第十三章内能与热机.docx
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第十三章内能与热机
第十三章 内能与热机
第一节__物体的内能__
1．内能
定 义：
物体内所有分子由于无规则运动而具有的__动能__，以及__分子势能__的总和，叫做物体的内能。
内能的单位是焦耳（J）。
说 明：
物体内能的大小和物体的温度、质量和物态有关。
物体温度升高内能__增加__，温度降低，内能__减少__。
2．内能的改变
方 式：
做功和热传递。
说 明：
对物体做功，物体内能会__增加__，物体对外做功，物体内能会__减少__。
热传递的条件是物体之间存在__温度差__。
3．热量
定 义：
热传递过程中，传递的__内能__的多少叫热量，单位是焦耳（J）。
说 明：
热传递的实质是内能的转移。
注 意：
不能说物体含有或具有多少热量，因为热量是只有在热传递过程中才表现出多少的一种能量，只能说物体吸收或放出多少热量。
类型之一 理解内能的概念
[2014·桂林]关于物体的内能，下列说法中错误的是（ A ）
A．物体的内能是不能改变的
B．热传递可以改变物体的内能
C．做功可以改变物体的内能
D．内能是物体所有分子动能和分子势能的总和
【解析】物体温度降低（或升高）时，它的内部分子运动变缓慢（或剧烈），所以内能就减少（或增加），故A错误；改变物体内能的方式有做功和热传递，故B、C正确；内能是物体内部所有分子动能和分子势能的总和，一切物体都具有内能，故D正确，故选A。
【点悟】物体内能的大小和物体的温度、体积、质量和物态有关，不要把温度当作决定内能的唯一因素。
类型之二 识别改变内能的两种方式
如图13－1－1所示，在一个配有活塞的厚壁玻璃筒里放一小团硝化棉，用力把活塞迅速下压，棉花就会立即燃烧。
根据该实验现象，下列结论正确的是（ A ）
图13－1－1
A．该实验说明做功可以改变物体内能
B．活塞下压过程中，气体的内能减小
C．气体容易被压缩，是因为气体分子间距离较小
D．该实验说明热传递可以改变物体的内能
【解析】活塞下压对气体做功，气体内能增加，温度升高，使硝化棉燃烧，故A正确，B、D错误；气体容易被压缩，是因为气体分子间距离较大，分子间的作用力表现为引力，故C错误，故选A。
【点悟】 做功和热传递是改变内能的两种方式，内能是增加还是减少取决于做功和热传递的方向。
不是所有形式的做功都能改变物体内能，如克服重力做功，改变了重力势能，但不能改变内能。
1．下列关于温度、热量和内能的说法中，正确的是（ C ）
A．物体温度升高，一定吸收了热量
B．物体放出热量时，温度一定降低
C．物体温度升高，内能一定增加
D．物体内能增加时，温度一定升高
【解析】物体温度升高，不一定是吸热，也可能是对其做功。
物体放热，温度不一定降低，如晶体凝固过程。
物体内能增加，不一定温度升高，如晶体熔化吸热，温度不变，但内能增加了。
2．[2014•揭阳]关于温度、热量和内能，下列说法正确的是（ D ）
A．物体的温度越高，所含热量越多
B．温度高的物体，内能一定大
C．0℃的冰块，内能一定为零
D．温度相同的两物体间不会发生热传递
3．炮弹里火药燃烧产生的高温高压气体炸开弹壳后温度降低，是用__做功__的方法减少了气体的内能；食物放进冰箱后温度降低，是用__热传递__的方法减少了食物的内能。
1．如图13－1－2所示实验，试管口木塞冲出过程（ D ）
图13－1－2
A．试管口出现的白雾是水蒸气
B．试管口出现白雾说明水蒸气内能增加
C．水蒸气对木塞做功，水蒸气的内能增加
D．水蒸气对木塞做功，水蒸气的内能减少
2．[2014·长沙]我国北方的冬季气温很低，到处都是冰天雪地，人们有时会将冰雪融化取水。
把冰雪放在水壶里加热取水的过程中，下列说法正确的是
