初中物理第3节 热机的效率练习题

这是一份初中物理第3节 热机的效率练习题，共11页。试卷主要包含了计算题等内容，欢迎下载使用。
一、计算题
1．小明家新买来一台容积为80L的天然气热水器。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50L，“出水温度”设置为40℃后开始加热。当水温达到40°C时，自动停止加热。已知当时自来水的温度是20℃，加热前天然气的剩余量为130.11m3，停止加热后天然气的剩余量为130.00m3，天然气的热值q天然气=4.2×107J/m3，水的比热容c水=4.2×103J/kg⋅℃，水的密度ρ水=1×103kg/m3，1L=10−3m3，求：
（1）水箱中水的质量；
（2）水箱中水吸收的热量；
（3）该热水器的热效率。（结果保留一位小数）
2．某中学锅炉房每天将3吨水从20℃加热到100℃，[水的比热容为4.2×103J/kg⋅℃]，求：
（1）水吸收的热量?
（2）若锅炉效率为75%，则燃料需放出多少热量?
（3）若这些热量由热值为8.4×107J/m3的天然气完全燃烧获得，每天需天然气的体积多少?
3．某家庭需要将50kg 、20℃的水加热到 60℃作为生活用热水，他们利用煤气灶烧水，需燃烧0.8kg的煤气。已知C水＝4.2×103J/（kg•℃) ， q煤气＝4.2×107J/kg.求：
（1）水吸收的热量 Q 吸：
（2）完全燃烧0.8kg煤气放出的热量Q放：
（3）煤气灶烧水的效率η（保留一位小数）
4．某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为S，一个冲程中活塞在气缸中移动的距离是L．满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为P，t时间内曲轴转动N圈、消耗汽油的体积为V．已知汽油的密度为ρ，汽油的热值为q，不考虑大气压对计算的影响，不计摩擦损失．求满负荷工作时：
（1）这种汽油机做功冲程中燃气对活塞的平均压力．
（2）这种汽油机做功的功率．
（3）这种汽油机把内能转化为机械能的效率．
5．一壶中装有质量为2.5kg的水，在液化石油气炉上从20℃加热到100℃，在这过程中，共燃烧了液化石油气50g(壶吸收的热量忽略不计)，求：
（1）水共吸收了多少热量？（水的比热容4.2×103J/(kg℃)）
（2）这些液化石油气完全燃烧共放出多少热量？
（3）炉子的效率？(液化石油气的热值是4.0×107J/kg)
6．某汽车在一段平直的公路上匀速行驶，汽车以50km/h的速度匀速直线行驶了0.6h。汽车所受的阻力与速度的图象如图所示。且行驶过程中消耗了12.5×10-3m3燃油（假设燃油完全燃烧）。若燃油的密度ρ=0.8×103kg/m3，热值q=4×107J/kg，求：
（1）汽车牵引力所做的功；
（2）燃油放出的总热量Q是多少？
（3）汽车的热机效率。
7．中国首次火星探索任务“天问一号”探测器的成功发射，是我国综合国力和创新能力提升的重要标志，如图所示是某火箭发射时的场景，目前运载火箭一般使用液体氢作为燃料，液态氧作为助燃剂，液态氢的热值为1.4×108J/kg。
（1）某火箭发射时携带6×104kg液态氢燃料，这些燃料完全燃烧放出的热量是多少J？
（2）若这些热量只有20%被水吸收，则质量为5×106kg、初温为30℃的水能升温到多少℃？[c水=4.2×103J/（kg·℃），当地大气压为1标准大气压]
（3）氢作为一种清洁能源，在汽车中也有应用，例如氢能源车。工作时，发动机将液态氢转化为氢气在汽缸中燃烧，某次测试中，该车只利用了第一问燃料放出热量的万分之一，就能以70kW的功率匀速行驶了2h。求该发动机的效率。
8．已知煤气的热值为3.6×107J/m3，0.28m3的煤气完全燃烧放出的热量是多少？若这些热量的50%被温度为20℃，质量为30kg的水吸收，则水温升高多少？[C水=4.2×103J/（kg•℃）]．
