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第11章 內能與熱機
【知識清單】
考點1內能
1.內能及其改變
(1)定義:物體內部所有分子熱運動的　　　　與　　　　的總和,叫作物體的內能。
(2)決定因素:溫度、狀態和質量。
(3)改變方式:　　　　和　　　　。
熱傳遞 做功
實質 內能的①　　　　 機械能和內能的相互②　　　　
生活舉例 曬太陽、燒水做飯、哈氣取暖 鉆木取火、摩擦生熱、搓手取暖
補充說明 熱傳遞的條件:物體間存在③　　　　;高溫物體放出熱量,內能④　　　　,溫度⑤　　　　;低溫物體吸收熱量,內能⑥　　　　,溫度⑦　　　　,直到兩物體溫度相等為止 做功的兩種情況:一是外界對物體做功,物體內能⑧　　　　,其他形式的能轉化為⑨　　　　;二是物體對外界做功,物體內能⑩　　　　,　　　　能轉化為其他形式的能
聯系 做功和熱傳遞改變內能是等效的,不知道改變內能的具體過程,就無法判斷物體內能改變的原因
【提示】　由于分子在永不停息地做無規則運動,所以物體的內能永不為零,一切物體在任何時候都有內能。
2.熱量
(1)概念:在熱傳遞過程中,傳遞能量的多少叫熱量,用Q表示。
(2)單位:焦耳(符號:　　　　)。
(3)溫度、熱量和內能的關系:
①物體的溫度升高,內能增加,但不一定是吸收了熱量。
②熱量是一個過程量,不能離開熱傳遞,通常用“吸收”“放出”等詞描述,不能用“有”“含有”“物體的”等詞描述。物體吸收熱量,內能增加,但溫度不一定升高。如晶體熔化、液體沸騰的過程。
③內能增加,不一定是吸收了熱量。物體內能增加,溫度不一定升高。
考點2比熱容
定義:比熱容是描述物質　　　　的物理量。一定質量的某種物質,在溫度升高時吸收的　　
　　與它的　　　　和升高的　　　　乘積之比,叫作這種物質的比熱容,用符號c表示。
2.公式及單位:c=。單位:焦耳每千克攝氏度,符號是　　　　。
3.水的比熱容
(1)意義:水的比熱容是　　　　,它表示的物理意義是　　　　。
(2)應用:制冷劑、取暖、調節氣候。
(3)利用比熱容計算熱量:吸熱公式——Q吸=　　　　,放熱公式——Q放=　　　　,其中t0表示初溫,t表示變化后的溫度(即末溫)。
【提示】　比熱容與物質的種類和狀態有關,與物質的質量大小、溫度的高低、吸收或放出的熱量的多少無關。
考點3熱值
1.定義:燃料　　　　放出的熱量與燃料質量的　　　　,叫作這種燃料的熱值。
2.公式:q=。變形式:Q=mq。熱值的單位是　　　　,符號是　　　　。
3.理解:
(1)酒精的熱值是3.0×107 J/kg,表示　　　　。
(2)熱值是燃料本身的一種特性,它與燃料的　　　　有關,與燃料的質量、體積、是否完全燃燒等沒有關系。
【提示】　對于氣體燃料來說,熱值q=,熱值單位為J/m3。
考點4熱機
1.熱機
(1)定義:利用　　　　做功的機械。
(2)原理:
(3)種類:蒸汽機、內燃機、汽輪機、噴氣發動機等。
2.內燃機
(1)定義:燃料直接在汽缸內燃燒產生　　　　的熱機。
(2)分類:汽油機和柴油機。
(3)汽油機的四個工作沖程:
①　　　　沖程 進氣門②　　　　,排氣門③　　　　,活塞向④　　　　運動,汽油和空氣的混合物進入汽缸
⑤　　　　沖程 進氣門和排氣門都⑥　　　　,活塞向⑦　　　　運動,將⑧　　　　能轉化為⑨　　　　能
⑩　　　　沖程 進氣門和排氣門都　　　　,活塞向　　　　運動,將　　　　能轉化為　　　　能
