课题 热机与热机效率 学生姓名 年级 日期
一、热机
1、定义：把内能转化为机械能的机器。
深化升华：热机的基本原理是燃料的化学能通过燃烧转化为内能，又通过做功把内能转化为机械能。热机的种类很多，这些热机在人类社会的工业化进程中起到了举足轻重的作用，而且在现代社会中还发挥着巨大作用。
2、种类：热机常见有蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。
3、内燃机
（1）分为汽油机和柴油机两大类。
（2）汽油机一个工作循环由四个冲程组成：________、________、________、________。其中，每完成一个工作循环，活塞往复两次，飞轮转动两周，只有做功冲程实现内能向机械能的转化。
要点提示：在四个冲程中，压缩冲程和做功冲程中发生了能量转化，压缩冲程中活塞运动的机械能转化为汽油和空气混合物的内能。做功冲程中，燃料燃烧把燃料的化学能转化为燃气的内能，然后通过做功把燃气的内能转化为活塞的机械能。
（3）汽油机与柴油机的异同点
同：都属于内燃机，一个工作循环都是由四个冲程组成：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程
异：与汽油机相比，柴油机没有火花塞，在相应的地方有一个喷油嘴
汽油机在吸气冲程中有汽油和空气的混合物，柴油机在吸气冲程中只有空气。
汽油机靠火花塞点燃，柴油机没有点火系统，采用压燃式，故障少，易保养。
与汽油机相比，柴油机压缩比高，因此做功冲程比汽油机大，可输出功率大。爆发压力高，对发动机的零件强度要求高，导致柴油机笨重。
【例题1】、如图所示为内燃机工作的四个冲程示意图，其中表示压缩冲程的是（）（单选）
A、甲B、乙C、丙D、丁
【例题2】、用酒精灯给试管中的水加热，如图1所示，在软木塞被冲出试管口的过程中，下列说法正确的是（）（单选）
A.水蒸气对软木塞做功，水蒸气的内能增大
B.水蒸气的内能转化为软木塞的机械能
C.能量的转化形式与热机压缩冲程能量转化相同
D.软木塞的机械能守恒
二、热机的效率
（一）燃料的热值
1、定义：1千克的某种燃料完全燃烧而放出的热量。
2、物理意义：表示燃料燃烧时放热本领的物理量，燃烧相同质量的不同燃料，放出的热量是不同的，就是说，不同燃料在燃烧时放热的本领不同，物理学中用热值来表示燃料的这种特性。
3、单位：热值的单位是：焦/千克，读做焦每千克，用符号J/kg。如酒精的热值为：3.0×107J/kg，表示1kg酒精完全燃烧放出的热量是3.0×107J。
4、实质：燃料燃烧过程中，燃料储藏的化学能转化为内能。
深化升华：内能的主要来源是燃料，燃料燃烧时化学能转化为内能释放出来，不同燃料在燃烧过程中化学能转化为内能的本领大小不同，这就是燃料的一种性质，用燃料的热值来表示。同种燃料的热值相同，与燃料的质量大小、形状及放出热量的大小都没有关系。
5、热值是描述燃料性质的物理量，它反映的是1kg的某种燃料完全燃烧放出的热量。热值的单位为J/kg。
难点剖析：对于热值的理解应抓住三个关键词语：1kg、某种燃料、完全燃烧。
（1）“1kg”是指热值针对1kg的燃料而言，如果不是1kg的燃料，完全燃烧放出的热量值与热值不同。
（2）“某种燃料”是指热值与燃料的种类有关，确定了燃料才能确定热值，不同燃料的热值一般不同。由此可见热值反映了燃料的燃烧特性，热值大的1kg燃料完全燃烧放出的热量多。
（3）“完全燃烧”是由指燃料在燃烧时必须烧完、烧尽，只有1kg的燃料完全燃烧时放出的热值才是这种燃料的热值，通常情况下燃料往往不能完全燃烧，致使燃料燃烧放出的热量比用热值算出的结果小。
（二）、热机的效率
1、定义：热机工作时，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。
2、提高热机效率的途径：尽量减小各种热量损失；保持良好的润滑，尽量减小摩擦；尽可能使燃料充分燃烧等等。
3、热机造成的环境污染包括：燃料燃烧过程中会产生有害气体，燃料的不完全燃烧还会产生大量的粉尘、飞灰，这些都会污染大气，危害人体健康，影响植物正常生长，要减小污染可改进燃烧设备，采取集中供热，提高燃烧效率，减少有害气体的排放量，采用污染小的气体燃料，加装消烟除尘装置等。