9．某款无人驾驶汽车在平直的公路上匀速行驶一段距离后，消耗汽油0.5kg 。汽油机的效率为30% ，汽油的热值为q＝4.5×107J/kg 。求：
（1）汽油完全燃烧放出的热量是多少？
（2）该汽车消耗0.5kg汽油所做的有用功是多少 J？
（3）假设该汽车在这次行驶过程中，发动机排出的废气带走的能量占汽油完全燃烧放出的热量的42%，这些废气的能量全部被质量25kg温度为20℃的水吸收，水温升高到多少摄氏度？[c水＝4.2×103J/（kg•℃) ，一标准大气压下]
10．如图甲所示，1标准大气压下，普通煤炉把壶内20℃，5kg水烧开需完全燃烧一定质量的煤，此过程中，烧水效率为25%，为提高煤炉效率，浙江大学创意小组设计了双加热煤炉，如图乙所示，在消耗等量煤烧开壶内初温相同，等量水的过程中，还可额外把炉壁间10kg水从20℃加热至40℃，q煤＝3×107J/kg，c水＝4.2×103J/（kg•℃），以上过程中，
问：
（1）普通煤炉完全燃烧煤的质量有多大
（2）双加热煤炉的烧水效率有多大？
11．小天收集了一些数据填在下表中，如果该车满载货物后在平直的公路上匀速行驶100km，货车受到的阻力是车重的0.1倍，那么在此过程中：（g取10N/kg）
（1）该货车牵引力是多少？牵引力所做的功是多少？
（2）燃油完全燃烧放出的热量是多少？
（3）该货车发动机的效率是多少？
12．如图所示是现在一些城市的道路两边安装的一种“风光互补路灯”，它头顶小风扇，肩扛太阳能电池板，风扇在风中不停的转动，俨然一道亮丽的风景。它不需要挖路面埋管铺设输电线路，无风有光时，通过太阳能电池板发电，有风无光时通过风力发电机发电，二者皆备时同时发电，并可日夜为蓄电池充电。以一杆传统的路灯和该新颖路灯对比，“风光互补路灯”1年大约可以节省电能3.6×109J，减少碳粉尘排放300kg。请回答下列问题：
（1）若煤炭的热值为3×107J/kg，一盏这样的路灯每年可节约煤炭多少千克？
（2）若每年节约的能量有14%被水吸收，可将多少千克的水由20℃加热到沸腾？（水的比热容为4.2×103J/（kg•℃）、大气压强为标准大气压）
13．福建新龙马汽车有限公司是一家大型的专用汽车生产基地。该厂某型号专用车在车型测试中，在一段平直的公路上匀速行驶5km，受到的平均阻力是 3.0×103N ，消耗燃油 1.5kg( 假设燃油完全燃烧 ). 若燃油的热值 q=3.3×107J/kg ，求：
（1）专用车牵引力所做的功；
（2）燃油放出的热量；
（3）该专用车的热机效率。
14．如图是我国西部某地区风力发电的外景，该地区空气密度为1.3kg/m3，一台风车的轮叶转动时，可以形成面积为100m3的圆面。下表给出了在不同风速下一台风车获得的能量。
（1）若某时间内风速为10m/s，一台风车工作1h所产生的电能供10只“220V100W”的灯泡正常工作8h，求这台风车发电的效率；
（2）若此地年平均风速为15m/s，100台这样的风车一年（工作时间按4000h计算）获得的风能相当于完全燃烧多少千克煤（煤的热值为3×107J/kg）；
（3）若风速为10m/s，则1min内有多少千克的空气流冲击风车轮叶转动形成的圆面？
答案解析部分
1．【答案】解：（1）把“进水量”设置为50L，则水箱中水的体积V=50L=50dm3=50×10−3m3
由ρ=mV得水箱中水的质量
m=ρV=1×103kg/m3×50×10−3m3=50kg
（2）由题意可得，水吸收的热量
Q吸=c水mΔt=4.2×103J/kg⋅℃×50kg×40℃−20℃=4.2×106J
（3）使用天然气的体积
V气=130.11m3−130.00m3=0.11m3
天然气完全燃烧释放的热量
Q放=q天然气V气=4.2×107J/m3×0.11m3=4.62×106J
该热水器的热效率
η=Q吸Q放=4.2×106J4.62×106J=90.9%
