你好，我是物理柯老师。
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上午课后，一位家长微信发来孩子作业的截图。题目谈到发动机散热，孩子在题目旁边写：“汽油的能量都变成热，浪费掉了。”
家长问我：“可汽车向前跑，不是也用到了能量吗？”我回他：“可以让孩子把燃料里的能量按去向分成三类：推动汽车的、燃烧后散到周围的、还留在没烧完燃料里的。”
所以，要算清发动机效率，先要知道燃料完全燃烧最多能放出多少能量，再看其中多少推动了汽车、多少去了别处。
我们先把“每千克燃料的热值”和“这一份燃料放出的总热量”分清。
一、先算清：这份燃料最多放出多少能量
热值 q 表示1 kg某种燃料完全燃烧时放出的热量。简单说，它告诉我们“每千克燃料能放多少热”，单位是 J/kg。
同一种燃料，质量变了，热值不变；要比较两种燃料的热值，就要比较相同质量、并且都完全燃烧时放出的热量。
燃料完全燃烧时，Q总=mq，表示这一份燃料最多能放出的总热量。例如，0.1 kg汽油的热值是4.6×10⁷ J/kg，计算为0.1 kg×4.6×10⁷ J/kg=4.6×10⁶ J。
二、再算效率：多少能量用来完成任务
发动机要完成的任务是推动汽车，所以推动汽车的机械功就是它的有用功。热机效率看这部分占燃料完全燃烧时所能放出的总热量的比例：η=W有用/Q总=W有用/(mq)。
如果这4.6×10⁶ J中有1.38×10⁶ J用来推动汽车，效率就是1.38×10⁶÷4.6×10⁶=30%。
什么算有用，取决于设备要完成什么任务。发动机要推车，就取推动汽车的机械功；烧水时，则看水吸收了多少热量。
效率看能量有多少变成了有用部分；功率看做功有多快。功率大不等于效率高。
三、已经释放的能量：有用功和其他去向
燃料燃烧后，释放的能量一部分用来推车。推动汽车的机械功就是有用部分，也就是发动机的有用功。还有一部分没有帮发动机完成“推车”这个任务。
这部分能量没有消失，只是去了别处：有的随高温废气排到车外，有的使发动机和周围部件变热；摩擦也会把一部分机械能变成内能。
把有用功对应的能量和这些其他去向合起来，等于燃料这次实际燃烧释放的总能量。能量没有消失，只是转移或转化了。
完成同样任务时，如果更多燃料释放的能量转化为推动汽车的有用功，热机效率通常会提高。但发动机仍需要适当散热，不能简单地认为散热越少越好。
四、没烧完的燃料：能量还留在里面
燃料没有完全燃烧时，剩下的燃料里还存着化学能。这部分能量还没释放，和已经随废气、散热离开的能量不是一回事；但它也没有变成推动汽车的有用功。
算热机效率时，分母仍是燃料全部完全燃烧时能放出的热量 mq，而不是实际已经放出的热量。也就是说，没烧完的部分仍算在燃料总能量里。
举个简单的数：一份燃料完全燃烧能放出100 J，若有20 J对应的燃料没有烧完，实际只放出了80 J。
如果这80 J里有20 J变成有用功，效率就是20 J÷100 J=20%，不是20 J÷80 J=25%。关键是分母仍用燃料完全燃烧时的总能量。
所以，发动机发热只说明有一部分能量没有用来推车，并不代表汽油的能量“都浪费了”。效率＝有用功÷燃料完全燃烧时能放出的总热量，把分子、分母各自代表什么弄清，整道题就顺了。
让孩子做下这几道题（5道）
基础题
1.同种汽油的质量由2 kg减少到1 kg，热值是否改变？若汽油热值为4.6×10⁷ J/kg，剩余汽油完全燃烧能放出多少热量？
2.（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
中档题
3.（2021·黑龙江）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1kg的木材，刚好把初温为20℃，质量为2kg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q＝1.2×10⁷J/kg，水的比热容为c水＝4.2×10³J/（kg·℃）。求：
（1）完全燃烧1kg木材能放出多少焦耳的热量？ （2）2kg的水被烧开吸收了多少热量？ （3）小晶烧水的效率是多少？
4.（2021·贵州）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）
5.某发动机消耗的燃料完全燃烧时理论上能放出2×10⁷ J能量，其中20%对应未燃烧的燃料。实际释放的热量中，25%转化为有用机械功，其余作为废气、散热和摩擦等损失。求未燃烧的燃料对应的能量、实际释放的热量、有用功和热机效率。
答案与解析
第 1 题：答案 不变；4.6×10⁷ J。
解析：热值是燃料的一种特性，同种汽油质量减少，热值不变。剩余汽油完全燃烧放热Q放=mq=1 kg×4.6×10⁷ J/kg=4.6×10⁷ J。
第 2 题：答案 B。
解析：热传递由温度高处向温度低处发生，不由内能大小决定；“白气”是小水滴；晶体熔化时持续吸热而温度不变。热机不能把燃料释放的能量全部转化为有用功，所以B正确。
第 3 题：答案 （1）1.2×10⁷ J；（2）6.72×10⁵ J；（3）5.6%。
解析：Q放=mq=1×1.2×10⁷ J=1.2×10⁷ J。标准大气压下水烧开达到100℃，Q吸=cmΔt=4.2×10³×2×(100－20) J=6.72×10⁵ J；烧水效率η=Q吸/Q放=5.6%。分子是水吸收的热量，分母是木材完全燃烧放出的热量。
第 4 题：答案 1500；2.25×10⁴。
解析：Q放=mq=3×4.6×10⁷ J=1.38×10⁸ J；有用功W=ηQ放=3.45×10⁷ J。由s=23000 m得F=W/s=1500 N；v=54 km/h=15 m/s，所以P=Fv=2.25×10⁴ W。
第 5 题：答案 4×10⁶ J；1.6×10⁷ J；4×10⁶ J；20%。
解析：未燃烧部分对应能量为20%×2×10⁷ J=4×10⁶ J，实际放热Q实=2×10⁷ J－4×10⁶ J=1.6×10⁷ J；有用功W=25%×1.6×10⁷ J=4×10⁶ J。热机效率的分母是全部消耗燃料完全燃烧可放出的理论总能量，所以η=W/(mq)=4×10⁶/2×10⁷=20%。废气、散热和摩擦等损失共1.2×10⁷ J，再加上4×10⁶ J未燃能量，与有用功合计恰为2×10⁷ J。
今天分享结束，明天见！
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