1、114 内能的应用14.1 热机知识点 1、热机定义：利用内能做功的机械。热机的种类很多，例如蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。尽管它们的构造不同，但它们有一个共同的特点，就是把内能转化为机械能。知识点 2、内燃机燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机。最常见的内燃机是四冲程的汽油机和四冲程的柴油机。（1）汽油机汽油机是利用汽油在气缸内燃烧产生的高温高压的燃气来推动活塞做功的热机。构造：如图所示工作工程：汽油机在工作时，活塞在气缸内往复运动，活塞从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。汽油机的一个工作循环有四个冲程组成，分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。汽油
2、机是通过四个冲程的不断循环来保证连续工作，其工作过程如下表：次序 1 2 3 4冲程名称 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程工作示意图进气门开闭情况 打开 关闭 关闭 关闭排气门开闭情况 关闭 关闭 关闭 打开活塞运动方向 向下 向上 向下 向上冲程的作用 吸入汽油和空 压缩汽油和空气的混 压缩冲程结束时，火花塞产生 排出废气2气的混合物 合物，使其内能增加、温度升高电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压气体，高温高压气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功能的转化 无能量转化 机械能转化成内能 内能转化为机械能 无能量转化点拨：汽油机在开始工作时，要靠外力先使曲轴、连杆转动起来，由曲轴
3、通过连杆带动活塞运动以后，汽油机才能连续工作。在汽油机的一个工作循环中，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。在四个冲程中，只有做功冲程是燃气对外做功，将内能转化为机械能，其他三个冲程是靠飞轮的惯性来完成的，故飞轮的质量要足够大。可根据汽油机活塞的运动方向和进气门与排气门的开、闭情况来判断是什么冲程。可用口诀来记忆：一门打开，上排下吸气；两门关闭，上压下做功。其中“上”“下”是指活塞向上运动或向下运动。（2）柴油机工作原理：利用柴油在气缸内燃烧所产生的高温高压的燃气来推动活塞做功。主要工造：与汽油机大致相同，所不同的是柴油机汽缸顶部无火花塞而有喷油嘴。工作过程：与汽油机大致相同，也是吸
4、气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，在一个工作循环中，曲轴转动两周，对外做功一次。柴油机与汽油机的异同比较 柴油机 汽油机构造燃料 柴油 汽油吸气冲程 只吸入空气 吸入汽油和空气的混合物压缩冲程 压缩程度较大（机械能内能） 压缩程度较小（机械能内能）做功冲程 压燃式（柴油遇到高温高压的热空气而燃烧）（内能机械能）点燃式（火花塞点火）（内能机械能）一个工作循环排气冲程 排出废气 排出废气3主要特点 笨重、效率较高 轻巧、效率较低适用范围 载重汽车、火车等 小汽车等相同点 都是燃料在气缸中燃烧；汽油机的火花塞与柴油机的喷油嘴的工作时刻都是压缩冲程结束时；都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲
5、程构成一个工作循环，曲轴转动两周，对外做功一次；排气冲程排出废气的过程相同；启动时都是靠外力先使曲轴转动起来。点拨：内燃机只有在第三个冲程做功冲程才能使机械获得动力，所以启动内燃机，要靠外力（人力或电动机的驱动力）先使曲轴转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，消耗机械能来帮助内燃机完成吸气、压缩两个冲程。在做功过程中燃气对活塞做功，内能转化为机械能，并有一部分机械能通过飞轮储存起来，然后依靠飞轮的惯性来带动活塞运动，完成排气冲程及下一个工作循环的吸气和压缩冲程，周而复始，内燃机就连续转动下去了。易误易混警示：易误点：内燃机工作循环的理解关于四冲程汽油机（柴油机）一个工作循环有几个冲程，活塞往复
