 如图，是某内燃机能量走向示意图，该内燃机的热机效率是（）

A、 $10 %$ B、 $25 %$ C、 $30 %$ D、 $75 %$

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11. 氢发动机是用气态氢作为燃料，代替传统以汽油、柴油为燃料的内燃机，氢气燃烧的生成物为水。如图所示，这是氢发动机汽车，它的四冲程内燃机转速为 $1200 r / m i n$ 。该车在平直路面上以 $36 k m / h$ 的速度匀速行驶，所受的阻力为 $800 N$ ，行驶 $5 m i n$ 消耗氢气 $0.15 m^{3}$ 。 $(q_{氢气} = 4 \times 1 0^{7} J / m^{3})$ 下列说法正确的是（）

A、氢气燃烧的生成物为水，所以氢发动机的效率可达 $100 %$ B、该汽车氢发动机 $1 s$ 对外做功 $20$ 次 C、该过程汽车牵引力做功的功率为 $8000 W$ D、该氢发动机汽车的热机效率为 $80 %$

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12. 做同样的功，甲柴油机用3h，消耗2kg柴油；乙柴油机用2h，消耗掉3kg柴油，下列说法中正确的是（）

A、甲的功率大，效率低 B、甲的功率大，效率高 C、乙的功率大，效率低 D、乙的功率大，效率高

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13. 如图所示是某款汽车能量转化示意图，则汽车的效率是（　　）

A、7% B、30% C、33% D、40%

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二、填空题

14. 汽油机是工农业生产中常用的热机，当汽油燃烧不充分时会冒“黑烟”，这时汽油机的效率将（选填“升高”、“不变”或“降低”）。这意味着在做功同样多的情况下，消耗的汽油质量将比正常工作时（选填“增加”、“不变”或“减少”）。

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15. 某型号汽车在车型测试中，在一段平直公路上匀速行驶了6km，消耗汽油1kg，汽油的热值为4.5×10⁷J/kg。假设燃油完全燃烧，汽油机的效率为40%。在此过程中，汽油机做的有用功是 J，汽车受到的牵引力是 N。

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三、实验探究题

16. 如图所示，A、B、C、D为四冲程汽油机工作过程中四个冲程的原理图，E和F是演示实验装置图。

(1)、A图是冲程，与它原理相同的是（选填字母）图所示的演示实验；

(2)、某单缸四冲程汽油机飞轮的转速为2400r/min，该汽油机每分钟对外做功次；

(3)、上述汽油机在一个工作循环中消耗了20g汽油（汽油热值为4.6×10⁷J/kg），完全燃烧放出的热量是；若这台汽油机的效率为30%，则一个工作循环中输出的有用机械能为 J；

(4)、目前武汉市汽车保有量达400万辆，每辆汽车每年平均耗汽油1.86t，若将汽车内燃机的效率由30%提高到31%，则武汉市每年可以节约汽油 t。

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17. 如图所示

(1)、图 $1$ 是冰的熔化实验，这是通过的途径改变物体的内能

(2)、如图 $2$ 把燃料放在带活塞的厚玻璃筒里，把活塞迅速上压，此过程瓶内气体的内能 $($ 选填“增大”、“减小”或“不变” $)$ 。

(3)、燃料燃烧，产生高温高压的气体把活塞往下推，这样就做成了一台简易的内燃机，此过程的能量转化情况是，这个过程与图 $3$ 汽油机哪个冲程的能量转化情况相同？ $($ 填字母 $)$ 。

(4)、如图 $4$ 是某台汽油机的能量流向图，这台汽油机的效率多大？写出一条提高汽油机效率的措施：

(5)、在汽油机中，燃料在汽缸内燃烧，而且燃料与空气混合充分，燃烧得比较完全，因此汽油机的效率比蒸汽机更 $($ 选填“高”或“低” $)$

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18. 老师用如图一所示实验装置，加热试管使水沸腾，发现试管上方的小风车，开始不停地转动；由此引出以下问题，请利用所学的知识回答。

(1)、图一实验中能量转化方式与图二中汽油机的（“甲”、“乙”、“丙”或“丁”）冲程相同；

(2)、汽油机的点火方式为；

(3)、图三是汽油机的能量流向图，这台汽油机的效率η＝。

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19. 某物理兴趣小组的同学，用煤炉给10kg的水加热，同时他们绘制了如图所示的加热过程中水温随时间变化的图线。若在6min内完全燃烧了0.28kg的煤，煤的热值约为3×10⁷J/kg，求：

(1)、假如单位时间燃烧煤的质量相同，则在烧水过程中，热效率最高（选填“0~2min“、”2~4min“或“4~6min“）。

(2)、经过6min时间加热，水所吸收的热量；

(3)、煤炉的效率。

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20. 电动自行车越来越受人们的青睐，使用前要先对车上的动力蓄电池充电；行驶时，动力蓄电池对车上的电动机供电，电动机为车提供动力.下表是某款电动自行车的一些主要技术参数：

