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第 5 课 热机的效率
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课程标准 课标解读
1.知道热值的概念； 1.正确理解热值的概念，知道热值是表示燃料燃烧
特性的物理量；
2.会进行热值的简单计算；
2.通过对燃烧产生的热量的计算认识不同燃料的燃
3.了解热机效率的概念以及提高热机效率的途径； 烧特点；
4.会进行热机效率的简单计算。 3.认识热机效率对热机工作的重要性。
知识精讲
知识点01 热机效率
1．热值（q）：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫热值；热值单位是：J/kg。
燃料燃烧放出热量：Q ＝qm；（Q 是燃料放出的热量，单位是J；q是热值，单位是J/kg；m 是质量，
放 放
单位是kg。）
2.热机的效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比，叫热机的效率。热机的
效率是热机性能的一个重要指标。公式：
【重点解析一】热值概念
1.对于热值的概念，要注重理解三个关键词：“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg是指燃料
的质量，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不等于热值的数值；某种燃料是指
热值与燃料的种类有关；完全燃烧意思是燃料要完全烧尽，否则 1kg燃料燃烧过程中，化学能转变成内能
就不是该热值所确定的值。
2.热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本
领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无
关。
【重点解析二】影响热机效率的因素
在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。
注意：热机能量的损失：①燃料未完全燃烧（完全燃烧条件：充足空气，研磨成细颗粒）； ②废气
排出带走能量（废气的利用）；③克服磨擦，消耗能量（使用润滑剂，减小摩擦）。
【知识拓展一】对热值的理解
1.热值反映了燃料的燃烧特性、化学能转化成的内能的本领大小。
2.“完全燃烧”的含义是烧完、烧尽.某种燃料，只有在完全燃烧时放出的热量与质量之比才是这种燃料的热值，如果用没有完全燃烧放出的热量计算出的热值就比实际值小。
3.“热量与其质量之比”可以理解为热值是针对一定质量的燃料而言的，如果同种燃料的质量不同，
则完全燃烧时放出的热量大小不同。热值是一个理论值，只有燃料充分燃烧，放出的热量才等于利用公式
计算得出的热量。因为燃料不可能完全燃烧，所以放出的热量会比理论值稍小。但燃料的热值不会改变。
4.常用燃料的热值见下表：
【知识拓展二】对热机效率的认识
1.热机工作时，不能把燃料释放的能量全部利用。主要原因是机械散发热量造成能量损失、废气排放
也损失部分能量、发动机各部分零件相互摩擦消耗部分能量等。所以，热机利用的做有用功的热量只占燃
料燃烧放出热量小部分。
2.热机效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的热量之比。由于热损失的原因多，热
机效率一般较低。热机是人类使用的主要动力机，尽管它的效率不高，我们仍然离不开它。
3.为了合理利用能量人类一直在努力提高热机效率。提高热机效率的途径：让燃料充分燃烧；减少发
动机各部分之间的摩擦。
【对点练习1】（2021·湖北十堰市）如图所示，小明在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小团硝化
棉，用力将活塞迅速下压，棉花被点燃，此过程的能量转化方式与柴油机的______冲程相同。小明参加了
一次长跑，身体消耗的能量约为8.4×106J，这些能量相当于完全燃烧______m3的天然气，若天然气完全燃
烧放出的热量有50%被水吸收，则在标准大气压下这些热量可将______kg20℃的水烧开。（c ＝
水
4.2×103J/（kg•℃）；q ＝4×107J/m3）
天燃气【答案】压缩；0.21；12.5。
【解析】[1]小明在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小团硝化棉，用力将活塞迅速下压，棉花被点
