能量轉換中的效率問題

能量轉化中的效率計算能量可以從一種形式轉化為另一種形式，要實現(xiàn)這種能量的轉化需要一定的設備，由于設備本身的限制，不可能將一種能量全部轉化為另一種能量，這就出現(xiàn)了設備的效率問題。圍繞有用的能量和總能量涉及的相關知識設置考點，試題的綜合性較強，覆蓋初中物理的力、熱、電、能量等知識。鍋爐的效率例1.某中學為學生供應開水，用鍋爐將200kg的水從25笆加熱到100°C，燃燒了6kg的無煙煤。水的比熱容是4.2X103j/(kg?C)，無煙煤的熱值是3.4Xl07j/kg。求：鍋爐內(nèi)的水吸收的熱量是多少？無煙煤完全燃燒放出的熱量是多少？此鍋爐的效率是多少？Q瞄=cmU-2-=mq解析:試題以鍋爐為載體，考查了吸熱升溫公式喉°和燃料燃燒放熱公式地。要求鍋爐的效率，需要清楚鍋爐將燃料燃燒放出的熱量轉化為水的內(nèi)能，因此水溫度升高吸收的熱量是有用的能量，無煙煤完全燃燒放出的熱量是總能量。答案：(1)Q囁=沖(￡_k)=42心買餛.Qx2。0隧X(1-25。)二5.3x1。?Q=幽迥=x3.4x107J/hg=2.04xlOsJ(2)6.3x10V?6.3x10V?30.9%2.04x108J(3)鍋爐的效率柴油抽水機的效率例2.今年我省出現(xiàn)大面積干旱，造成農(nóng)田缺水，嚴重影響農(nóng)作物生長，為緩解旱情，很多地方采用柴油抽水機從江湖中引水灌溉。某柴油抽水機把湖水抬升4.5m流入溝渠，再去灌溉農(nóng)田。已知在2h內(nèi)抬升了1600m3的水，此柴油抽水機的效率為40%，柴油的熱值為4.5X107j/kg，g取10N/kg，求：此柴油抽水機2h做了多少有用功？C此柴油抽水機工作2h消耗了多少柴油?此柴油抽水機的總功率為多少千瓦？解析：柴油抽水機將柴油完全燃燒產(chǎn)生的能量通過克服重力做功轉化為水的重力勢能。試題以此為載體，考查了質量、密度、重力、熱值、功和功率等知識。（1）雖然抽水機是將水連續(xù)地分批抽上去，我們可以想象成抽水機將全部1600m3的水一次性地在2hm=C?=ms.內(nèi)緩慢抬升4.5m，這就是等效法的應用。這樣利用計算出水的質量，再用艮計算重力，w=Gh然后用就可以計算出有用功。（2）要計算柴油的質量，需要先計算柴油燃燒放出的熱量。這就要利用柴油抽水機的效率為40%這個數(shù)據(jù)。教學中發(fā)現(xiàn)很多同學常犯一個錯誤，就是利用柴油抽水機做的有用功去乘以效率。避免錯誤的方法是%用=—^想清楚柴油燃燒放出的熱量是總的能量，總的能量要比有用的能量數(shù)值大。應該根據(jù)旗，得到2^=—。（3）柴油抽水機的總功率應該用總能量除以時間計算，總能量就是柴油燃燒放出的熱量，時間是2h，要注意把單位化成秒。答案：（1）W—Gh—mgh==1xIO3諳=7.2x1077（2）根據(jù)，得1.8x10V心1.8x10V心7=4街4.5^W7JJkg尹=2=叮=25幻節(jié)質=為上野小t2x3600^3太陽能的效率例3.閱讀下面的短文，回答問題。太陽能熱水器太陽能熱水器能利用太陽能把水從低溫加熱到高溫，以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?。它具有安全、?jié)能、環(huán)保等優(yōu)點。如圖1所示，太陽能熱水器主要由兩部分構成：一部分是由許多根玻璃吸熱管組成的集熱器，每根玻璃吸熱管由雙層玻璃管組成，雙層玻璃管之間是真空。如圖2所示是玻璃吸熱管的工作原理圖，它的結構與保溫瓶的玻璃內(nèi)膽相似，只是在玻璃吸熱管的內(nèi)表面涂了一層黑色的吸熱材料；另一部分是保溫儲水箱,保溫儲水箱下部與玻璃吸熱管相通。圖1圖2玻璃吸熱管工作原理如圖所示：當太陽光入射到黑色的吸熱層上時，黑色吸熱層能把太陽能更有效地轉化為熱能，將管內(nèi)的水加熱。