行驶的里程短是电动车的一个缺点，爱发明的张师傅对该款电动车进行了改装，他在网上购买了小型汽油机和发电机，发明了“增程器”，即一个以微型的四冲程汽油机为动力的微型发电机.当电动车的电力不足的时候，“增程器”给动力蓄电池充电.则：

(1)、汽油机中的汽油是(选填“可再生”或“不可再生”)能源，如图表示汽油机的冲程；

(2)、该电动车的动力蓄电池最多可对外输出kW·h的电能，若质量是60kg的人骑电动自行车在水平路面上以18km/h的速度匀速行驶时，受到的阻力是人与车总重的0.02倍，行驶10min，电动机对电动自行车做功J (g取10N/kg)；

(3)、当动力蓄电池的蓄电量降低到25%及以下时，增程器立即启动并给动力蓄电池充电，同时维持电动车继续以18km/h的速度匀速行驶，这样行驶100min后蓄电池正好充满电，消耗汽油100g ( $q_{油} =$ 4. 6×10⁷ J/kg)，则该增程器此过程中的效率是.

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21. 汽油机广泛应用于汽车作为动力机械，如图甲左是四冲程汽油机的吸气冲程示意图。

(1)、请在图甲右中画出压缩冲程时，进气门，排气门开闭情况，曲轴的位置以及箭头表示活塞的运动情况。

(2)、四个冲程汽油机提供动力的冲程是．

(3)、常温下 $93$ 号汽油的热值是 $4.6 \times 10^{7} J/kg$ ，如果汽车经过长途行驶后，油箱里汽油的质量变为原来的四分之一，此时汽油的热值为．

(4)、热机的效率是汽油机的性能的重要指标，减少各方面的能量损耗可以提高热机效率，请写出汽油机工作时的一种能量损失．

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22.
混合动力汽车具有节能、低排放等优点，成为汽车研究与开发领域的重点，某新型混合动力汽车启动时，内燃机不工作，蓄电池向车轮输送能量，当需要高速行驶或蓄电池电能过低时，内燃机启动，既可以向车轮输送能量，又可以给蓄电池充电，车速与所受阻力的关系如图所示，在某次测试中，蓄电池储存的电能为5.12×10⁸J，由内燃机提供能量，汽车以50km/h的速度匀速行驶了0.5h，同时蓄电池的电能增加了10%，求：

(1)、汽车牵引力做的功；

(2)、若所用燃料的热值为4.5×10⁷J/kg，测试过程中消耗8kg燃料（假设燃料完全燃烧），则放出的总热量是多少？

(3)、内燃机的效率．

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四、计算题

23. 氢燃料具有清洁、效率高等优点，被认为是理想的能源之一，目前我国部分城市已有多批氢能源公交车投放使用。已知 $c_{水} = 4.2 \times 1 0^{3} J / (k g \cdot ℃)$ ， $q_{氢} = 1.4 \times 1 0^{8} J / k g$ 。问：

(1)、质量为0.6kg的氢燃料完全燃烧放出的热量是多少？

(2)、若这些热量全部被质量为500kg、温度为15℃的水吸收，水升高的温度是多少？

(3)、若这些热量恰好能供某氢能源公交车以140kW的恒定功率匀速行驶5min，则该氢能源公交车的效率是多少？

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24. 一次旅行时，司机驾驶某汽车沿一平直公路以 $80 k m / h$ 的速度匀速行驶了 $4000 m$ ，消耗汽油 $1 L$ 。已知该车匀速行驶时受到的牵引力是 $3600 N$ 且保持不变，汽油的热值为 $3.6 \times 1 0^{7} J / L$ 。

(1)、求 $1 L$ 汽油完全燃烧放出的热量是多少？

(2)、求汽车匀速行驶 $4000 m$ 的过程中牵引力做的功是多少？

(3)、则该汽油机的效率是多少？

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五、综合题

25. 目前市场上有一种热水器叫作“空调热水器”，又名“冷气热水器”，顾名思义，就是可
热水出可同时提供空调制冷和热水供应的热水器.其最大的好处是相比传统的电热水器和燃气热水器，这种热水器非常节能.其原理与普通的空调相似，如图所示.

(1)、根据图简述这种热水器的工作原理.

(2)、以下为某种品牌的三种型号“空调热水器”的测定参数(在环境温度20℃，进水温度20℃时测定)：
型号
A
B
C
额定/最高出水温度(℃)
55/60
输入功率(kW)
1.2
1.7
2.8
电源
220V/50Hz
热水产率(L/h)( △t= 35±1℃)
120
170
280
环境温度范围(℃)
-10~50
请根据上表数据计算或分析：
①根据型号A的热水产率，计算说明为什么这种“空调热水器”比传统的电热水器更节能[水的比热容c_水=4.2×10³J/(kg·℃)]；
②这种热水器有一种性能参数叫作“能效比”，其定义为：当水吸收Q的热量，电流所做的功为W时，能效比η= $\frac{Q}{W}$ 求A型热水器的能效比.