（ D ）
A．冰在0℃时，内能为零
B．这是通过做功的方式改变物体的内能
C．在加热过程中，壶内的温度一直在上升
D．水的温度越高，水分子运动越剧烈
3．[2014•龙岩]如图13－1－3所示，通过做功改变物体内能的是（ D ）
图13－1－3
4．[2014·贵阳]2013年上海科技活动节推出了一处节能环保、可调节室温的江水源热泵技术。
如图3－1－4所示是其夏天工作时的流程，当江水循环到冷凝器时，利用江水与冷凝器存在的温度差，通过__热传递__的方式带走室内热量，从而实现降温。
图13－1－4
5．[2014·衡阳]冬天手冷时，我们经常将两只手相互搓搓使手暖和，这是利用__做功__的方式使手的内能增加；也可以用“暖手宝”焐手，这是利用__热传递__的方式增加手的内能。
6．将肉片直接放入热油锅里爆炒，会将肉炒焦或炒糊，大大失去鲜味。
厨师预先将适量的淀粉拌入肉片中，再放到热油锅里爆炒，炒出的肉片既鲜嫩味美又营养丰富，对此现象说法不正确的是（ C ）
A．在炒肉片过程中，肉片的温度升高，内能增加
B．附着在肉片外的淀粉糊有效防止了肉片里水分的蒸发
C．在炒肉片过程中，肉片内能增加主要通过做功实现的
D．附近能闻到肉香体现了分子在不停地做无规则的运动
【解析】在炒肉片过程中，肉片内能增加主要通过热传递来实现的。
7．爆米花是将玉米放入铁锅内，边加热边翻动一段时间后，“砰”的一声变成玉米花。
下列说法正确的是（ B ）
A．玉米粒主要通过翻动铁锅对其做功，使其内能增加
B．玉米粒主要通过与铁锅间的热传递，使其内能增加
C．玉米粒内水分受热膨胀对粒壳做功爆开，内能不变
D．玉米粒内水分受热膨胀对粒壳做功爆开，内能增加
【解析】玉米粒内水分受热膨胀对粒壳做功爆开，内能减少。
8．如图13－1－5是探究改变物体内能的实验：
瓶子里装有一些水，用力打气，在瓶塞未跳起前，瓶内气体的内能将__增加__，原因是__压缩瓶内气体做功，内能增加__；继续打气，当瓶塞跳起时，观察到瓶内有白雾产生，说明瓶内气体对外做功时内能减小了。
根据此现象，某同学认为：
所有物体在对外做功时，它的内能都会减小。
他的观点正确吗？
请你从能量转化或转移的角度进行分析，并列举一实例。
图13－1－5
【答案】观点不正确。
因为物体在对外做功时，不一定是自身的内能转化为其他形式的能。
例如：
河水对水轮机做功，是河水的机械能转移到水轮机上，河水的内能并没有减小。
第二节__科学探究：
物质的比热容__
第1课时 比热容
比热容
探 究：
物质吸收热量的多少与__物质的质量__、__物质温度升高的多少__、__物质的种类__有关，探究时要运用控制变量法。
定 义：
单位质量的物质温度升高1℃所吸收的热量为该物质的比热容，符号是c。
比热容的单位是__J/（kg·℃）__。
注 意：
比热容是物质的一种特性。
物质的比热容是一定的，不随物体吸收或放出的热量多少、质量、升高或降低的温度而改变，但与物质状态有关。
应 用：
水的比热容较大，常用水来调节气温、取暖、做冷却剂、散热等。
类型之一 理解比热容
[2014•上海]关于比热容，下列说法中错误的是（ D ）
A．比热容可用来鉴别物质
B．水的比热容较大，可用作汽车发动机的冷却剂
C．沙的比热容较小，所以沙漠地区昼夜温差较大
D．一桶水的比热容比一杯水的比热容大
【解析】比热容是物质的一种特性，不同物质比热容一般不同，比热容可用来鉴别物质，故A正确；水的比热容较大，降温时放出的热量比较多，可用作汽车发动机的冷却剂，故B正确；沙的比热容较小，吸收或放出相同的热量，温度变化大，所以沙漠地区昼夜温差较大，故C正确；比热容是物质的一种特性，与质量没有关系，一桶水的比热容和一杯水的比热容相同，D错误，故选D。
类型之二 比热容的应用
