《第十四章 内能的利用》培优专练
一、选择题
1. 如图所示是小普同学跟爷爷学习气功的四个基本动作.由此他联想到热机的四个冲程,以下与做功冲程最相似的是( )
2. 如图所示是四冲程汽油机的剖面图,关于其四个冲程的描述正确的是 ( )
A.吸气冲程中,汽油和空气的混合物进入汽缸
B.压缩冲程中,通过做功的方式使汽缸内气体的内能减小
C.做功冲程中,燃料释放的能量绝大部分转化为机械能
D.排气冲程中,废气带走了燃料释放的能量的极少部分
3. 如图所示是一种设想中的永动机,它通过高处的水冲击叶片,叶片转动对外做功.同时带动抽水器从低处将水抽到高处,从而循环工作.下面关于这款永动机的分析正确的是 ( )
A.这一设想不符合能量守恒定律
B.这款永动机可以在现实中推广
C.这款永动机利用内能对外做功
D.高处水下落冲击叶片的过程中机械能守恒
4. 关于热机的效率,下列说法正确的是 ( )
A.在做功同样多的情况下,热机的效率越高消耗的燃料越多
B.一般情况下柴油机的效率比汽油机的高
C.热机的效率越高说明做功越快
D.热机损失的能量中,废气带走的能量较少,主要是由于机械摩擦损失的
5. 如图是“探究不同物质吸热升温的现象”和“比较不同燃料燃烧时放出的热量”的甲、乙两组实验装置,下列关于两组实验的说法正确的是 ( )
A.每组实验中,燃料的质量均应相等
B.每组实验中,杯中物质的质量均应相等
C.甲组实验中,可以根据温度计示数的变化来比较吸热的多少
D.乙组实验中,可以根据加热时间的长短来比较吸热的多少
二、非选择题
6. 扣动步枪扳机,射出一颗子弹,弹壳内火药燃烧将 能转化为燃气的内能,燃气推动子弹在枪膛中运动,该过程相当于内燃机的 冲程.
7. 如图所示是汽油机的 冲程.在压缩冲程中,是通过 的方式增加燃气的内能的.汽油机的转速为3 000 r/min,则1 s内汽油机对外做功 次.
8. 阅读下列短文,回答问题.
航速优化
化石燃料的广泛应用加快了人类文明的进程,但同时也污染了环境.因为大量燃烧化石燃料使大气中CO2浓度增加,引起温室效应而导致全球变暖.人们意识到环境保护的重要性,开始从各个方面着手减少碳排放.
船舶航行大多使用柴油发动机,航行时受到的阻力通常和航行速度的平方成正比.降低航速可以大大减小航行阻力,发动机对推进设备做功的功率即推进功率就会大大减小,从而减少燃油消耗.但航速不是越小越好,因为船舶航行过程中除了推进设备,还有其他辅助设备工作,需要发动机做功.航速减小后,一段航程所需的航行时间就会延长,虽然推进功减少,但辅助功增加了.(发动机要做的功包括推进功和辅助功两部分)航速优化就是要找到合适的航速,使发动机做的总功减少,达到节能减排的目的.
(1)在柴油发动机的工作循环中,排出CO2等气体的冲程是 .
A.吸气冲程 B.压缩冲程
C.做功冲程 D.排气冲程
(2)若船舶以速度v匀速直线航行,航行时受到的阻力为f=kv2(k为常量),则理想情况下,推进功率和速度的关系为P推= .
(3)某船舶航行时,每公里航程的推进功、辅助功和航速的关系如图所示,则最省油的航速约为 m/s.
(4)若题(3)中船舶的最大航速为10 m/s,柴油发动机做的功为 J.若柴油发动机的效率为40%,柴油的热值为4.3×107 J/kg,则航速从最大航速降低到最省油航速,每公里航程船舶少消耗柴油约 kg.
9. 英国物理学家斯特林于1816年发明了“斯特林发动机”.斯特林发动机气缸内工作介质易汽化、易液化,该介质通过吸热膨胀、冷却压缩的循环过程输出动力,因此又被称
为热气机.某工程师按照“斯特林发动机”的原理设计了如图甲所示的模型机,工作过程中飞轮持续旋转如图乙.请结合所学知识解释飞轮能持续转动的工作原理.
10. 小高家里原来用液化石油气烧水,每天用60 ℃的热水100 kg.她参加“探究性学习”活动后,在老师和同学的帮助下,制造了一台简易的太阳能热水器.