(3)、若B型与其他两种型号的能效比相同，而出水温度只要求达到45C时，它的实际热水产率会是多少？

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26. 下表列出的是某厂生产的家用燃气热水器的参数.表中“额定热负荷”指的是满负荷使用时，1h内燃料燃烧产生的热量.

产品名称	燃气快速热水器
产品型号	JSY5-C	JSR5-C	JST5-C
适用燃气	液化石油气	人工煤气	天然气
额定燃气压力	2800~ 3000Pa 280~ 300 mmH₂O	800~ 1000Pa 80~ 100 mmH₂O	2000~ 2500Pa 200~ 250 mmH₂O
额定热负荷	37 MJ/h
额定燃气耗量	0.368×10² m³/h	1.964×10² m³/h	1.04×10² m³/h
热效率	>80%
适用水压	0.04~1.0MPa(0.4~ 10 kgf/cm² )
温升25℃	51/min
温升40℃	31/min
温升55℃	21/min
燃气入口	G1/2"
冷水入口	G1/2"
热水入口	G1/2"
外形尺寸	406mm(高)×293mm(宽)×230mm(厚)
重量	6.2kg

(1)、分别计算燃烧1m³液化石油气、人工煤气和天然气所产生的热量.

(2)、根据表中数值和你已有的知识，讨论“额定燃气压力”一行中，“mmH₂O"的含义.

(3)、王保成同学说，“热水产率”一栏中，5、3、2后面的好像是数字“1”，但是在“/min”的前面又好像丢掉了什么.请你通过计算判断这个栏目中三个参数的正确数值和单位.

(4)、“热效率”一栏给的是参考值，“热水产率”栏给的是厂家对样品的实测值.分别计算温升25℃和55℃时的热效率，并解释这两种情况下热效率不同的原因.

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27. 宁夏的能源储备充足，煤炭、风能、太阳能等多种能源富集互补，是全国首个新能源综合示范区，新能源利用率超过95%，居西北第一，同时水和天然气价格也相对低廉。

(1)、小峰家常用天然气烧水。水烧沸腾时，壶盖不断向上跳动，此过程中能量转化与四冲程汽油机的冲程的能量转化相同。

(2)、在标准大气压下用天然气把一壶2kg的水从25℃加热至刚沸腾时，水吸收了多少的热量？[c_水＝4.2×10³J/（kg•℃）]

(3)、若燃烧天然气放出的热量有40%被水吸收，则烧开（2）中的那壶水至少需要燃烧多少天然气？（天然气热值为4.2×10⁷J/m³ ，设天然气完全燃烧）

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28. 在标准大气压下，小轩同学用天然气将2kg的水烧开，共消耗了0.05m³的天然气，已知天然气烧水时的效率为31.5%，水的比热容为4.2×10³J/（kg•℃），天然气的热值约为4×10⁷J/m³ ，求：

(1)、天然气完全燃烧释放出的热量。

(2)、水的初温。

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29. 一小汽车，在平直的高速路上匀速行驶2.3km，用时100s，若行驶过程中发动机牵引力一直为1000N，（q_汽=4.6×10⁷J/kg）若这段过程消耗汽油0.25kg，则

(1)、汽车发动机所做的功是多少？

(2)、汽油完全燃烧放出的热量是多少？

(3)、则发动机效率为多少？

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30. 小明家新买来一台天然气热水器。小明学习了热效率的知识后，尝试估测该热水器的热效率，他把“进水量”设置为40kg，“出水温度”设置为40℃后，开始加热。当水温达到40℃时，自动停止加热。已知当时自来水的温度是20℃，加热前天然气表的示数为129.96m³ ，停止加热后变为130.06m³ ，天然气的热值q_天然气＝4.2×10⁷J/m³ ，求：

(1)、天然气放出的热量；

(2)、水箱中水吸收的热量；

(3)、该热水器的热效率。

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31. 2023年12月13日国产大飞机C919首访香港，展示我们国家在工业制造领域上实现新突破。飞机的发动机也是一种热机，通过燃烧航空煤油，从喷口向后高速喷出气体，从而使飞机获得向前的推力。C919沿水平方向匀速飞行了400km，在水平飞行时获得的水平推力是1.5×10⁶N，共燃烧了航空煤油2500kg。（q_油＝4×10⁷J/kg）
求：

(1)、这段路程航空煤油完全燃烧所释放的热量是多少；

(2)、C919飞机在这段路程中发动机的效率是多少。

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32. 发动机的效率是汽车经济性能的重要指标。若某品牌汽车在平直公路上以72km/h的速度匀速行驶100km，汽车克服阻力做功的功率为16kW，耗油量为6kg。（汽油的热值为q＝4.0×10⁷J/kg）求：

(1)、这些汽油完全燃烧后释放的热量；

(2)、汽车所受的阻力；

(3)、该汽车发动机的效率。

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型号	A	B	C
额定/最高出水温度(℃)	55/60
输入功率(kW)	1.2	1.7	2.8
电源	220V/50Hz
热水产率(L/h)( △t= 35±1℃)	120	170	280
环境温度范围(℃)	-10~50