燃，这是因为压缩筒内空气做功，使空气的内能增加；该实验中，活塞的机械能转化为筒内空气的内能，
与内燃机的压缩冲程的能量转化方式相同。
[2]由题意知，天然气完全燃烧放出的热量等于小明长跑时身体消耗的能量，由Q =qV，可知需要燃
放
烧的天然气体积为
[3]由题意知，天然气完全燃烧放出的热量有50%被水吸收，则水吸收的热量为
Q =ηQ =50%×8.4×106J=4.2×106J
吸 放
由 可得，水的质量为 。
【对点练习2】（2021·黑龙江中考真题）每到周末，小晶都去邻居孤寡老人刘奶奶家，帮助老人劈
柴、烧水、做饭等。某次烧水时，燃烧了 的木材，刚好把初温为 ，质量为 的水烧开（假设
木材能够完全燃烧）。已知当地气压为1标准大气压，木材的热值为 ，水的比热容为
。求：
（1）完全燃烧 木材能放出多少焦耳的热量？
（2） 的水被烧开吸收了多少热量？
（3）小晶烧水的效率是多少？
【答案】（1）1.2×107J；（2）6.72×105J；（3）5.6%。
【解析】（1）完全燃烧 木材能放出的热量为
Q =mq=1kg×1.2×107J/kg=1.2×107J
放（2） 的水被烧开吸收的热量为
Q =cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)×2kg×(100℃-20℃)=6.72×105J
吸
（3）小晶烧水的效率是
答：（1）完全燃烧 木材能放出1.2×107J的热量；（2） 的水被烧开吸收了6.72×105J热量；
（3）小晶烧水的效率是5.6%。
分层提分
题组A 基础过关练
1．某同学家使用燃气热水器，平均每天需将 100kg 的水从 18℃加热到 58℃，若天然气完全燃烧放
出热量的 70%被水吸收，则热水器平均每天消耗天然气________m³. [c 水=4.2×103J/（kg·℃），q
天然气
=4.0×107J/m³]。
【答案】0.6。
【解析】根据 Q=cmΔt 可以算出水吸收的热量：
Q =c mΔt =4.2×103J/（kg·℃）×100kg×（58℃－18℃）=1.68×107J；
吸 水
根据 ×100%可知，则天然气完全燃烧放出的热量Q = 2.4 × 107；
放
则根据 Q=Vq 可知，
故答案为 0.6m³。
2．完全燃烧20g热值为2.1×107J/kg的某种燃料，放出的热量可以使质量10kg，温度25℃的水，温
度升高 ℃。四冲程汽油机，把机械能转化成内能的是 冲程。[水的比热容 c ＝
水
4.2×103J/（kg•℃）]
【答案】10；压缩。
【解析】（1）燃料的质量m＝20g＝0.02kg，则该燃料完全燃烧放出的热量：
Q ＝mq＝0.02kg×2.1×107J/kg＝4.2×105J，
放
由题知，Q ＝Q ＝4.2×105J，
吸 放
由Q ＝cm△t得水升高的温度：△t＝ ＝ ＝10℃；
吸（2）四冲程汽油机的压缩冲程中，活塞压缩汽油和空气的混合物，使其内能增加、温度升高，该过
程中机械能转化为内能。
故答案为：10；压缩。
3.汽车汽油机是由四个冲程的不断循环来保证连续工作的，其中由机械能转化为内能的是 冲程。
已知汽油的热值为4.6×107J/kg，2kg汽油完全燃烧时释放的热量为 J。已知汽车防冻液的比热容为
4.2×103J/（kg•℃）。某汽车中的防冻液从90℃冷却到20℃的过程中，放出的热量为2.94×106J，则该
汽车中防冻液的质量为 kg。
【答案】压缩；9.2×107；10。
【解析】（1）在汽油机的压缩冲程中，活塞压缩汽油和空气的混合物做功，使其内能增大、温度升
高，机械能转化为内能；
（2）完全燃烧2kg汽油放出的热量：
Q ＝mq＝2kg×4.6×107J/kg＝9.2×107J；
放
（3）由Q ＝cm△t可得，汽车防冻液的质量：
放
m＝ ＝ ＝10kg。
故答案为：压缩；9.2×107；10。
4.王磊家最近开通了天然气，细心的他发现同样条件下烧开同一壶水比过去用液化气所用时间短了，
这主要是由于两种燃料的______不同；若现将1.5kg初温为20℃的水烧开（标准大气压下），需要吸收的
热量为______。
【答案】热值；5.04×105J。
【解析】（1）烧开一壶水比过去他们家用液化气所用的时间少了，是因为天然气的热值高；
（2）水吸收的热量：
Q =cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×1.5kg×（100℃-20℃）=5.04×105J。
吸
故答案为：热值；5.04×105J。
5.若可燃冰的热值为4.2×107J/m3，完全燃烧1m3的可燃冰可放出的热量是 J，这些热量有60%被水