(1)若用这台热水器将100 kg的水从20 ℃加热到60 ℃,这些水吸收的热量是多少 [水的比热容c=4.2×103 J/(kg·℃)]
(2)若液化石油气燃烧放出的热量有70%被水吸收,她家改用太阳能热水器后平均每天可节约多少液化石油气 (液化石油气的热值q=8.0×107 J/kg)
11. 一定气压下,某种晶体熔化成同温度液体时所吸收的热量与其质量之比叫该晶体的熔化热,用字母λ表示.在标准大气压下,用一个热效率为40%的酒精炉为热源,将500 g初温为0 ℃ 的冰全部熔化为0 ℃的水,共燃烧了14 g 酒精,酒精的热值为3×107 J/kg.求:
(1)冰熔化过程中吸收的热量;
(2)在标准大气压下,冰的熔化热λ冰.
12. 当今太阳能热水器应用普遍.已知某太阳能热水器在冬季有效日照时段里,能将8 ℃、100 L水加热到38 ℃.则:[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),水的密度为1.0×103 kg/m3]
(1)热水器中水的质量是多少
(2)在此过程中,水吸收了多少热量
(3)若此期间太阳辐射到热水器的热量为4.2×107 J,则该热水器的效率是多少
13. 氢气——汽油发动机采用氢气和汽油两种燃料工作,可进行自由切换,氢气和汽油的热值分别取q氢气=1.4×108 J/kg、q汽油=4.6×107 J/kg.小华驾驶使用上述发动机的轿车沿平直公路从甲地至乙地,两地相距250 km,出发时油箱内汽油的质量为8 kg.设氢气和汽油在气缸内均完全燃烧,轿车行驶中所受阻力恒定,发动机输出的能量全部用来驱动轿车行驶,全程分两个阶段,如图所示.
阶段一:轿车使用氢燃料从甲地出发,以25 m/s的速度匀速行驶1 h到达丙地,此过程中轿车牵引力的功率为20 kW,消耗了0.8 kg氢气.
阶段二:从丙地开始,由于氢气不足,小华切换汽油为燃料,轿车仍以25 m/s的速度匀速行驶,此过程中发动机的效率为30%.
(1)求轿车行驶过程中受到的阻力.
(2)在使用氢燃料的情况下,求轿车发动机的效率.(保留两位有效数字)
(3)请通过计算说明轿车最终能否到达乙地.
参考答案
一、选择题
1.C 鼻孔吸气类似于吸气冲程,气沉丹田类似于压缩冲程,排山倒海类似于做功冲程,打完收功类似于排气冲程.故C符合题意.
2.A 汽油机在吸气冲程中,将汽油和空气的混合物吸进汽缸,故A正确;压缩冲程中,通过做功方式使汽缸内气体的内能增加,温度升高,故B错误;做功冲程中,燃料燃烧释放的能量只有一部分转化为机械能,相当一部分都在克服摩擦、废气排放等过程中散失了,故C错误;在热机的能量损失中,废气带走的能量最多,故D错误.
3.A 这款永动机不能一直工作下去,因为抽水器在工作过程中,有部分机械能会转化为内能,即机械能会逐渐减少,根据能量守恒定律,最后会停止工作;永动机违背了能量守恒定律.故A正确,B、C、D错误.
4.B 热机的效率越高,有用功与燃料完全燃烧放出的热量的比值越大,即在做功相同的情况下,消耗的燃料较少,或在消耗相同燃料的情况下,做功较多,故A错误.热机的效率是有用功与燃料完全燃烧放出的热量的比值,热机的效率越大说明有用功与总功的比值越大;功率表示做功的快慢,功率越大说明做功越快,效率和功率是两个不同的物理量,二者之间没有必然联系,故C错误.热机损失的能量中,废气带走的能量较多,故D错误.
5.B 探究不同物质吸热升温的现象时,应控制沙子和水的质量相同,采用相同的酒精灯对它们进行加热,燃料的质量不用相等,加热相同的时间,比较沙子和水温度升高的情况;比较不同燃料燃烧放出的热量时,应控制杯内物质相同,同时燃料的质量和杯中物质的质量都相等,待不同的燃料都燃尽后,比较杯内物质吸收热量后升高的温度.故A错,B正确.甲组实验通过加热时间的长短来比较吸热的多少,乙组实验根据温度计示数的变化来比较燃料放出热量的多少,C、D错.
二、非选择题
6.【答案】 化学 做功
【解析】 火药燃烧,将化学能转化为内能,燃气推动子弹做功,内能转化成子弹的机械能,该过程与内燃机的做功冲程中的能量转化相同.