　　　　沖程 進氣門　　　　,排氣門　　　　,活塞向　　　　運動,排出汽缸內的廢氣
除了做功沖程是靠燃氣推動活塞做功,其他三個沖程都是靠安裝在曲軸上的飛輪的　　　　來完成的
3.熱機效率
(1)定義:熱機用來做　　　　的那部分能量和燃料完全燃燒放出的熱量之比。
(2)公式:η=或η=。
(3)提高熱機效率的途徑:①讓燃料盡可能充分燃燒,比如,將煤粒磨成煤粉,加大送風量等;②利用廢氣的能量;③機件間保持良好的潤滑,減小摩擦。
【核心突破】
核心一　內能、溫度、熱量之間的關系
下列關于溫度、熱量和內能的說法正確的是 (　　)
A.熱量總是從高溫物體傳給低溫物體
B.物體從外界吸收了熱量,溫度一定升高
C.物體溫度越高,具有的熱量越多
D.物體的內能增加,一定是從外界吸收了熱量
1.(大小比較)小亮測得甲、乙兩杯水的溫度分別是45 ℃和75 ℃,下列判斷正確的是 (　　)
A.甲杯中水的分子運動一定比乙杯中水的分子運動劇烈
B.甲杯中水的內能一定比乙杯中水的內能小
C.乙杯中水的熱量一定比甲杯中水的熱量多
D.乙杯中水的溫度降低,水的內能一定減少
核心二　熱量的相關計算
(求熱量和效率)某家庭用的燃氣熱水器,將20 kg的水從20 ℃加熱到70 ℃,完全燃燒了0.2 kg的燃氣。已知水的比熱容為4.2×103 J/(kg·℃),燃氣的熱值為 5×107 J/m3。問:
(1)燃氣完全燃燒放出的熱量是多少
(2)水吸收的熱量是多少
(3)該熱水器燒水的效率是多少
2.(逆向求解)太陽能具有安全、清潔、方便等特點,人們越來越廣泛地使用它。已知某太陽能熱水器的水箱接收太陽能2.4×107 J,水箱內裝質量為50 kg、溫度為30 ℃的水。水的比熱容是4.2×103 J/(kg·℃)。試問:
(1)要完全燃燒多少千克的干木柴才能放出這些熱量 (干木柴的熱值q=1.2×107 J/kg)
(2)如果這些熱量的42%被水吸收,可使水的溫度升高到多少
從熱量的理解、改變物體內能的方式、內能的影響因素以及溫度、內能、熱量三者的關系解答。
內能、溫度、熱量辨析及其聯系
1.內能、溫度和熱量的區別:
(1)溫度:一切物體任何時候都有溫度。
(2)內能:能量的一種形式,可以轉化或轉移。物體的內能不會為零,通常用“具有”來修飾。
(3)熱量:用“吸收”或“放出”來表述,而不能用“具有”或“含有”表述。物體之間如果沒有溫度差,就沒有熱傳遞,就沒有內能的轉移,也就不存在“熱量”。
2.用圖理解內能、溫度和熱量的聯系:
真題精粹——福建8年真題精選及拓展
考向1內能的改變方式　(8年5考)
1.(2024·福建)“煮”的篆體寫法如圖,表示用火燒煮食物。下列實例與“煮”在改變物體內能的方式上相同的是 (　　)
A.熱水暖手 B.鉆木取火
C.搓手取暖 D.擦燃火柴
2.(2020·福建)五月五,是端午,蒸角粽,掛菖蒲,香囊身邊佩,龍舟水上浮。下列說法正確的是 (　　)
　
A　　　 　B　 　　C　　　　　D
A.蒸角粽是用熱傳遞的方式改變粽子的內能
B.掛在墻上的菖蒲只受重力
C.佩在身上的香囊只受繩子的拉力
D.龍舟依靠浮力向前運動
3.(2019·福建)下列實例中,屬于通過做功改變物體內能的是 (　　)
A.搓手會發熱
B.用冷水冷卻熱雞蛋
C.曬太陽取暖
D.給熱咖啡加冰降溫
4.(2022·福建)如圖所示,這是我國古代發明的取火器的模型圖,把木制推桿迅速推入牛角套筒時,桿前端的艾絨立刻燃燒起來,這是通過　　　　的方式,使筒內空氣內能　　　　,溫度升高,達到艾絨的著火點。
