第12讲 内能和热值

突破点1  实验探究改变内能的方式 

例题1【4☆】课题．与热有关现象的实验探究

实验回顾：如图所示，用酒精灯加热盛水烧瓶的颈部，瓶颈的水沸腾，瓶底的小金鱼却安然无恙．他们得出结论：水的导热性能______________（填“好”、“差”） 

小马提出疑问：如果对着瓶底加热，那么，那么鱼还会活着吗？日常经验告诉他，不会．因为家里煮鱼时，在锅底加热，鱼很快就熟了．于是，他很快用实验证明他的猜想是正确的． 

小马无法用上述结论解释此现象，他认为这里面肯定还有其他的物理秘密．于是他设计如下的实验进行探究 

（1）寻找方法：在水中加入一些红色的小颗粒，通过小颗粒的运动来反映水的运动，这种方法物理学中称作_______法． 

（2）进行试验：将水装入环形玻璃容器，如图所示，将小颗粒放置a点，给该处加热，发现颗粒按照a---b---c---d---a的顺序运动起来． 

（3）得出结论：从底部加热，水会循环流动起来，很快使水的温度_____________，这种现象叫做对流．能发生在各种气体和液体中． 

（4）小马通过探究了解其中的秘密．同时他也知道家中的暖气片为什么安装在房间的______________（填“顶部”或“底部”）了． 

小马回想起家中的暖器片表面是黑色的，电冰箱后面的散热管颜色也是黑色的．为什么？ 

他联想到，课堂上老师讲过：黑色物体吸收辐射热的本领强．通过对比，他有了这样的猜想：热辐射时，黑色表面的辐射热本领也强．为了验证自己的猜想他又设计了如下的实验： 

（5）寻找方法：他把一根玻璃管穿过软木塞插进烧瓶里，在玻管里装入一段带色的小水柱，如图所示．然后用手握着烧瓶，使烧瓶里的空气变热，发现玻璃管里的小水柱向外移动．手离开后，烧瓶里的空气温度降低，这时小水柱向内移动．说明：气体也有______________的性质可以简单的制作气体温度计进行实验：将两个气体温度计放在水平桌面上将一个灯泡的半边涂成黑色放在两个气体温度计之间通电后灯泡发光，如图所示不一会儿，可以看到玻璃管中的红水柱开始分别向外移动．如果他的猜想是真确的，请你补全他应该观察到的现象是：_______________________． 

小马又联想到：黑色物体吸收辐射热的本领强，难怪家里太阳能热水器的集热管是黑色的．但是黑色表面的辐射热本领也强啊．那它是怎样减小热量散失的呢？通过查询资料，原来集热管外层还有一个透明的玻璃管，两者之间被抽成真空．“对，真空层能减小热量的散失．具有隔热保温的作用”小马恍然大悟，现实生活中还有许多这样的应用呢．请你列举两个： 

应用一：____________________； 

应用二：____________________． 

解析：瓶底的金鱼安然无恙说明瓶底的温度不高，对比瓶颈的水沸腾，可以得出结论：水的导热性能差 

（1）有些物理现象不易观察，要研究它们的运动等规律，使之转化为学生熟知的看得见、摸得着的宏观现象来认识它们，这种方法叫转化法．符合本实验的特征，正是运用的此方法． 

（3）由实验现象可知，水在循环流动，而底部的水在不断加热，自然水温会升高． 

（4）暖气片安装在房间的底部，才能使房间里底部的热空气和上部的冷空气不断地循环流动，最终使整个房间的温度升高，以达到取暖的目的． 

（5）当用手握着烧瓶加热烧瓶里的空气时，玻璃管中的小水柱向外移动，这是因为烧瓶中的气体体积膨胀所致．而手离开后，烧瓶里的空气温度降低，小水柱向内移动，说明烧瓶里的空气体积变小了，由此得出气体有热胀冷缩的性质．热水瓶的内胆，和保温杯都是中间被抽成真空的，利用中间的真空层来减小热量的散失，来达到隔热保温的目的．符合题意． 

答案：差；转化；升高；底部；热胀冷缩；左边的红水柱移动的距离比右边大；热水瓶的内胆；保温杯． 

点拨：本题主要可由实验现象结合掌握的物理知识来解答，训练学生的实验能力、归纳推理能力，运用已有知识解决问题的能力和对物理知识的灵活运用．同时掌握转化法这一物理学方法.