答：（1）水箱中水的质量50kg；
（2）水箱中水吸收的热量4.2×106J；
（3）该热水器的热效率90.9%。
【解析】【分析】(1)知道水的体积，利用ρ=mV计算水的质量；
(2)利用Q吸=cm∆t求水吸收的热量；
(3)根据燃气表前后读数差求出使用天然气的体积，利用Q放=qV求天然气完全燃烧释放的热量；该热水器的热效率等于水吸收的热量与天然气完全燃烧释放的热量之比。
2．【答案】（1）解：水的质量m=3t=3000kg，
水吸收的热量
Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×3000kg×(100℃-20℃)=1.008×109J
（2）解：燃料完全燃烧放出的热量
Q放=Q吸η=1.008×109J75%=1.344×109J
（3）需要天然气的体积
V天然气=Q放q天然气=1.344×109J8.4×107J/m3=16m3
【解析】【分析】（1）根据Q=cmt，计算水吸收热量的多少；
（2）根据Q=Q吸η，计算燃料放出的热量；
（3）根据V=Qq，计算消耗燃料的体积。
（1）水的质量
m=3t=3000kg
水吸收的热量
Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×3000kg×(100℃-20℃)=1.008×109J
（2）燃料完全燃烧放出的热量
Q放=Q吸η=1.008×109J75%=1.344×109J
（3）需要天然气的体积
V天然气=Q放q天然气=1.344×109J8.4×107J/m3=16m3
3．【答案】（1）解： 水吸收的热量：Q吸=C水m水（t﹣t0）=4.2×103J/（kg•℃) ×50kg×（60℃﹣20℃)= 8.4×106J；
答：水需要吸收 8.4×106J 热量；
（2）解：0.8kg煤气完全燃烧放出的热量：Q放＝mq ＝0.8kg×4.2×107J/kg ＝3.36×107J；
答：完全燃烧 0.8kg 煤气放出 3.36×107J 热量；
（3）解： 燃气灶烧水的效率：η=Q吸Q放×100%=8.4×106J3.36×107J×100%=25%。
答：煤气灶烧水的效率是 25%。
【解析】【分析】（1）根据Q=cm∆t，计算物体吸收的热量；
（2）根据Q=mq，计算燃料燃烧放出的热量；
（3）根据η=Q吸Q放，计算热效率。
4．【答案】解：（1）由p=FS得：
燃气对活塞的平均压力：
F=PS；
（2）t时间内曲轴转动N圈，所以做功的次数为n=N2，
t时间内做的总功：
W总=N2×F×L=N2×PS×L；
汽油机做功的功率：
P=Wt=NPSL2t=NPSL2t；
（3）汽油燃烧放出的热量：
Q=mq=ρVq，
汽油机把内能转化为机械能的效率：
η=×100%=NPSL2ρVq×100%=NPSL2ρVq×100%．
答：（1）燃气对活塞的平均压力N2×PS×L；
（2）汽油机做功的功率NPSL2t；
（3）汽油机把内能转化为机械能的效率NPSL2ρVq×100%．
【解析】【分析】（1）根据p=FS求出平均压力；
（2）曲轴每转2圈对外做功一次，求出时间t内做功的次数，根据W=FL求出一次做的功，根据P=Wt求出功率；
（3）根据Q=mq=ρVq求出汽油燃烧放出的热量，再根据η=求出热机效率．
5．【答案】（1）解：水吸收的热量Q吸=c水m水(t2-t1)=4.2×103J/(kg•℃)×2.5kg×(100℃-20℃)=8.4×105J
答：水需要吸收的热量为8.4×105J；
（2）解：液化石油气完全燃烧共放出的热量Q放=m气q=0.05kg×4.0×107J/kg=2.0×106J
答：液化石油气完全燃烧放出的热量为2.0×106J；
（3）解：炉子的效率 η=Q吸Q放×100%=8.4×105J2.0×106J×100%=42%
答：炉子的效率为42%。
【解析】【分析】（1）根据公式Q吸=c水m水(t2-t1)，可求出水吸收的热量；