5.(2021·福建)電熨斗熨衣服是通過　　　　的方式改變內能,提高衣服和其中水的溫度。穿上熨好的衣服照鏡子時,平面鏡中的像與人大小　　　　。
考向2比熱容的理解和應用　(8年5考)
6.(2024·福建)水占人體體重的60%~70%,有助于調節體溫,原因之一是水具有較大的 (　　)
A.熱值 B.密度
C.溫度 D.比熱容
7.(2023·福建)城市中修建人工湖和濕地公園,可以調節氣溫,這主要是利用水的 (　　)
A.密度較大 B.沸點較高
C.比熱容大 D.流動性好
8.(2020·福建)用冷水冷卻汽車發動機,主要是利用水的 (　　)
A.比熱容大 B.密度大
C.凝固點低 D.沸點高
9.(2019·福建)下表列出一些物質的比熱容,根據表中數據,下列判斷正確的是 (　　)
物質 水 煤油 冰 鋁 銅
比熱容/ (J·kg-1·℃-1) 4.2 ×103 2.1 ×103 2.1 ×103 0.88 ×103 0.39 ×103
A.不同物質的比熱容一定不同
B.物質的物態發生變化,其比熱容不變
C.質量相等的鋁和銅升高相同的溫度,鋁吸收的熱量更多
D.質量相等的水和煤油吸收相同的熱量,水升高的溫度更多
10.(2018·福建) 福建沿海地區晝夜溫差較小,而內陸沙漠地區晝夜溫差較大,這主要是因為海水與砂石相比具有較大的 (　　)
A.密度 B.內能 C.比熱容 D.質量
考向3熱量的相關計算　(8年2考)
11.(2023·福建節選)如圖所示,民間有“做白粿迎新春”的傳統習俗。制作白粿時,先將浸泡過的米放在木桶中蒸熟,再放入石臼中用木棰捶打,最后搓揉成形。據此回答問題。
蒸米時,木桶中米內能的增加是通過　　　　方式實現的,完全燃燒10 kg的干木柴能釋放出　　　　J的熱量。(干木柴的熱值為1.2×107 J/kg)
12.(2018·福建)合理分類和利用垃圾可以變廢為寶,在一定條件下,1 t垃圾能榨出170 kg燃料油,若燃料油的熱值為4.0×107 J/kg,則這些燃料油完全燃燒釋放出的熱量為　　　　J,燃燒時燃料油的化學能轉化為　　　　能。
若對該考向有疑問,詳見“核心突破”核心二
考向4探究物質的吸熱能力　(8年2考)
13.(2017·福建)利用如圖甲所示的實驗裝置探究“沙子和水的溫度變化與吸熱的關系”。操作如下:
(1)在兩燒杯中分別裝入初溫相同且　　　　相等的沙子和水。
(2)用相同的酒精燈火焰加熱,并用玻璃棒不斷攪拌,每隔相同的時間記錄一次溫度,其中某時刻的溫度如圖乙所示,其示數為　　　　℃。根據實驗數據繪制成溫度與時間的關系圖像,如圖丙所示。
(3)實驗中,是通過比較　　　　來間接反映沙子和水吸收的熱量。
(4)分析圖像可知,對于質量相等的沙子和水,升溫較快的是　　　　;若使兩者升高相同的溫度,則　　　　吸收的熱量較多,由此可見,　　　　的比熱容較大。
14.(2022·福建)在探究“不同物質吸熱的情況”實驗中:
(1)用相同的酒精燈加熱質量相等的沙子和水,使它們升高相同的溫度,通過比較　　　　來判斷吸收熱量的多少。
(2)加熱10 min后,測得水的溫度如圖所示,該示數為　　　　℃。
(3)多次實驗后得到的數據如下表,分析可得:質量相等的水和沙子,升高相同的溫度,水比沙子吸收更　　　　的熱量。
升高的溫度/℃ 5 10 15 20
加熱水的時間/min 2.5 5 7.5 10
加熱沙子的時間/min 1 2 3 4
(4)根據實驗結論推理:沿海地區晝夜溫差比內陸地區更　　　　。
考向5熱機的相關計算