6、运动几次，曲轴转几周，对外做功几次是本节的易误点。四冲程汽油机（柴油机）一个工作循环完成四个冲程，对外做功一次，曲轴转动两周，活塞往复运动两次。如已知某汽油机的转速为 1800r/min，则曲轴每秒转 30 转，完成 15 个工作循环，对外做功 15 次，共完成 60 个冲程。此规律可巧记为：吸、压、做、排四冲程，一个循环一次功，曲轴刚好转两转，活塞往复两次行。14.2 热机的效率知识点 1、燃料的热值（1）燃料燃料的种类：燃料的种类很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、酒精等，气体燃料有煤气、天然气等。燃料燃烧时能的转化：燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能，
7、也就是常说的释放能量。（2）燃料的热值在物理学中就用燃料的热值来表示燃料在完全燃烧时放热本领的大小。定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。符号：q单位：焦每千克，符号 J/kg。热值的物理意义：热值在数值上等于 1kg 某种燃料完全燃烧放出的热量。如木炭的热值为3.4107J/kg，他表示 1kg 的木炭完全燃烧时所放出的热量是 3.4107J。同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。燃料燃烧放出热量的计算：如果用 m 表示燃料的质量，用 q 表示该种燃料的热值，用 Q 放 表4示燃料完全燃烧时所放出的热量，则 Q 放 =mq。其中：m 的单位是 kg，q 的
8、单位是 J/kg，Q 放 的单位是 J。注意：（1）只有燃料燃烧释放热，才能用 Q 放 =mq 进行计算，不要与物体温度降低时的放热公式 Q 放 =cm(t-t0)混淆。（2）计算时要明确燃料的种类、是否完全燃烧等关键词。由燃料燃烧放出的热量的计算公式 Q 放 =mq 变形可得到 ，注意公式中每个物理量都有其mq放特殊的物理意义，而不是纯粹的数学关系，不能错误的认为 q 与 Q 放 成正比、与 m 成反比。（3）四点透析燃料的热值“某种燃料”说明热值与燃料的种类有关。每种燃料都有明确的热值，不同燃料的热值一般不同由此可见，热值反映了燃料燃烧的某种性质。热值大，反映相同质量的这种燃料完全燃烧时放
9、出的热量多，或者说，化学能转化成的内能多。“完全燃烧”的含义是烧完、烧尽。1kg 的某种燃料，只有在完全燃烧时放出热量的大小才在数值上等于这种燃料的热值。如果没有完全燃烧，放出的热量比按热值计算出的热量要小。热值是燃料本身的一种性质，它只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧、放出热量多少均没有关系。对于气体而言，热值的单位还常用“焦每立方米”，符号是 J/m3。若气体燃烧单位是 J/m3，则计算燃料完全燃烧时放出的热量用 Q 放 =Vq。其中 V 的单位是 m3，q 的单位是 J/m3，Q 放 的单位是J。知识点 2、热机的效率（2）内燃机燃料燃烧能量走向示意图燃料未能完全
10、燃烧。由于燃料的优劣、内燃机气缸与活塞的密封程度等原因，热机不可能使燃料完全燃烧，燃料的化学能不能全部被释放。废气带走很大一部分能量四冲程内燃机的一个工作循环中，排气冲程排出气缸中的废气，但此时废气的温度仍很高，内能较多。一部分热量消耗在散热上。热机大部分部件是由金属制成的，金属是热的良导体，将燃料燃烧所释放的部分热量传递给机体及空气，所以散热也是能量损失的一个方面。克服摩擦消耗一部分能量。5活塞和曲轴在运动时要克服摩擦做功，这部分能量也要靠燃料燃烧的内能来提供。对外做的有用功。（3）热机的效率定义：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比。公式： ，Q 有用 是用来做有用功的能
11、量，Q 总 是燃料完全燃烧放出的能量。%10总有 用（4）热机效率总小于 1 的原因由于热机在工作过程中，总有能量损失，即 Q 有用总小于 Q 总，所以热机的效率总小于 1。通常情况下，蒸汽机的效率为 6%-15%，汽油机的效率为 20%-30%，柴油机的效率为 30%-45%。（5）提高热机效率的主要途径使燃料充分燃烧；尽量减少热机部件间的摩擦；在热机的设计和制造商，采用先进的技术；使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调理各零件之间的间隙，减少因克服摩擦阻力而额外消耗的功。（6）废气能量的利用在热机的能量损失中，废气带走的能量最多。设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。例如，热电