[2014·内江]初春育水稻秧苗时，为了不使秧苗受冻，正确的做法是（ B ）
A．早晨多灌水，傍晚多排水
B．早晨多排水，傍晚多灌水
C．早晨和傍晚都要多灌水
D．早晨和傍晚都不要灌水
【解析】初春培育水稻秧苗时，为了不使秧苗受冻，傍晚多灌水，当夜晚温度降低时，因为水的比热容大，水放出热量，水的温度降低的比较少，不至于使秧苗受冻。
在早晨把稻田内的水排出，稻田接受太阳光的照射，泥土的比热容小，泥土吸收热量，温度升高快，有利于秧苗的生长。
故选B。
1．[2014•广州]如图13－2－1所示，两个相同规格的电加热器加热质量、初温都相同的不同液体。
若液体吸收的热量等于电加热器放出的热量，加热时间相同且液体均未沸腾，则（ A ）
图13－2－1
A．两杯液体吸收的热量相等
B．温度较高的液体比热容较大
C．温度较低的液体吸收的热量较多
D．温度较高的液体吸收的热量较多
【解析】相同规格的电加热器相同时间内放出的加热量相等，液体未沸腾，液体吸收的热量相等，与液体变化的温度没有关系，故选项A正确，选项C、D错误；根据Q吸＝cmΔt可知，在质量、吸收热量相同的条件下，变化的温度Δt越大，比热容越小，故B错误，故选A。
2．[2014•南京]下表是一些物质的比热容[J/（kg•℃）]：
水
4.2×103
铝
0.88×103
煤油、冰
2.1×103
干泥土
0.84×103
沙石
0.92×103
铜
0.39×103
根据表中数据，下列判断正确的是（ C ）
A．物质的比热容与物质的状态无关
B．100g水的比热容是50g水的比热容的两倍
C．质量相等的铝块和铜块吸收相同的热量，铜块温度变化较大
D．寒冬季节，放在室外盛有水的水缸会破裂，主要是因为水的比热容较大
3．[2014•徐州]把常温下装满水的玻璃杯与一个空玻璃杯同时放入冰箱冷藏室中．过一会儿，发现空玻璃杯比装满水的玻璃杯要冷得多，这种现象产生的主要原因是水的（ C ）
A．凝固点低 B．凝固点高
C．比热容大D．比热容小
4．以下四种现象中，与水的比热容没有关系的是（ C ）
A．汽车的发动机用循环流动的水来冷却
B．内陆地区的气温变化比沿海地区大
C．夏天往室内洒水可使室内温度降低
D．生活中往往用热水取暖
1．两个相同的烧杯装有质量和初温都相同的水和食用油，用相同的电加热器分别给它们加热相同的时间，则下列说法中正确的是（ C ）
A．水吸收的热量多B．水上升的温度较高
C．它们吸收的热量相同D．它们上升的温度相同
【解析】用相同的电加热器分别给它们加热相同的时间，水和食用油吸收的热量相同，故A错误，C正确；质量相同的水和食用油，因为水的比热容大于食用油的比热容，吸收相同的热量后，由Q吸＝cmΔt可知，水的温度升高的少，故B、D都错误。
2.小明从下表提供的信息中，得出以下几个结论，其中错误的是（ B ）
几种物质的比热容[J/（kg·℃）]
水4.2×103
干泥土0.84×103
酒精2.4×103
铜0.39×103
冰2.1×103
铝0.88×103
水银0.14×103
铅0.13×103
A.汽车发动机用水来冷却效果比较好
B．液体的比热容都比固体大
C．同种物质在不同状态下比热容值不同
D．质量相等的铜和铅，升高相同的温度，铜吸收的热量多
3．冬天，我们常用热水袋取暖，这主要是因为水具有（ D ）
A．较多的热量 B．较大的密度
C．较高的温度D．较大的比热容
4．关于比热容，下列说法中，正确的是（ D ）
A．物体的比热容跟物体吸收或放出的热量有关
B．物体的比热容跟物体的温度有关
C．物体的质量越大，它的比热容就越大
D．物体的比热容与物体吸、放热及温度和质量都没有关系
【解析】比热容是物质特性之一，是反映物质吸、放热本领的物理量，它与物质质量、温度、吸收或放出的热量无关，但与物质状态有关。