要点提示：在利用燃料燃烧产生内能时，主要存在两大问题：一是提高效率，尽可能增加可利用的能量，减少浪费，节约能源，是缓解能源危急的重要途径；二是减少有害气体的排放，减少污染，保护人类及所有生命的生存环境。
【例题3】、研究表明：生活垃圾的平均热值为6.27×l06J/kg。利用垃圾作为燃料建立发电厂，每燃烧1吨生活垃圾可以发电8.64×108J兴建一座规模为2台1.2×104kW发电机的垃圾处理发电厂，问：
（1）1t垃圾完全燃烧产生的热量是多少焦？（2）燃烧垃圾发电的效率是多少？
【例题4】小明学习了热学的有关知识后，知道水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），他想估算一下自己家每天烧水做饭需要的热量，于是小明仔细记录了他家每天烧水、煮饭、炒菜需要的时间，并把它折算成烧水时间，相当于每天将30kg20℃的水烧开。
（1）小明家每天烧水做饭需要多少热量？
（2）如果普通煤的热值为3×l07J/kg，从理论上讲小明家每天烧水做饭需要多少kg普通煤？
（3）小明家实际平均每天需要烧4块蜂窝煤，按每块蜂窝煤含煤0.5kg算，他家每天实际用煤2kg，由此小明计算出他家煤炉的效率只有16.5%。你认为小明家煤炉效率低的原因是什么？
三、能量转化和守恒
（一）能量的转化
（1）每一种运动形式都可以用一种形式的能来量度，如机械能、内能、化学能、电能，能量的单位都是焦耳；
（2）各种运动形式可以在一定条件下互相转化，而运动形式的转化过程必然伴随着能量的转化和守恒；
（3）能量也可以以同种形式从一个物体转移到另一个物体，热传递过程实质上就是内能从一个物体转移到另一个物体的过程.转移能量的多少用热量来度量；
辨析比较：在能量守恒中，“转化”和“转移”是有区别的，“转化”是指一种形式的能量在一定条件下转化为另一种形式的能量，“转移”是指一种能量在一定条件下从一个物体转移到另一个物体，而能的形式没有变化。
（二）能量守恒定律
1、内容：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另一个物体，而在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律
难点剖析：定律的内容分为两部分：第一部分指出能是可以“转移”或“转化”的，“转移”指同一种形式的能可以从一个物体转移到另一个物体上；“转化”指能从一种形式转化为另一种形式；第二部分是能的“守恒”，明确指出在能的转移或转化过程中，能既不会创生、也不会消灭，能的总量保持不变。
在各种能量发生转化和转移的事例中，能量都是守恒的，例如：
（1）在热机中，利用内能做功的过程就是内能转化为其他形式能量的过程，消耗多少内能，就会产生多少其他形式的能量，能的总量是守恒的；
（2）在摩擦生热现象中，机械能转化为内能，消耗多少机械能，就产生多少内能，能的总量是守恒的；
（3）在燃料燃烧的过程中，化学能转化为内能，消耗多少燃料中蕴含的化学能，就会产生多少内能，能的总量是守恒的；
（4）在热传递过程中，是内能由高温物体转移到低温物体的过程，例如，一杯热水与一杯冷水混合，热水减少多少内能，冷水就增加多少内能，能的总量是守恒的；
（5）电动机工作时，电能转化为机械能和内能（因为电动机转动的同时还要发热），消耗多少电能，就会产生多少机械能和内能，能的总量是守恒的；
（6）用电炉加热物体，电能转化为内能，消耗多少电能，就产生多少内能，能的总量是守恒的。
深化升华：自然界中所有的变化，不管是大到天体、小到原子核内部，也不管是物理学的（比如物态变化），还是化学的（比如物质发生化学反应）、生物学的（比如动物的呼吸）、地理学的（比如火山爆发）、天文学（比如星球的运动）的问题，都存在能量的转化或转移，而且在转化与转移的过程中，能的总量是守恒的。所以说能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。
2、意义：由做功和热传递的等效作用说明，机械能之间是可以转化的.其实自然界里，能量和转化是普遍的，都是通过做功这种形式来完成。自然界为什么形形色色，为什么这样奇妙丰富，都离不开能量的转化，地球从太阳那里获得光能，出现了风、水的流动，繁茂的植物和多种多样的动物，人类的活动，机器轰鸣，家电的使用，哪一样都离不开能的转化，可以说离开了能量的转化，就不再成为世界，可见能的转化是普遍的。