15.(2017·福建)一輛汽車為50 km長的新建大橋進行通車測試,如圖所示。汽車總質量為1.5 t,以100 km/h的速度勻速通過大橋,受到的阻力是所受總重的,全程消耗了4 kg的汽油。g取10 N/kg,求汽車通過大橋:
(1)所需的時間。
(2)牽引力所做的功。
(3)汽油機的效率。(q汽油=4.6×107 J/kg)
【熱點預測】
1.扁肉是福建盛行的一種小吃。扁肉餡被木棒反復敲打后溫度會升高,這是用　　　　的方式改變內能;扁肉下鍋做成熱騰騰的扁肉湯,又是用 　　　　的方式改變內能。
2.把一個薄壁金屬管固定在支座上,管中裝一些乙醚,然后用塞子塞緊。把一根皮帶纏在管子上,并迅速來回拉動皮帶(如圖)。你會看到什么現象 請你分析一下這其中所發生的物理過程。
3.汽車是現代生活中最常見的一種交通工具,圖甲、乙分別是某汽油機的某沖程及能量流向圖。下列有關說法正確的是 (　　)
A.圖甲是壓縮沖程,活塞對汽缸內的氣體做功,氣體的溫度升高
B.由圖乙可知該汽油機的效率是30%
C.汽車尾氣中的“汽油味”越濃,燃料燃燒得越不充分,這會降低燃料的熱值
D.冬天汽車利用尾氣中的余熱給車內供暖,該舉措大大提高了燃料的熱值
【考向分析】 本題考查了內燃機四沖程的辨別、內燃機效率的計算及對熱值的理解,屬于基礎題,符合新中考的內容導向。
4.“稻花香里說豐年”中描述的“稻花香”體現了物理學中的　　　　現象。水稻育苗時,采用傍晚灌水,清晨放水的做法來防止幼苗凍傷,是利用了水　　　　的特性。有經驗的農民用鹽水選種時,飽滿的種子會因為比鹽水的　　　　大而下沉。
【考向分析】 本題以語文中的詩詞為素材,貼合社會熱點“三農”主題,突出考查水比熱容大的特性在農業生產中的應用,本題考查“物理學與社會發展”大主題,符合中考趨勢。
5.小勇同學購買了一款戶外分體式燃氣爐,準備去戶外野炊。用該燃氣爐燒水時,把初溫為20 ℃的1 kg水加熱到100 ℃,燃燒了0.025 m3天然氣。則水吸收的熱量為　　　　J,假設天然氣完全燃燒,則燃氣爐燒水的效率為　　　　。[c水=4.2×103 J/(kg·℃),q天然氣=4×107 J/m3]
【考向分析】 本題與“物理學與日常生活”主題相關,符合中考趨向。
6.如圖,這是建筑工人用鉆孔機鉆孔的情景,鉆孔時鉆頭會發熱,要不斷給鉆頭澆水降溫以保護鉆頭。請用學過的熱學知識解釋鉆孔時鉆頭發熱和澆水能給鉆頭降溫的原因。
【考向分析】 符合“物理學與工程實踐”主題,用改變內能的方法來解釋生活中的真實問題,符合考向。
實驗探究——學科核心素養提升
【實驗導航】
實驗:探究物質吸熱或放熱的規律
【實驗器材】鐵架臺、酒精燈、陶土網、燒杯、試管、溫度計、秒表、水、煤油等。
【實驗裝置】如圖所示:
【實驗表格】
物質 質量/g 初始 溫度/℃ 加熱時 間/min 最終 溫度/℃
液體1
液體2
【實驗母題】
為了比較水和食用油的吸熱能力,某同學用如圖所示的器材進行了實驗,實驗數據記錄如下:
物質 質量/g 初始溫度/℃ 加熱時間/min 最后溫度/℃
水 200 20 6 45
食用油 200 20 6 70
進行實驗與制訂計劃
(1)該實驗除了圖示中的實驗器材以外,還需要的測量工具是秒表、　　　　和　　　　。
(2)實驗中通過比較　　　　來比較水和食用油的吸熱能力。
分析論證
(3)由實驗數據可知,　　　　的吸熱能力強。
(4)在此實驗中,如果要使水和食用油的最后溫度相同,就要給　　　　加熱更長的時間,此時水吸收的熱量　　　　(選填“大于”“小于”或“等于”)食用油吸收的熱量。