5．[2014·遵义]遵义市正在加快水利设施建设，计划建成中桥水库，实施新桥、大沙河等五座水库下闸蓄水；加快麻沟、大沙坝等15座水库的建设；实施23项中小河流治理工程，使全市的水资源得到有效的利用和保护。
修建水库蓄水不仅能使生活用水得到保障，还能起到调节气温的作用，这是由于水在蒸发时要__吸收__热量，且水的比热容较__大__的缘故。
【解析】修建水库蓄水不仅能使生活用水得到保障，还能起到调节气温的作用，这是由于水的表面积变大，蒸发变快，由于蒸发是吸热的，故水在蒸发是吸取热量；同时根据Q＝cmΔt，由于水的比热容比沙石的大，在质量相同、吸收（或放出）相同热量时，水的温度变化较小，所以修建水库蓄水不仅能使生活用水得到保障，还能起到调节气温的作用。
6．已知冰的比热容是c冰＝2.1×103J/（kg·℃），用稳定的热源给冰均匀加热，下列图像中，能正确描述冰熔化规律的是（ C ）
图13－2－2
【解析】冰是晶体，熔化时温度保持不变，所以图像中有一部分水平线段，并且整个图像处于上升趋势。
所以A、D项错误。
B、C项的区别是冰熔化前后图像倾斜程度不一样，冰熔化成水后，水的比热容比冰大，升温慢，图像的后一部分倾斜程度小，所以C项正确。
7．[2014·盐城]小明在学习“物质的比热容”时，取相同质量的水和沙子，用相同的酒精灯加热，测得它们升高的温度如下表，并在图13－2－3乙中作出沙子升高的温度随时间变化的图像。
加热时间/min
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
升高的温度/℃
水
2.0
4.3
4.0
7.9
6.0
15.2
8.0
18.4
10.0
21.5
沙子
图13－2－3
（1）用温度计测量水的初温如图甲所示，其读数为__18__℃。
（2）实验中选用相同的酒精灯加热，可以认为相同时间内水和沙子__吸收的热量__相同。
（3）请利用表中数据在图乙中作出表示水升高的温度随时间变化规律的图线。
【答案】水升高的温度随时间变化规律的图线如图：
第7题（3）答图
（4）沙子在1.0～1.5min内升高的温度有明显异常，其主要原因是__沙子受热不均匀__。
（5）小明再用50g水和100g水做实验，以吸收的热量Q为纵坐标，升高的温度Δt为横坐标，分别画出50g水和100g水的Q－Δt图像。
它们都是过原点的直线，即Q＝kΔt。
进一步分析，发现这两条直线的k值与对应水的__质量__之比相等。
第2课时 热量的计算
热量的计算
公 式：
Q＝__cmΔt__。
说 明：
c为物质比热容，m为物体的质量，Δt为温度的变化量。
注 意：
运用公式计算时，各物理量的单位要统一。
类型之一 热量的计算
[2014·邵阳]某热水器内装有100kg的水，将这些水从20℃加热到70℃，水吸收的热量为[已知c水＝4.2×103J/（kg•℃）]（ B ）
A．2.1×106J B．2.1×107J
C．8.4×106JD．8.4×107J
【解析】知道水的质量、水的比热容、水的初温和末温，利用吸热公式Q吸＝cmΔt求水吸收的热量。
Q吸＝cmΔt
＝4.2×103J/（kg•℃）×100kg×（70℃－20℃）
＝2.1×107J
故选B。
类型之二 温度变化量的计算
[2014·绥化]用两个相同的“热得快”，分别给质量、初温都相同的甲、乙两种液体同时加热，两液体的温度随时间变化关系的图像如图13－2－4所示。
根据图像可知，甲液体的比热容__小于__乙液体的比热容（填“大于”“小于”或“等于”）。
如果乙液体是水，那么质量为500g，初温为20℃的乙液体吸收1.89×105J的热量，乙液体的温度升高了__80__℃（气压为1个标准大气压）。
图13－2－4
【解析】
（1）由图像可以看出：