【例题5】在学习了内能及能量的转化和守恒后，同学们在一起梳理知识时交流了以下想法，你认为其中不正确的是（）（单选）
A.做功可以改变物体的内能B.热传递改变物体内能是不同形式的能量的相互转化
C.在一定条件下各种形式的能量都可以相互转化
D.能量的转移和转化的过程中总会有损耗，但能量的总量保持不变
【例题6】下列说法中错误的是（）（单选）
A、能量守恒定律只适用于物体内能的变化
B、只要有能的转化和转移，就一定遵守能量守恒定律
C、能的转化和守恒定律是人们认识自然和利用自然的重要理论依据
D、任何一种形式的能在转化为其他形式的能的过程中，消耗多少某种形式的能量，就能得到多少其他形式的能量，而能的总量是保持不变的
基础练习
1、燃料燃烧的过程中，储存在燃料中的_________能转化为________能释放出来，木炭的热值是3.4×107J/kg，表示__________________________________________；若完全燃烧0.5kg木炭，则放出____________热量。
2、在汽油机工作的四个冲程中，将机械能转化为内能的是________冲程，将内能转化为机械能的是________冲程。
3、如图所示：在大玻璃瓶内有一些水，往瓶内不断打气，过一会你会看到的现象是______________________，出现这种现象的原因是________________________。
4、在内燃机工作的四个冲程中，机械能转化为内能的是（）
A、吸气冲程B、压缩冲程C、做功冲程D、排气冲程
5、关于燃料的热值，下列说法中正确的是（）
A、某种燃料燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值
B、甲燃料完全燃烧放出的热量比乙燃料完全燃烧放出的热量多，则甲燃料的热值一定比乙燃料的热值大
C、燃料的热值越大，则燃料燃烧时放出的热量越多
D、烟煤的热值是2.9×107J/kg，则完全燃烧1kg的烟煤能放出2.9×107J的热量
6、两台汽油机，甲的效率为35%，乙的效率为25%，这两个数据表示（）
A、甲机做的功比乙机多B、甲机的功率比乙机的大
C、在相同时间内甲机燃烧的汽油比乙机的多
D、在消耗相同汽油时，甲机做的有用功比乙机的多
7、把一瓶酒精倒去一半，则剩下的酒精（）
A、比热容和热值均变为原来的一半B、比热容变为原来的一半，热值不变
C、热值变为原来的一半，比热容不变D、比热容和热值均不变
8、下列关于热机和环境保护的说法中正确的是（）
A、热机的大量使用会造成环境污染B、所有的热机都是用汽油作燃料
C、汽车排出的尾气都是有毒气体D、热机所产生的噪声，可以被热机上的消声器完全消除
9、某拖拉机的效率为34%，某汽车的效率为29%，这说明了（）
A、拖拉机比汽车的功率大B、拖拉机比汽车做的有用功多
C、使用拖拉机比使用汽车做功多D、燃烧相同的燃料，拖拉机将内能转化为机械能比汽车多
10、关于四冲程汽油机的工作过程有以下几种说法：①在做功冲程中，是机械能转化为内能；②在做功冲程中，是内能转化为机械能；③只有做功冲程是燃气对外做功；④汽油机在一个工作循环中，只有一个冲程发生能量变化。以上说法中正确的是（）
A、只有②③B、只有①③C、只有②④D、只有②③④
11、一箱汽油用掉一半后，关于它的说法下列正确的是（）
A、它的密度变为原来的一半B、它的比热容变为原来的一半
C、它的热值变为原来的一半D、它的质量变为原来的一半
12、小星家的太阳能热水器，水箱容积是200L．小星进行了一次观察活动：某天早上，他用温度计测得自来水的温度为20℃，然后给热水器水箱送满水，中午时“温度传感器”显示水箱中的水温为45℃．请你求解下列问题：
（1）水箱中水的质量；（2）水吸收的热量【c水=4.2×103J／(kg·℃)】
（3）如果水吸收的这些热量，由燃烧煤气来提供，而煤气灶的效率为40％，求至少需要燃烧多少煤气（煤气的热值为q=4.2×107J／kg）
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