評估
(5)實驗中用到的研究方法除了轉換法外還有　　　　。實驗中　　　　(選填“能”或“不能”)用體積相等的兩種液體來做實驗,原因是　　　　。
(6)汽車發動機常用水作為冷卻劑,是因為和其他物質相比,水的　　　　較大;寒冷的冬天水箱要加防凍液,這是為了降低水的　　　　。
(7)已知水的比熱容為4.2×103 J/(kg·℃),則食用油的比熱容為　　　　J/(kg·℃)。
【參考答案】
知 識 講 堂
知識清單
考點1:
1.(1)動能　分子勢能　(3)熱傳遞　做功
①轉移?、谵D化?、蹨囟炔睢、軠p少?、萁档汀、拊黾印、呱摺、嘣黾印、醿饶堋、鉁p少　內
2.(2)J
考點2:
1.吸熱本領　熱量　質量　溫度
2.J/(kg·℃)
3.(1)4.2×103 J/(kg·℃)　質量為1 kg的水溫度升高(或降低)1 ℃時,吸收(或放出)的熱量是4.2×103 J　(3)cm(t-t0)　cm(t0-t)
考點3:
1.完全燃燒　比值
2.焦每千克　J/kg
3.(1)1 kg的酒精完全燃燒放出的熱量是3.0×107 J
(2)種類
考點4:
1.(1)內能
2.(1)動力　(3)①吸氣?、诖蜷_?、坳P閉　④下?、輭嚎s?、揸P閉?、呱稀、鄼C械?、醿取、庾龉Α￡P閉　下　內　機械　排氣　關閉　打開
上　慣性
3.(1)有用功
核心突破
例題1　A
變式訓練
1.D　解析:溫度越高,分子運動越劇烈,乙杯中水的溫度比甲杯中水的溫度高,所以乙杯中的水分子運動一定比甲杯中的劇烈,故A錯誤;物體的內能與物體的溫度、質量和狀態有關,兩杯中水的質量關系不知,無法判斷內能關系,故B錯誤;熱量是一個過程量,故不能比較甲、乙兩杯中水的熱量的多少,故C錯誤;乙杯中水的溫度降低,分子運動速度減慢,內能變小,故D正確。
例題2　解:(1)Q放=mq=0.2 kg×5×107 J/kg=1.0×107 J
(2)Q吸=cm'Δt=4.2×103 J/( kg·℃)×20 kg×(70 ℃-20 ℃)=4.2×106 J
(3)η=×100%=×100%=42%。
變式訓練
2.解:(1)干木柴完全燃燒放出的熱量Q放=Q收=2.4×107J,完全燃燒干木柴的質量:m干木柴===2 kg
(2)水吸收的熱量:Q吸=Q收η=2.4×107 J×42%=1.008×107 J
升高的水溫:Δt===48 ℃
則水的末溫t=48 ℃+30 ℃=78 ℃。
真 題 精 粹
1.A
2.A　解析:蒸角粽時,粽子吸收熱量,溫度升高,內能增大,是通過熱傳遞的方式改變粽子的內能,故A正確;掛在墻上的菖蒲和佩在身上的香囊都處于靜止狀態,受力平衡,都受到重力和繩子的拉力,二力平衡,故B、C錯誤;劃龍舟時,人們用力向后劃槳,給水一個向后的力,同時水給船槳一個向前的反作用力,龍舟向前運動,故D錯誤。
3.A　解析:雙手因摩擦而發熱屬于做功改變內能,A符合題意;煮熟的雞蛋,放冷水里,與冷水發生熱傳遞,B不符合題意;曬太陽時,通過熱傳遞改變人的內能,人因此會感覺熱,C不符合題意;把冰塊放熱咖啡里,喝時感覺很涼爽,熱咖啡和冰塊之間發生了熱傳遞,D不符合題意。
4.做功　增大
解析:封閉的氣體被推桿壓縮的過程中,活塞對氣體做功,使氣體內能增加,溫度升高,達到艾絨的著火點后,艾絨著火,達到取火的目的。
5.熱傳遞　相等
6.D　7.C
8.A　解析:因為水的比熱容較大,相同質量的水和其他物質比較,升高相同的溫度,水吸收的熱量多,所以用水冷卻發動機,冷卻效果好。