（2）根据公式Q=mq，可求出放出的热量；
（3）根据公式η=Q吸Q放，可求出效率。
6．【答案】解：（1）由图可知以50km/h的速度匀速直线行驶时，阻力为4000N，汽车牵引力也为4000N，所做的功为：
W=Fs=4000N×50×13.6m/s×0.6×3600s=1.2×108J
（2）燃油放出的总热量Q为：
Q=mq=ρVq=0.8×103kg/m3×12.5×10−3m3×4×107J/kg=4×108J
（3）汽车的热机效率为：
η=WQ×100%=1.2×108J4×108J×100%=30%
答：（1）汽车牵引力所做的功为1.2×108J；
（2）燃油放出的总热量为4×108J；
（3）汽车的热机效率为30%。
【解析】【分析】 （1）已知车速，由图可知汽车此时所受的阻力，由二力平衡的条件可得汽车的牵引力，再利用s=vt求出汽车行驶的路程，最后根据W=Fs可求出汽车牵引力做的功；
（2）已知消耗燃油的体积，利用m=ρV可求出燃油的质量，再利用Q放=qm可求出燃油完全燃烧放出的热量；
（3）根据η=WQ×100%求出汽车的热机效率。
7．【答案】（1）解：（1）某火箭发射时携带6×104kg液态氢燃料，这些燃料完全燃烧放出的热量是
Q放=mq=6×104kg×1.4×108J/kg=8.4×1012J
（2）解：
（2）若第一问放出的热量只有20%被水吸收，水吸收的热量为
Q放=20%Q放=20%×8.4×1012J=1.68×1012J
由得，这些热量能使质量为5×106kg、初温为30℃的水温度升高温度为
Δt=Q吸cm=1.68×1012J4.2×103J/kg·°C×5×106kg=80°C
水的末温可为
t=t0+Δt=30°C+80°C=110°C
但1标准大气压下水的沸点为100℃，则水能升温到100℃。​​​​​​
（3）解：（3）第一问燃料放出热量的万分之一为
Q=Q放10000=8.4×1012J10000=8.4×108J
由P=Wt得，氢能源车的牵引力做的功为
W=Pt=70×103W×2×3600s=5.04×108J
该发动机的效率
η=WQ×100%=5.04×108J8.4×108J×100%=60%
【解析】【分析】（1）根据Q=mq，计算燃料燃烧放出的热量；
（2）根据热效率，计算吸收的热量，根据Δt=Qcm，计算温度差，结合初温，计算末温；
（3）根据W=Pt，计算做功多少；根据η=WQ，计算热机效率。
（1）某火箭发射时携带6×104kg液态氢燃料，这些燃料完全燃烧放出的热量是
Q放=mq=6×104kg×1.4×108J/kg=8.4×1012J
（2）若第一问放出的热量只有20%被水吸收，水吸收的热量为
Q放=20%Q放=20%×8.4×1012J=1.68×1012J
由得，这些热量能使质量为5×106kg、初温为30℃的水温度升高温度为
Δt=Q吸cm=1.68×1012J4.2×103J/kg·°C×5×106kg=80°C
水的末温可为
t=t0+Δt=30°C+80°C=110°C
但1标准大气压下水的沸点为100℃，则水能升温到100℃。
（3）第一问燃料放出热量的万分之一为
Q=Q放10000=8.4×1012J10000=8.4×108J
由P=Wt得，氢能源车的牵引力做的功为
W=Pt=70×103W×2×3600s=5.04×108J
该发动机的效率
η=WQ×100%=5.04×108J8.4×108J×100%=60%
8．【答案】解：①煤气的热值为q=3.6×107J/m3，煤气的体积V=0.28m3，
煤气完全燃烧放出的热量：
Q放=Vq=0.28m3×3.6×107J/m3=1.008×107J；
②由η= Q吸Q放 得水吸收的热量：
Q吸=ηQ放=50%×1.008×107J=5.04×106J，
由Q=cm△t得水升高的温度：
△t= Q吸cm = 5.04×106J4.2×103J/(kg⋅∘C)×30kg =40℃，