吸收，可把 kg的水从20℃加热到80℃。[水的比热容c ＝4.2×103J/（kg•℃）]
水
【答案】4.2×l07；100。
【解析】1m3天然气完全燃烧产生热量：
Q ＝Vq＝1m3×4.2×107J/m3＝4.2×107J；
放
由题知，水吸收的热量：Q ＝60%×Q ＝60%×4.2×107J＝2.52×107J；
吸 放
由Q ＝cm（t﹣t）可得加热水的质量：
吸 0m＝ ＝ ＝100kg。
故答案为：4.2×l07；100。
6.一台汽油机飞轮的转速为3600r/min，在1s内汽油机对外做了 次功。如果汽油机在一段时
间内消耗了0.5kg汽油，若这些汽油完全燃烧，可放出热量 J．汽油机用水作冷却液，是利用水的
大的特点。（q ＝4.6×107J/kg）
汽油
【答案】30；2.3×107；比热容。
【解析】汽油机飞轮转速是3600r/min＝60r/s，每秒钟飞轮转动60圈，完成30个工作循环，对外做
功30次；
0.5kg汽油完全燃烧放出的热量：
Q ＝mq＝0.5kg×4.6×107J/kg＝2.3×107J；
放
因为水的比热容较大，所以常用来作为冷却液使用。
故答案为：30；2.3×107；比热容。
7.一个标准大气压下，将质量1.0kg的水从20℃加热到沸腾，水吸收的热量是________J。小明家天
然气热水器的热效率是84%，他某次洗澡，耗水40kg，自来水进热水器的温度是24℃，出热水器的温度是
40℃，小明这次洗澡消耗天然气________m3。已知水的比热容是4.2×103J/（kg℃），天然气的热值是
3.2×107J/m3。
【答案】3.36×105；0.1。
【解析】（1）水吸收的热量：
Q =cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×1.0kg×（100℃-20℃）=3.36×105J；
吸
（2）他某次洗澡时水吸收的热量：
Q ′=cm′△t′=4.2×103J/（kg•℃）×40kg×（40℃-24℃）=2.688×106J；
吸
由η= 可得，天然气放出的热量： ；
由Q =Vq可得，消耗天然气体积： 。
放
故答案为：3.36×105；0.1。
8.据央视网：“从12月1日零时起，国内汽油价格每吨降低540元，降价后，92号汽油每升下降0.43
元。”据此估测汽油的密度约为 kg/m3，完全燃烧3kg汽油所放出的热量为 J（q ＝
汽油
4.6×107J/kg）。
【答案】0.8×103；1.38×108。
【解析】（1）汽油每吨降低540元，每升将下降0.43元，则降价540元汽油的体积即1t汽油的体积：
V＝ ×1L＝ L＝ m3，
所以，汽油的密度：ρ＝ ＝ ≈0.8×103kg/m3；
（2）完全燃烧3kg汽油所放出的热量：
Q ＝m′q ＝3kg×4.6×107J/kg＝1.38×108J。
放 汽油
故答案为：0.8×103；1.38×108。
9.2020年5月13日，备受大家关注的“悬崖村”的村民们逐渐搬进位于凉山州昭觉县城的易地扶贫
搬迁安置点，实现了“拎包入住”。易地扶贫搬迁安置户小强同学家里有一个容积为5L的水壶，水壶里装
有 3.5kg 初温为 50℃的水，他用家里的液化气炉具把水加热到 70℃使用。（已知液化气的热值 q＝
4.9×107J/m3）求：
（1）烧水过程水吸收了多少热量？
（2）若实际使用了0.02m3的液化气，则该液化气炉具的效率是多少？
【解析】（1）水吸收的热量：
Q ＝cm△t＝4.2×103J/（kg•℃）×3.5kg×（70℃﹣50℃）＝2.94×105J；
吸
（2）0.02m3的液化气完全燃烧放出的热量：
Q ＝Vq＝0.02m3×4.9×107J/m3＝9.8×105J，
放
该液化气炉具的效率：η＝ ＝ ×100%＝30%。
答：（1）烧水过程水吸收的热量为2.94×105J；（2）液化气炉具的效率是30%。
题组B 能力提升练
1.下列关于热值和热机效率 的说法，正确的是（ ）。
A. 使燃料燃烧更充分，可以增大热值；
B. 使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率；
C. 柴油机的热机效率通常为100%；
D. 燃料燃烧释放的热量越大，热值越大
【答案】B。
【解析】A．热值是燃料的特性，与燃烧情况无关，故A错误；
B．使燃料燃烧更充分，可以增大有效利用的能量，提高热机的效率，故B正确；
C．任何机器的做功时都不可避免的做额外功，效率不可能达到100%，故C错误；D．热值是燃料的特性，与放出热量的多少无关，故D错误。故选B。