向光一側的水被加熱后體積增大、密度變小而向上運動；背光一側的水由于溫度較低、密度較大而向下運動，形成冷熱水循環(huán)，最終整箱水都升高至一定的溫度。玻璃吸熱管具有吸熱保溫作用。請回答以下問題：玻璃吸熱管內(nèi)向光一側的水吸熱后體積增大、密度變小，所受到的浮力—重力。能否將黑色的吸熱材料涂在玻璃吸熱管的外表面上?簡單說明理由。。將質量為100kg的初溫為201的水加熱到60'C，求這些水需要吸收多少熱量？[水的比熱容是4.2X103J/(kg?C)]某品牌太陽能熱水器集熱器面積為S=2m2,熱效率為n=40%(即熱水器能將照射到玻璃吸熱管上的太陽能的40%轉化為水的熱能)，該地點太陽能輻射到地面的平均功率為P=1.4X103W/m2(即平均每平方米每秒鐘太陽輻射能為1.4X103J)。在第(3)小題中水吸收的熱量由該熱水器提供，求需要加熱多少小時？解析：太陽能熱水器把太陽能轉化成熱能，把水從低溫加熱到高溫。以此為背景，試題考查了浮力、熱傳遞、熱量、效率等知識。通過閱讀材料可知，玻璃吸熱管內(nèi)向光一側的水吸熱后體積增大、密度變小而向上運動，這就是上浮，所以水受到的浮力大于重力。黑色的吸熱材料能把太陽能更有效地轉化為熱能，若涂在玻璃吸熱管的外表面，只能使吸熱管的外表面溫度更高，中間的真空層不利于將熱量傳遞給內(nèi)層管內(nèi)的水。利用吸熱升溫公式~喉'叫，就可以計算水吸收的熱量。

（4）這一問考查學生收集信息、處理信息的能力。通過閱讀要理解好熱效率、太陽能輻射到地面的平均功率這兩個概念。設需要加熱的時間為t,則該太陽能熱水器接收到的太陽能為PSt，轉化為水的內(nèi)能為PStn，這個內(nèi)能等于第（3）小題中水吸收的熱量，這樣利用方程就可以求出t。答案：（1）大于（2）不能；因為這樣只能使吸熱管的外表面溫度更高，中間的真空層不利于將熱量傳遞給管內(nèi)的水。（3）Q囁=<7洛◎—端）二i.esxio7/（4）設需要加熱的時間為t，則熱水器接收到的太陽能為PSt，轉化為水的內(nèi)能為PS切，P陽=Q根據(jù)，得1.68xl07J1,4婦質附/■濟工2斯號0%鉆木取火中的效率例4.人類的祖先鉆木取火，為人類文明揭開了新的一頁。鉆木取火的一種方法如圖3所示，將削尖的木棒伸到木板的洞里，用力壓住木棒來回拉動鉆弓。木棒在木板的洞里轉動時，板與棒互相摩擦，機械能轉化為內(nèi)能，而熱集中在洞內(nèi)，不易散發(fā)，提高了木棒尖端的溫度，當達到約260C時木棒便開始燃燒。因木頭是熱的不良導體，故受熱厚度很薄，木棒受熱部分的質量只有0.25g。已知:來回拉一次鉆弓需1.0s，弓長為s=0.25m，人拉弓的力為16N，木頭比熱容C=2X10j/（kg?°C），室溫為20°C。問：（1）人來回拉一次鉆弓克服摩擦力所做的功為多少?叩二W(叩二W(2)根據(jù)"，得:260C-20C=60s人克服摩擦力做功使機械能轉化為內(nèi)能，若其中有25%被木棒尖端吸收，則1s內(nèi)可使木棒尖端溫度提高多少°C?請你估算用多長時間才能使木棒燃燒起來？W=解析：(1)利用就可以求人所做的功，但要注意因為是人來回拉一次鉆弓，所以距離要乘以2。(2)鉆木取火時將人做的功轉化為內(nèi)能。所以人做的功對應的是總能量，轉化的內(nèi)能是有用的能量。7=這樣利用，可以求出升高的溫度。(3)由第二問中人1s內(nèi)做功可使木棒尖端提高的溫度，根據(jù)比例關系就可求要讓木棒尖端溫度升高(260C—20C)需要的時間。任會所二死二16蘇罰.2弘x2二答案：(1)&二絲=s—。=4。一一膈1護J7(館?罰.25湛/蝕一(3)汽車發(fā)動機的效率例5.2010年12月30日通車的湛徐高速，使得從湛江市區(qū)到徐聞縣海安港口全程只需約1個小時，從而使雷州半島的居民從此真正進入湛江市“一小時生活圈”。