水的末温：
t=t0+△t=20℃+40℃=60℃．
答：①煤气完全燃烧放出的热量是1.008×107J；②水的温度降升高到60℃．
【解析】【分析】①根据Q=Vq求出煤气完全燃烧放出的热量；②由题意可知Q吸=50%Q放求出水吸收的热量，再根据Q吸=cm△t求出水升高的温度．
9．【答案】（1）解：0.5kg汽油完全燃烧放出的热量：Q放＝mq＝0.5kg×4.5×107J/kg ＝2.25×107J；
答：汽油完全燃烧放出的热量是2.25×107J；
（2）解：由η=WQ放可得Q放 ＝30%×2.25×107J ＝6.75×106J；
答：该汽车消耗 0.5kg 汽油所做的有用功是 6.75×106J；
（3）解： 由题意可知，水吸收的热量：Q吸＝η′Q放＝42%×2.25×107J ＝9.45×106J；
由Q吸＝cmΔt得水升高的温度：Δt=Q吸cm=9.45×106J4.2×103J/(kg⋅°C)×25kg=90°C；
由于水的初温为 20℃，标准大气压下水的沸点为100℃ ，所以水的末温是 100℃。
答：水温升高到 100℃。
【解析】【分析】（1）根据Q放＝mq计算汽油燃烧放出的热量；
（2）根据 η=WQ放计算汽车做的有用功；
（3）首先 Q吸＝η′Q放根据计算水吸收的热量，再根据 Δt=Q吸cm 计算水升高的温度，最后与水的沸点比较，确定水的终末温度。
10．【答案】（1）解：1标准大气压下水的沸点为100℃，
把壶内20℃，5kg水烧开，水吸收的热量：Q吸＝c水m水△t1＝4.2×103J/（kg•℃）×5kg×（100℃﹣20℃）＝1.68×106J；
普通煤炉的烧水效率为25%，煤完全燃烧放出的热量：Q放＝ Q吸η ＝ 1.68×106J25% ＝6.72×106J，
由Q放＝mq可得普通煤炉完全燃烧煤的质量：m煤＝ Q放q煤 ＝ 1.68×106J3×107J/kg ＝0.224kg
答：普通煤炉完全燃烧煤的质量为0.224kg；
（2）解：由题可知，双加热煤炉还可额外把炉壁间10kg水从20℃加热至40℃，
则炉壁间水吸收的热量：Q吸′＝c水m水′△t2＝4.2×103J/（kg•℃）×10kg×（40℃﹣20℃）＝8.4×105J，
而壶内水的初温、末温以及质量均不变，则壶内水吸收热量不变，
所以，双加热煤炉中水吸收的总热量：Q吸总＝Q吸+Q吸′＝1.68×106J+8.4×105J＝2.52×106J；
由题意可知，双加热煤炉与普通煤炉消耗煤的质量相等，则这些煤完全燃烧放出的热量不变，
所以，双加热煤炉的烧水效率：η′＝ Q吸总Q放 ＝ 2.52×106J6.72×106J ×100%＝37.5%
答：双加热煤炉的烧水效率为37.5%
【解析】【分析】（1）利用水的比热容、质量和温度差计算吸收的热量；根据水吸收的热量和热效率的比值计算燃料放出的热，利用热和热值的比值计算燃料的质量；（2）利用水的比热容、质量和温度差计算吸收的热量，利用总的热量和燃料放出的总热的比值计算热效率。
11．【答案】（1）解：满载货物时货车的总质量为 m=m车+m货=1.5t+2.5t=4t=4×103kg
货车的总重力 G=mg=4×103kg×10N/kg=4×104N
由题意知，货车受到的阻力为 f=0.1G=0.1×4×104N=4×103N
因为该车满载货物后在平直的公路上匀速行驶，所以，根据二力平衡条件可知，该货车受到的牵引力等于阻力，即 F=f=4×103N
匀速行驶100km，牵引力所做的功为 W=Fs=4×103N×100×103m=4×108J
答：该货车的牵引力是4×103N，牵引力所做的功是4×108J
（2）解：由表格数据可知，货车满载每百公里油耗为20L，即货车行驶100km消耗燃油的体积为 V燃油=20L=20dm3=0.02m3
消耗燃油的质量为 m燃油=ρ燃油V燃油=0.8×103kg/m3×0.02m3=16kg