2.质量为10kg的水温度升高22℃，需要吸收的热量为_____J，若不考虑热量散失，这些热量需要完
全燃烧_____g的天然气来提供，天然气是_____ （选填“可再生”或“不可再生”）能源。[c
水
=4.2×103J/（kg･℃），q =4.4×107J/kg]
天然气
【答案】(1)9.24×105；(2)21；(3)不可再生。
【解析】质量为10kg的水温度升高22℃，需要吸收的热量为
Q =c m Δt=4.2×103J/（kg･℃）×10kg×22℃=9.24×105 J
吸 水 水
若不考虑热量散失，这些热量需要完全燃烧天然气的质量为
m= = =0.021kg=21g
天然气属于化石能源，在短时间内不能得到补充，是不可再生能源。
3.某燃气热水器将20kg的水从10℃加热到60℃，完全燃烧了0.21m3的煤气。水吸收的热量是
J。热水器烧水的效率是 。[已知水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），煤气的热值为4×107J/m3]
【答案】4.2×106；50%。
【解析】（1）水吸收的热量：
Q ＝cm（t﹣t）＝4.2×103J/（kg•℃）×20kg×（60℃﹣10℃）＝4.2×106J；
吸 0
（2）这些煤气完全燃烧放出的热量：
Q ＝qV＝4×107J/m3×0.21m3＝8.4×106J，
放
热水器烧水的效率：η＝ ＝ ×100%＝50%。
故答案为：4.2×106；50%。
4.用煤气灶把2kg、初温为20℃的水加热到70℃，消耗了20g煤气。已知水的比热容是
4.2×103J/（kg·℃），煤气的热值为4.0×107J/kg，则水吸收的热量为______J，煤气灶烧水的效率为
______。
【答案】（1）4.2×105 ；（2）52.5%。
【解析】水吸收的热量：
Q =cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)×2kg×(70℃-20℃)=4.2×105J
吸
20g煤气完全燃烧放出的热量：
Q =mq=20×10-3kg×4.0×107J/kg=8×105J
放燃气灶烧水的效率：η= =52.5%。
5.青海油田涩北天然气田连续10年保持稳产，为西宁人民的生产、生活用气提供了有力保障。已知天
然气的热值是7×108J/m3，若小明家完全燃烧0.01m3的天然气，放出的热量为 J；做饭时会闻到饭
香，从物理学角度来看，属于 现象。
【答案】7×106；扩散。
【解析】（1）完全燃烧0.01m3天然气，放出的热量：
Q ＝Vq＝0.01m3×7×108J/m3＝7×106J；
放
（2）做饭时会闻到饭香，说明了分子在不停地做无规则运动，是扩散现象。
故答案为：7×106；扩散。
6.如图所示，将活塞迅速下压，玻璃筒底的棉花被点燃。此过程，是通过 的方式增加了筒内
空气的内能，能量转化方式与汽油机的 冲程相同。某汽油机在一次工作中消耗了2kg汽油，对外做
功为2.3×107J，则汽油机的效率是 （汽油热值为4.6×107J/kg）。
【答案】做功；压缩；25%。
【解析】（1）在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小撮干燥的棉絮，用力将活塞迅速向下压，棉絮
燃烧起来；说明将活塞迅速下压，活塞对桶内空气做功，使筒内空气的内能增加，温度升高；压缩过程中，
活塞的机械能转化为空气的内能，故该过程中，与内燃机的压缩冲程相同；
（2）汽油完全燃烧放出的热量：Q ＝mq＝2kg×4.6×107J/kg＝9.2×107J；
放
汽油机的效率η＝ ×100%＝ ×100%＝25%。
故答案为：做功；压缩；25%。
7.若一辆小汽车一年行驶一万公里，消耗1t汽油，这次汽油完全燃烧放出________J的热量；某次行
驶过程中，该汽车汽油机曲轴的转速为3600r/min，在1s内汽油机对外做功________次(q =4.6×107J/
汽
kg)。
【答案】（1） ；（2）30。
【解析】这次消耗的汽油为 ，根据公式 可算出汽油完全燃烧放出的热量为：故汽油完全燃烧放出的热量为 。
该汽车汽油机曲轴的转速为 ，内燃机做一次功，曲轴转动两次，某次行驶过程中，
该汽车汽油机曲轴1s内转动60次，则该汽车1s内油机对外做功30次。
8.小华家使用的是天然气热水器，他尝试估测该热水器的效率，以核对铭牌上的数值是否准确。当只
有该热水器使用天然气时。把50kg的水从20℃加热到54℃，天然气表的示数由1365.05m3变为
