效率问题是初中物理中的一个重点,也是一个难点,主要分为机械效率和热机效率。许多学生在这类问题的计算中常出现问题,主要是找不到有用能量部分和总能量部分。本文主要以热机效率为主。
热机效率常以常见的家用电器(如热水器)、交通工具(如汽车、电动车)、发电厂(垃圾发电厂等)为背景进行考查:问题分析能力、信息提取能力和公式规律应用能力等。解决效率问题,关键是通过分析题目,找出有用能量和总能量。
选择正确的公式计算出有用能量和总能量,最后利用公式η=Q有/Q总=W有/Q总计算效率。
有用能量:用来对外做有用功的能量。
总能量 :燃料燃烧时所释放的能量。
目前常见的两种题型: 热水壶烧水效率问题、汽车发动机效率问题。
总体思路:η=Q有/Q总。热水壶烧水效率问题:Q有=cm△t。汽车发动机效率问题:W有=FS或W有=Pt。
总能量:一般为Q总=mq。
一、热水器烧水效率问题
例1、天然气灶烧水,燃烧0.5m3的天然气,使100kg的水从20℃升高到70℃。已知水的比热容为c=4.2×103J/(kg•℃),天然气的热值为q=7.0×107J/m3。求:(1)0.5m3天然气完全燃烧放出的热量Q放;(2)水吸收的热量Q吸;(3)燃气灶的效率η。
解:
(1Q放qV=7.0×107J/m3×0.5m3=3.5×107J(2)Q吸=cm△t=4.2×103J/(kg•℃)×100kg×(70℃-20℃)J=2.1×107J
(3) η= Q有/Q总= Q吸/Q放=3.5×107J/2.1×107J =60%
总结:这类题关键是找出有用的能量为水吸收的热量:Q有=cm△t,总能量为燃料完全燃烧放出的热量:Q总=mq或太阳辐射的能量。
二、汽车发动机效率问题
例2、有一家大型的特种专用汽车生产基地,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5.6km,受到的阻力是3.0×103N,消耗燃油1.5×10-3m3(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)专用车牵引力所做的功?(2)该专用车的热机效率是多少?解:(1)专用汽车做匀速直线运动,F牵=f=3.0×103N
则牵引力做的功W=Fs=3.0×103N×5.6×103m=1.68×107J
(2)消耗的燃油质量为:m=ρV=0.8×103kg/m3×1.5×10-3m3=1.2kg
则Q放=qm=4×107J/kg×1.2kg=4.8×107J
η=W/Q放=1.68×107J/4.8×107J=35%
总结:这类题关键是找出有用的能量大小为牵引力做的功:W=FS或W=Pt,总能量为燃油完全燃烧放出的热量:Q总=qm。