今年“五?一”期間，爸爸開車帶著李兵從湛江市區(qū)出發(fā)沿湛徐高速到徐聞參觀“大漢三墩”景點，汽車(包括車上的人和物品)質量為1.8X103kg,車輪與地面的總接觸面積為0.09m2，當汽車以90km/h的速度在平直路面上勻速行駛時，汽車發(fā)動機牽引力為1000N，效率為30%，汽油的熱值為4.6X107j/kg(假設汽油完全燃燒，g取10N/kg)。求：汽車靜止時對路面的壓強；汽車以90km/h的速度勻速行駛時，牽引力的功率；若汽車按照這種方式行駛，這次旅行全程往返250km，牽引力做的功是多少？李兵應該提醒爸爸至少要加汽油多少kg?解析：汽車發(fā)動機工作時將汽油燃燒放出的內(nèi)能轉化為機械能。以此為載體，試題考查了壓強、功、功率、熱量等知識。產(chǎn)二一（1）利用S，可以求壓強。其中壓力F=G=mg（2）計算功率，可利用P=Fv，不過要注意將速度單位化為國際單位，90km/h=25m/sWW7——二—（3）計算功，直接利用W=Fs即可。要計算汽油的質量可根據(jù)。mq答案：（1）汽車靜止時對地面的壓力F=G=mg=1.8X103kgX10N/kg=1.8X104N。汽車靜止時FLE"P=—==對地面的壓強：'00'陽2X105Pa。（2）汽車以90km/h的速度勻速行駛時，牽引力的功率：P=Fv=1000NX25m/s=2.5X104WWW—二全程往返約250km牽引力所做的：W=Fs=1000NX2.5X105m=2.5X108J,由°酬'得全程往返約250km需要汽油的質量為:2.5xia8Jr電熱飲水機的效率例6.下表是一臺常用的電熱飲水機的銘牌數(shù)據(jù)，圖4是它的電路原理圖，其中S是溫控開關，R1是定值電阻，r2是加熱電阻。當S閉合時，飲水機處于加熱狀態(tài)；當S斷開時，飲水機處于保溫狀態(tài)水桶容量20L熱水箱容量1L額定電壓220V加熱功率440W保溫功率40W?2()￥?2()￥在加熱狀態(tài)下，飲水機正常工作時電路中的電流是多大？飲水機正常工作時，將熱水箱中的水從20°C加熱到90°C.需用時14min［水的比熱容為4.2X103J/(kg?，C)］。求此加熱過程中：①水吸收的熱量；②飲水機的加熱效率。求電阻Ri的阻值(保溫功率是指整個電路消耗的功率)。解析：電熱飲水機能將電能轉化為內(nèi)能，試題以此為背景考查了電路、電功率、質量、密度及熱量、效率的有關計算，試題的綜合性較強。(1)由銘牌數(shù)據(jù)提供的信息，飲水機在加熱狀態(tài)下的功率為440W,飲水機正常工作時的電壓為220V,要求電路中的電流，只要利用“即可。0=CmU-fn)式中m應該是熱水箱中水的質量，不能是水(2)要求水吸收的熱量，需要利用X、心桶中的水的質量。要求熱水箱中水的質量，利用即可，其中V=1L=10-3m3。飲水機將電能轉化為內(nèi)能，轉化的內(nèi)能是有用的能量，消耗的電能是總能量。消耗的電能可以用計算，其中P=440W，t=14min=14X式中m應該是熱水箱中水的質量，不能是水(3)圖4中，當S閉合時，電阻R1被短路，只有電阻R2工作，此時飲水機處于加熱狀態(tài)，根據(jù)第一問中的電壓和電流可以求出電阻R的阻值；當S斷開時，電阻R和R串聯(lián)，飲水機處于保溫狀態(tài)，此時功TOC\o"1-5"\h\z212Z=—R=—P=—率為40W，利用"，可求出電流，再利用'可求出總電阻，進而求^。當然也可以利用汽計算電阻R?和總電阻。.P440JF…1———==LA11220^答案：(1)電路中的電流”(2)熱水箱中水的質量m(2)熱水箱中水的質量m-pV二lx乂IxlCF’妒-Rg，水吸收的熱量二2.94x10VW二P^t二440JFxl4x60s二3.696xlOJ7消耗的電能飲水機的加熱效率陽2網(wǎng)