突破点2  燃料质量的计算 

例题2【5☆】如图甲所示是一台正在建筑工地作业的起重机，吊臂上的滑轮组（可简化成如图乙所示）将质量为1.2×103kg的重物竖直匀速提高3m，拉力F由一台柴油机提供，其大小为8000N，提高重物所用的时间为4s．（g取10N/kg）
（1）吊臂上滑轮组的机械效率为多大？
（2）柴油机的输出功率为多大？
（3）已知柴油机的效率是40%，这次提高重物消耗了多少g柴油？（柴油的热值是4×107J/kg）

解析：（1）由图知，此滑轮组由3段绳子承担物重，所以s=3h=3×3m=9m
吊臂滑轮组的机械效率为：
（2）柴油机的输出功率为：
（3）根据热机的效率概念，所以柴油完全燃烧放出的能量为：

所以消耗的柴油质量为：
答案：50%，1.8×104W，4.5g柴油．
点拨：机械效率是有用功与总功的比值，在此题中，有用功是克服物体重力做的功，总功是拉力F做的功．功率是物体在单位时间内做的功，柴油机的输出功率是拉力F的功率．根据热机的效率的概念计算出柴油完全燃烧放出的能量，从而根据燃料燃烧得放热公式计算出柴油的质量．

突破点3  燃料热量的计算 

例题3【5☆】不同的燃料具有不同的热值，无烟煤的热值为3.4×107J/Kg，天然气的热值为8.5×107J/m3．
（1）完全燃烧1Kg无烟煤所产生热量与完全燃烧多少m3天然气产生的热量相同？
（2）某市天然气的收费标准为1.05元/m3，李明同学家6月份交天然气费31.50元，则李明家该月所消耗的天然气完全燃烧所放出的热量是多少J？
解析：（1）∵m=1Kg，q煤=3.4×107J/Kg，
∴Q煤=mq煤=1Kg×3.4×107J/Kg=3.4×107J，
又∵Q气=Q煤，q气=8.5×107J/m3，
∴V= Q气/q气= 3.4×107J/8.5×107J/m3=0.4m3．
（2）∵天然气的收费标准为1.05元/m3，李明同学家6月份交天然气费31.50元，
∴李明同学家6月份所用天然气的体积为： 31.50元/1.05元/m3=30m3，
又∵q气=8.5×107J/m3，
∴Q=Vq气=30m3×8.5×107J/m3=2.55×109J．
答案：0.4m3, 2.55×109J．
点拨：（1）已知无烟煤的热值和质量，可利用公式Q=mq计算完全燃烧1Kg无烟煤所产生热量，又知道天然气的热值，可利用公式V= Q/q计算天然气的体积．
（2）已知天然气的收费标准和所交费用，可以计算出天然气的体积，再利用公式Q=Vq计算天然气完全燃烧所放出的热量．
创新能力挑战
1.【4☆】2008年5月12日，四川省汶川地区发生了强烈地震、抗震抢险中的许多场面给人们留下了难忘的印象．灾区一青年为防止液化石油卸罐在烈日的曝晒下发生爆炸，将液化石油气罐的一部分埋入土中，并在其周围倒插了几个装满水的啤酒瓶，如图所示．
（1）液化石油气在常温下装入罐中时，采取________方法使气体液化．
（2）罐中的液化石油气在阳光照射下温度升高，内能_________，压强增大，容易发生爆炸．
（3）瓶中的水缓慢流入土中，在逐渐蒸发的过程要_____热量，可以降低液化石油气罐的温度，保证安全使用．

2、【5☆】我国是世界上的垃圾“生产”大国，垃圾的掩埋处理将占大量的土地，并污染土壤和水源，为各种菌毒、苍蝇提供了理想的栖生和繁衍场所．据“全国城市生活垃圾处理及资源利用经验交流大会”资料显示，仅1997年，我国城市生活垃圾达1.3×108t，假设垃圾的平均密度为103kg/m3．
（1）若将这些垃圾铺放在连云港（银川市的城市面积约是1.3×107m2），将会形成多厚的垃圾层？
（2）从20世纪70年代起，一些发达国家已着手利用垃圾发电，科学家预测，λ焚烧1t垃圾，其中的有机可燃物可产生1.5×1010J的热量，试计算，若将1997年我国城市生活垃圾焚烧用来发电，与燃烧多少煤炭产生的热量相同（煤的热值为3.0×107J/kg）。