在相等时间内，液体甲温度变化量大，则甲液体温度升高较快；而两个加热器相同、加热时间相等时，两种液体吸收的热量相等，由公式Q吸＝cmΔt可知，在质量相等、初温相同、吸热也相同的情况下，温度升高快的液体比热容小，所以甲的比热容小，乙的比热容大
（2）根据Q吸＝cm（t－t0）得
t＝
＋t0＝
＋20℃＝110℃＞100℃，
∴乙液体的温度升高到100℃，Δt＝100℃－20℃＝80℃。
一太阳能热水器装水80kg，集热管每分钟吸收太阳能约为7×104J，不计热量损失，水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）。
则该热水器每小时能使水温升高多少摄氏度？
【答案】每小时水吸收的热量
Q＝7×104J×60min＝4.2×106J，
Δt＝
＝
＝12.5℃。
【点悟】利用Q＝cmΔt进行计算时，要注意Δt是温度的变化量，即两个温度的差值。
1．水的比热容是煤油的比热容的两倍，若水和煤油的质量之比为1∶2，吸收的热量之比为2∶3，则水和煤油升高的温度之比为（ C ）
A．3∶2 B．2∶3
C．4∶3D．3∶4
2．海滨城市气候宜人，昼夜温差小，这是由于海水的比热容比沙石的比热容__大__（填“大”或“小”）的缘故。
近几年来，某市区增加了大量绿地，绿地中的人工湖具有“吸热”功能，某人工湖的湖水质量约为2×107kg，当水温升高2℃时，则湖水吸收的热量为__1.68×1011__J。
[水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）]
3．某人锯木头每分钟锯21次，每次拉动0.4m，平均用力150N。
则每分钟这个人做功__1__260__J，这些热量可使100g的水温升高__3__℃。
1.[2014•巴中]由Q＝cm（t－t0）得c＝
，关于同一种物质的比热容，下列说法正确的是（ C ）
A．若质量增大一倍，则比热容减小一半
B．若质量增大一倍，则比热容增大一倍
C．比热容与物体质量多少、温度变化大小、吸热或放热的多少都无关
D．若吸收的热量增大一倍，比热容增大一倍
【解析】比热容是物质本身的一种特性，在状态和物质种类一定时，比热容大小与物体吸放热、温度变化大小、质量多少都没有关系，故A、B、D不正确，故选C。
2．用两个相同的电热器分别给质量相同的水和某种液体加热，每隔1min记录一次数据，如下表所示，则该液体的比热容为（ B ）
加热时间/min
0
1
2
水的温度/℃
20
26
32
液体的温度/℃
20
34
48
A.0.9×103J/（kg·℃） B．1.8×103J/（kg·℃）
C．3.6×103J/（kg·℃） D.1.2×103J/（kg·℃）
【解析】取两种液体都加热了1分钟为研究对象，用相同的电热器加热，在相同的时间内，吸收的热量是相等的，Q水＝Q液，∵Q水＝c水m（t水－t0），Q液＝c液m（t液－t0）
∴c水m（t水－t0）＝c液m（t液－t0），
即4.2×103J/（kg·℃）×m×（26℃－20℃）＝c液m×（34℃－20℃），
解得c液＝1.8×103J/（kg·℃）。
3．[2014·郴州]冬天，同学们喜欢用热水袋取暖，这是通过__热传递__的方式使手的内能增加；若热水袋中装有1kg的水，当袋内的水温从60℃降低到40℃时，其中水放出的热量是__8.4×104____J。
[已知水的比热容c水＝4.2×103J（kg•℃）]。
【解析】
（1）热水袋取暖，是利用热传递的方式增加手的内能的；
（2）Q放＝cm（t－t0）
＝4.2×103J/（kg·℃）×1kg×（60℃－40℃）
＝8.4×104J。
4．小明探究“不同物质的吸热能力”时，在两支相同的试管中分别装入质量相等、温度相同的水和煤油，用一个酒精灯同时对两支试管加热，加热一段时间后，温度计示数如图13－2－5所示。