12、站就是人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热的，这种既供电又供热的热电站可以大大提高燃料的利用率。易误易混警示易误点：热值概念的理解易误点辨析：热值是燃料本身的一种性质，热值的大小与燃料的种类有关，每种燃料都有确定的热值，不同的燃料一般由不同的热值。所以，燃料的热值只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧均没有关系。14.3 能量的转化与守恒知识点 1、能量的转化（1）能量的形式多种多样自然界中存在着各种形式的物质运动，如机械运动、分子热运动等，每一种运动都有一种能量跟它对应，因此能量的形式有很多种。跟机械运动对应的是机械能，跟分子热运动对应的是内能。此外，其他形式的能还有电能、光
13、能、化学能、核能等。6（2）能量的转化现象 能量转化摩擦生热 机械能转化为内能水电站里水轮机带动发电机发电 机械能转化为电能电动机带动水泵把水送到高处 电能转化为机械能植物吸收太阳光进行光合作用 光能转化为化学能燃料燃烧时发热 化学能转化为内能火力发电站 化学能转化为电能太阳能电池 光能转化为电能蓄电池充电 电能转化为化学能太阳能热水器 光能转化为内能规律总结：自然界中各种形式的能，在一定条件下都可以相互转化。（3）能量的转移能量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从物体的一部分转移到另一部分。在热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体或从物体的高温部分转移到低温部分，这属于能量的转移。（
14、4）正确理解能量的“转化”和“转移”能量的转化：能量的转化是伴随着物体做功而表现出来的，能的形式发生了改变。如：打铁时，铁块温度升高，内能增加，是通过做功（打铁）的方式使机械能转化成了内能。再如：电炉发热，是电流做功时使电能转化成了内能。一种形式的能增加了，肯定有其他形式的能减少了。能量的转移：能量的转移指同一种能量从一个物体转移到另一个物体，或从物体的一部分转移到另一部分，能量的形式并没有发生变化。如：热传递时内能从高温物体转移到低温物体。再如：流水推动水轮机转动，水的机械能转移到了水轮机上。规律总结：判断是能量转移还是能量转化的方法：明确某一过程前后能量的存在形式是否发生变化，若能量的存在
15、形式发生变化，则为能量的转化，若能量的存在形式没有发生变化，则为能量的转移。知识点 2、能量守恒定律（1）能量守恒定律能量守恒定律：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其它物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律。能量守恒的普遍性：能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。7能量守恒定律是我们认识自然地重要依据，它可以使我们进一步了解自然界各种现象之间的联系。下面我们来看看太阳能的转化。太阳光照射到地面上，把地面、空气、水面晒热，太阳能转化为土壤、空气、水的内能。变热的空气上升，使空气流动而形成风，太阳能转
16、化成空气的机械能，水面被晒热，蒸发出的水蒸气上升到空中形成云，又以雨、雪等形式落下来，通过江河流入海洋，太阳能又转化成水的机械能。太阳能的一部分被植物的叶子吸收，发生光合作用，生成各种有机物，太阳能又转化成植物的化学能。植物作为食物被动物吃掉，植物的化学能又转化为动物的化学能。人以动、植物为食物，从中获得了维持生命活动的能量。千百万年前的植物、动物在地质变迁中转化成了煤、石油及天然气，成为我们现代工农业生产和生活中的主要能源。在水力发电站和火力发电站里，水的机械能及煤、石油和天然气的化学能又转化为电能。在工厂、街道和家庭中，电能又通过各种用电器转化成机械能、内能、光能等。（2）机械能守恒与能量
17、守恒的区别机械能的守恒是有条件的没有能量损失或额外的能量补充。因为机械能守恒是指一个物体如果只存在着动能和势能之间的转化时，机械能的总量将保持不变。如果除此之外还存在能量的转化过程，则说明有机械能与其他形式的能之间的转化，机械能的总量发生改变，机械能不在守恒。例如：克服摩擦做功，机械能的总量将减少，损失的机械能将转化为其他形式的能。能量守恒定律的成立不需要条件。这是因为能量转化形式是多样的，可以在机械能、内能、化学能、电能、光能、原子能间相互转化，不限于动能与势能之间。在转化过程中，一种形式的能量减少，另一种形式的能量必然增加，能量的总量保持不变。（3）“永动机”研制为何失败不消耗能量，能够永远运动下去的机器，就是所谓的“永动机”。而事实证明，能量在转化过程中只要有运动，摩擦就是不可避免的，就会产生热，这样运动的能量就会减少，如果不补充能量，运动最终会停止，所以，根本不可能制造出永动机。“永动机”违背能量守恒定律，不可能研制成功。