燃油完全燃烧放出的热量 Q放=m燃油q燃油=16kg×5×107J/kg=8×108J
答：燃油完全燃烧放出的热量是8×108J
（3）解：该货车发动机的效率 η=WQ放×100%=4×108J8×108J×100%=50%
答：该货车发动机的效率是50%
【解析】【分析】（1）利用质量 计算重力，根据重力计算摩擦力，利用力和距离的乘积计算做功的多少；（2）利用燃料的质量和热值的乘积计算放出的热量；（3）利用功和热量的比值计算热效率。
12．【答案】（1）解：根据题意可知，煤炭放出的热量Q放＝3.6×109J，
根据Q放＝mq，
所以一盏这样的路灯每年可节约煤炭的质量：
m煤炭＝ Q放q ＝ 3.6×109J3×107J/kg ＝120kg
答：一盏这样的路灯每年可节约煤炭120kg
（2）解：根据题意可知，水吸收的热量：
Q吸＝3.6×109J×14%＝5.04×108J，
根据Q吸＝cm（t﹣t0），
所以可加热到沸腾水的质量：
m水＝ Q吸c(t−t0) ＝ 5.04×108J4.2×103J/(kg⋅∘C)×(100∘C−20∘C) ＝1500kg
答：可将1500kg的水由20℃加热到沸腾。
【解析】【分析】（1）根据热量和热值的比值计算燃料的质量；
（2）根据能量和效率计算水吸收热量，利用热量和水的比热容、温度差可以计算水中的质量。
13．【答案】（1）解：匀速行驶时，牵引力与阻力平衡，大小相等，根据 W=Fs 计算牵引力做的功。
牵引力所做的功为： W=Fs=3.0×103N×5×103m=1.5×107J
（2）解：根据 Q放=mq 计算燃油放出的热量。
燃油放出的热量为： Q放=mq=1.5kg×3.3×107J/kg=4.95×107J
（3）解：热机效率为：
η=WQ放×100%=1.5×107J4.95×107J×100%≈30%
【解析】【分析】（1）利用二力平衡可求牵引力大小；利用W=Fs求专用车牵引力所做的功（有用能量）；
（2）利用燃料完全燃烧放热公式Q放=mq求燃油放出的热量（总能量）；
（3）利用效率公式求该专用车的热机效率.
14．【答案】（1）解：由表中数据可知，当风速为10m/s时，每秒获得的能量为8×104J，1h风车获得的能量 W总=8×104J/s×3600s=2.88×108J
10只灯泡的总功率 P总=10P=10×100W=103W
W电=P总t=1000W×8×3600s×10=2.88×107J
η=W电W总=2.88×107J2.88×108J=10%
答：这台风车发电的效率是10%；
（2）解：当风速为15m/s时，每秒获得的能量为12×104J，100台风车一年获得的能量 W=12×104J/s×4000×3600s×100=1.728×1014J
W=Q=mq
m=Qq=1.728×1014J3×107J=5.76×106kg
答：若此地年平均风速为15m/s，100台这样的风车一年（工作时间按40000h计算）获得的风能相当于完全燃烧5.76×106千克煤；
（3）解：当风速为10m/s时，流过风车的空气质量为 m=ρV=ρSL=ρSvt=1.3kg/m3×100m2×10m/s×60s=78000kg
答：若风速为10m/s，则1min内有78000千克的空气流冲击风车轮叶转动形成的圆面
【解析】【分析】（1）风车获得的能量为总功，发电量为有用功，两者比值即为效率；
（2）结合燃料的热值和能量，利用热值公式求解燃料的质量；
（3）已知空气的体积和密度，利用密度公式物体的质量即可。品牌型号
东风××
外形尺寸
5×1.9×2.3（m）
变速箱
A85
空车质量
1.5吨
最高车速
120km/h
满载时载货量
2.5吨
空载百公里油耗
12L
燃油密度
0.8×103kg/m3
满载百公里油耗
20L
燃油热值
5×107J/kg
平均风速（m/s）
5
10
15
20
25
30
1s内获得的能量（×104J）
4
8
12
16
20
24