图13－2－5
（1）指出图中使用酒精灯的错误：
__未用酒精灯外焰加热__。
（2）水和煤油比较，__水__吸热能力强。
（3）加热一段时间后，煤油的温度升高了4℃，则水的温度升高了__2__℃。
[c水＝4.2×103J/（kg·℃），c煤油＝2.1×103J/（kg·℃）]
5．一根烧红的铁钉，温度是500℃，质量是1.5g，它的温度降低到20℃，要放出多少热量？
[c铁＝0.46×103J/（kg·℃）]
【答案】Q放＝cmΔt＝0.46×103J/（kg·℃）×1.5×10－3kg×（500℃－20℃）＝331.2J。
6．泰安中科环保电力有限公司是一家焚烧生活垃圾的发电厂，它每年通过焚烧垃圾可生产出1.2亿千瓦时的电能。
假若燃烧1t生活垃圾可以放出1.176×1010J的热量，则这些热量可以在1个标准大气压下将多少千克的水由20℃加热到沸腾？
[c水＝4.2×103J/（kg·℃）]
解：
根据公式Q吸＝cmΔt，得
m＝
＝
＝3.5×104kg。
7．小光同学学习做饭的过程中，经常加热油和水，他猜想：
①油的沸点比水高；②油的比热容比水小。
（1）能够支持他的猜想①的事实是__B__。
A．同样情况下，油升温比水快
图13－2－6
B．油能把食物炸黄，而水不能
C．油能漂在水面上
D．油比水难蒸发
（2）为了验证猜想②，小光向两个同样的烧杯里分别倒入相同的水和油，并测量它们的初始温度，两温度计的示数相同，如图13－2－6所示，它们的初始温度为__20__℃。
（3）在同样条件下加热相同时间后，水的温度达到25℃，油的温度达到30℃，由此可得油的比热容为__2.1×103__J/（kg·℃）。
[水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）]
第三节__内燃机__
1．热机
定 义：
把燃料燃烧时释放的内能转变为机械能的装置，这种装置被称为热机。
2．内燃机
定 义：
燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机，叫做__内燃机__。
分 类：
汽油机和柴油机是常见的两种内燃机。
汽油机：
以汽油为燃料的内燃机，称为__汽油机__。
柴油机：
以柴油为燃料的内燃机，称为__柴油机__。
不同点：
柴油机与汽油机在结构上的主要不同是气缸顶部的火花塞换成了__喷油嘴__。
汽油机点火方式是点燃式，柴油机是压燃式。
相同点：
一个工作循环经历四个冲程，活塞往复运动两次，对外做功一次。
类型之一 了解内燃机工作过程
[2014·通辽]如图13－3－1是内燃机的某冲程工作示意图，以下取暖方式与此原理相同的是（ D ）
图13－3－1
A．烤火取暖
B．用热水袋取暖
C．向手“哈气”取暖
D．搓手取暖
【解析】根据图示可知，两个气门都关闭，活塞上行，因此该冲程为压缩冲程，将机械能转化为内能，是通过做功改变物体的内能；烤火取暖是利用热传递改变内能的；用热水袋取暖是利用热传递改变内能的；向手“呵气”取暖是利用热传递改变内能的；搓手取暖是利用做功改变内能的，故选D。
类型之二 内燃机做功的计算
某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为30cm2，一个冲程活塞在气缸中移动的距离是50mm，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为9.0×105Pa，飞轮1min转动1800周，当汽油机满负荷工作时（不计摩擦），求：
（1）做功冲程中燃气对活塞的平均压力；
（2）一个做功冲程中燃气对活塞做的功；
（3）汽油机的功率。
【答案】由
升级会员 