7.【答案】 做功 做功 25
【解析】 由题图知,火花塞点火,活塞向下移动,这是汽油机的做功冲程;汽油机在压缩冲程中把机械能转化为内能,是通过做功的方式增大燃气的内能的;
四冲程汽油机曲轴每转2 r做功一次,汽油机的转速为3 000 r/min,则1 s内汽油机曲轴转50 r,对外做功25次.
8.【答案】 (除标注外,每空2分)(1)D (2)kv3 (3)6 (4)11.5×108(4分) 25(4分)
【解析】 (1)在柴油发动机的工作循环中,排出CO2等气体,把废气排出汽缸的是排气冲程,故选D.
(2)若船舶以一定速度匀速直线航行,牵引力和阻力是一对平衡力,由二力平衡得到牵引力F=f=kv2,推进功率P推=Fv=kv2·v=kv3.
(3)由题图可知,当航速为6 m/s时,推进功和辅助功之和最小,则最省油的航速约为6 m/s.
(4)船舶的最大航速为10 m/s,由题图可知,发动机做的功W1=W辅助1+W推进1=3.3×108 J+8×108 J=11.3×108 J,柴油燃烧放出的热量Q1===2.825×109 J,每公里航程船舶消耗柴油的质量m1==≈65.7 kg.最省油航速时,发动机做的功W2=W辅助2+W推进2=5×108 J+2×108 J=7×108 J,柴油燃烧放出的热量Q2===1.75×109 J,每公里航程消耗柴油的质量m2==≈40.7 kg,航速从最大航速降低到最省油航速,每公里航程少消耗柴油的质量Δm=m1-m2=65.7 kg-40.7 kg=25 kg.
9.【答案】 酒精灯加热将化学能转化为内能,热气缸中的工作介质吸热汽化膨胀推动活塞A向右运动做功,将内能转化为机械能;由于飞轮具有惯性,带动活塞A向左运动,活塞A将热气缸中的工作介质推入冷气缸并液化,活塞B又将介质推回热气缸.如此反复.
10.解:(1)因为c=4.2×103 J/(kg·℃),m=100 kg,Δt=t-t0=60 ℃-20 ℃=40 ℃,
所以水吸收的热量Q吸=cmΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×100 kg×40 ℃=1.68×107 J.
(2)因为Q吸=Q放×70%,
所以液化石油气燃烧放出的热量Q放===2.4×107 J,因为Q放=m气q,所以改用太阳能热水器后平均每天可节约液化石油气的质量:m气===0.3 kg.
11.解:(1)14 g酒精完全燃烧放出的热量Q放=mq=0.014 kg×3×107 J/kg=4.2×105 J,
由酒精炉热效率η=得,冰熔化成水共吸收热量Q吸=Q放η=4.2×105 J×40%=1.68×105 J;
(2)冰的熔化热λ冰===3.36×105 J/kg.
12.解:(1)太阳能热水器中水的体积:
V=100 L=100 dm3=0.1 m3.
水的质量:m=ρV=1.0×103 kg/m3×0.1 m3=100 kg.
(2)在此过程中,水吸收的热量:
Q吸=cm(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×100 kg×(38 ℃-8 ℃)=1.26×107 J.
(3)该热水器的效率:η=×100%=×100%=30%.
13.解:(1)轿车牵引力的功率为P=20 kW=2×104 W,
由P===Fv得,轿车的牵引力F===800 N,
由二力平衡条件得,轿车匀速行驶过程中受到的阻力为f=F=800 N.
(2)第一阶段轿车行驶时间t=1 h=3 600 s,
由v=得,第一阶段轿车行驶的距离为s1=vt=25 m/s×3 600 s=9×104 m=90 km;
第一阶段牵引力做的功为W有用1=Fs1=800 N×9×104 m=7.2×107 J;
氢气完全燃烧放出的热量为Q放氢=m氢气q氢气=0.8 kg×1.4×108 J/kg=1.12×108 J,
使用氢燃料的情况下,轿车发动机的效率为η1=×100%=×100%≈64%.
(3)第二阶段行驶距离为s2=s-s1=250 km-90 km=160 km=1.6×105 m;
第二阶段牵引力做的功为W有用2=Fs2=800 N×1.6×105 m=1.28×108 J;
由公式η=得,需要汽油完全燃烧提供的热量为Q放汽==≈4.27×108 J,
由Q=mq得,需要的汽油质量为m汽油==≈9.28 kg,
已知油箱中汽油的质量为8 kg,由于8 kg<9.28 kg,所以轿车不能到达乙地.