1365.17m3，已知水的比热容c=4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值q=7.0×107J/m3。求：
(1)水吸收的热量；
(2)消耗的天然气完全燃烧故出的热量；
(3)该热水器的效率。
【答案】(1)7.14×106J；(2)8.4×106J；(3)85%。
【解析】(1)水吸收的热量：
(2)消耗的天然气体积：V=1365.17m3-1365.05m3=0.12m3
消耗的天然气完全燃烧放出的热量：
(3)该热水器的效率： 。
答：(1)水吸收 的热量是7.14×106J；(2)消耗的天然气完全燃烧故出的热量是8.4×106J；(3)该热水
器的效率是85%。
题组C 培优拔尖练
1．（2021·黑龙江大庆市）关于热现象，下列说法中正确的是（ ）。
A．热传递的实质是能量从内能大的物体向内能小的物体转移的过程；
B．以目前的科技水平，热机的效率无法达到100%；
C．初冬季节，在家里洗澡时发现房间里充满“白气”，这些“白气”是水蒸气；
D．晶体和非晶体在熔化过程中随着持续吸收热量，温度会不断升高
【答案】B。
【解析】A．热传递的实质是能量从高温物体传向低温物体，或从一个物体的高温部分传向低温部分
的过程，故A错误；B．热机把内能转化为机械能时，能量的耗散是不可以避免的，所以热机的效率不可以达到100%，故B
正确；
C．这些“白气”是水蒸气液化成的小水滴，故C错误；
D．晶体熔化持续吸热，温度不变，故D错误。故选B。
2．（2021·湖南郴州市）小明用酒精灯将质量为100g、初温为20℃的水加热到90℃（未沸腾），共
燃烧了7g酒精[c =4.2 103J/（kg℃，酒精的热值为q=3 107J/kg]。则（ ）。
水
A．水吸收的热量是2.94×107J，效率为14%；
B．水吸收的热量是2.94×104J，效率为14%；
C．水吸收的热量是2.94×107J，效率为1.4%；
D．水吸收的热量是2.94×104J，效率为1.4%
【答案】B。
【解析】A C．水吸收的热量是
故A错误；C错误；
B D．燃料完全燃烧释放的热量为
效率为
故B正确；D错误。故选B。
3．（2021·四川成都市）小帆在老师指导下，用如图所示的同一个实验装置分别加热100g的甲、乙
两种液体（其中一种是水），用测得的数据绘制了温度随时间变化图像如图，乙从20℃加热至沸腾刚好消
耗了4g酒精（ ）。若单位时间内甲吸收的热量与乙吸收的热量相等，
，则下列说法中正确的是（ ）。A． ；
B．乙的吸热能力大于甲的吸热能力；
C．0~8min乙吸收的热量为 ；
D．该酒精灯的加热效率为28%
【答案】C。
【解析】ABC．由图乙知，甲从20℃加热至沸腾用时8min，乙从20℃加热至沸腾用时10min。 升高相
同温度，甲所需时间长，需要吸收的热量多，那么甲的吸热能力更强，则甲是水，甲从20℃升温至
100℃，需要吸收的热量
Q
吸
=c
水
m(t-t
0
)=4.2×103J/(kg⋅℃)×0.1kg×(100℃-20℃)=3.36×104J
即酒精灯在8min内放出的热量为3.36×104J，那么乙在8min内吸收的热量为3.36×104J。乙从20℃
升温至100℃，所需时间为4min，吸收的热量
那么乙的比热容
故AB错误，C正确；
D．乙从20℃加热至沸腾，所需时间为10min，吸收的热量
消耗的酒精放出的热量Q =m q =0.004g×3×107J/kg=1.2×105J
放 酒精 酒精
那么酒精灯的加热效率
故D错误。故选C。4．（2021·贵州中考真题）一辆汽车在平直公路上，以54km/h的速度匀速行驶23km，完全燃烧了
3kg汽油；若该汽车发动机的效率为25%，则牵引力为______N，牵引力做功的功率是______W。（q
汽油
=4.6×107J/kg）
【答案】1500； 。
【解析】[1]汽车发动机的效率为
发动机的牵引力为
[2]汽车的速度v=54km/h=15m/s
牵引力做功的功率是 。
5．（2021·湖北荆州市）使用清洁能源天然气有助于国家提出的2060年前实现碳中和的目标。小明
同学用他家的天然气灶将质量为2kg，初温为15℃的水加热到95℃，水吸收的热量是_______J：若此过程
的热效率为40%，则此过程消耗天然气_______m3。（水的比热容为4．2 103J/（kg·℃），天然气热值为
4.2 107/m3）
【答案】 ； 。
【解析】[1] 水吸收的热量是
故水吸收的热量是 。
[2] 若此过程的热效率为40%，则天然气的释放的热量为
则天然气的体积为
则天然气的体积为 。