9.C　解析:由表中數據可知,不同物質的比熱容一般不同,但也有的物質比熱容相同,如煤油和冰,故A錯誤;水和冰是水的兩種狀態,分析表中數據可知,其比熱容是不同的,說明比熱容與物質狀態有關,物質的物態發生變化,其比熱容也會發生變化,故B錯誤;由表中數據可知,鋁的比熱容大于銅的比熱容,質量相等的鋁和銅升高相同的溫度,因鋁的比熱容大,則根據Q=cmΔt可知,鋁吸收的熱量更多,故C正確;質量相等的水和煤油吸收相同的熱量,因為水的比熱容大,所以根據Q=cmΔt可知水升高的溫度少,故D錯誤。
10.C　解析:沿海地區水多,內陸沙漠地區水少、砂石多。因為水的比熱容較大,白天,相同質量的水和砂石相比較,吸收相同的熱量,水的溫度升高得少;夜晚,放出相同的熱量,水的溫度降低得少,使得沿海地區晝夜溫差較小,而內陸沙漠地區晝夜溫差較大。
11.熱傳遞　1.2×108
12.6.8×109　內
解析:燃料油完全燃燒釋放出的熱量Q放=mq=170 kg×4.0×107 J/kg=6.8×109 J;燃料油燃燒過程中,將燃料油的化學能轉化為內能。
13.(1)質量　(2)39　(3)加熱時間　(4)沙子　水　水
解析:(1)為了研究水與沙子比熱容的大小,實驗時,要控制水與沙子的初始溫度、質量相等。(2)溫度計的分度值是1 ℃,此時的溫度是39 ℃。(3)實驗中,是通過比較加熱時間來間接反映沙子和水吸收熱量的多少。(4)分析圖丙可知,對于質量相等的沙子和水,吸收相等熱量,升溫較快的是沙子;若使兩者升高相同的溫度,水加熱時間較長,說明吸收的熱量較多;由此可見水的比熱容較大。
14.(1)加熱時間　(2)48　(3)多　(4)小
15.解:(1)由v=可得,所需的時間:
t===0.5 h
(2)汽車總質量m=1.5 t=1.5×103 kg,
汽車所受的總重力:
G=mg=1.5×103 kg×10 N/kg=1.5×104 N
汽車受到的阻力是所受總重,即f=G=×1.5×104 N=1.2×103 N,
因為勻速通過大橋,所以牽引力F=f=1.2×103 N,
牽引力所做的功:
W=Fs=1.2×103 N×5×104 m=6×107 J
(3)汽油完全燃燒放出的熱量:
Q=m'q=4 kg×4.6×107 J/kg=1.84×108 J
汽油機的效率:η=×100%=×100%≈32.6%。
熱點預測
1.做功　熱傳遞
2.會看到塞子被沖開,管口周圍飄散白霧。拉動纏在管子上的皮帶,皮帶會對管子做功,管子的溫度會升高,內能會增大;因管子與乙醚間有溫度差,所以管子會把熱量傳遞給乙醚,乙醚的內能增加,沖開塞子做功,把氣體的內能轉化為塞子的機械能。乙醚的氣體沖開塞子做功后內能減少,溫度降低,管口周圍的水蒸氣液化成小水滴飄散在空中。
3.A
4.擴散　比熱容大　密度
5.3.36×105　33.6%
6.(1)建筑及裝修工程中經常需要用鉆孔機鉆孔,鉆頭和墻相互摩擦,機械能轉化為內能,鉆頭內能增大,溫度升高,故鉆頭會發燙;
(2)水和其他物質比較,質量相同、升高相同的溫度時,由于水的比熱容大,能吸收更多的熱量,從而降低鉆頭的溫度避免鉆頭燒壞。
實 驗 探 究
實驗母題
母題　(1)天平　溫度計　(2)溫度計示數變化的大小　(3)水　(4)水　大于　(5)控制變量法　不能　沒有控制液體的質量相同　(6)比熱容　凝固點　(7)2.1×103

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