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第十三章 內能與熱機
一、內能基礎
知識回顧：
動能：物體由于運動所具有的能量。動能大小與物體質量和運動速度大小有關；
重力勢能：物體由于被舉高所具有的能量。與物體質量和被舉高度有關；
彈性勢能：物體由于發生彈性形變所具有的能量。與材料性質和彈性形變程度有關。
總結：動能的產生的原因是物體的機械運動；
勢能的產生與力和相對位置變化有關。
1、內能的相關概念
（1）分子動能
分子由于熱運動所具有的能量叫做分子動能。
理解：①分子動能是專有名詞，表示分子熱運動的動能，不可以寫成分子的動能；
②分子熱運動的動能大小與分子種類和溫度有關。
（2）分子勢能
分子由于分子之間作用力所具有的能量叫做分子勢能。
理解：①分子之間的作用力與彈簧彈力類似，所以分子會具有分子勢能；
②分子勢能大小與分子種類、分子間距離變化（物態變化）有關。
（3）內能
構成物質的所有分子，其熱運動的動能與分子勢能的總和，叫做物體的內能。
（4）內能的影響因素
①物體質量：在其他條件相同情況下，物體質量越大，內能越大。（質量決定分子個數）
②溫度：在其他條件相同情況下，物體溫度越高，內能越大。（溫度影響分子熱運動）
③物質狀態：在其他條件相同情況下，物質狀態不同，內能也不同。（物質狀態改變時一定要吸放熱）
④物質種類：在其他條件相同情況下，物質種類不同，內能也不同，無法比較大小。（物質種類不同，分子也不同）
（5）特點
①內能是能量的一種形式。可以光能、機械能、電能之間互相轉化。
②一切物體，任何情況下都具有內能。（內能不可以為零）
③內能與物體的機械運動、物體的位置高低無關。
2、改變內能的方式
做功與熱傳遞在改變內能效果上是等效的。
（1）做功
①實質：不同能量之間的轉化。
②在其他條件不變的情況下，物體對外做功則物體內能減小，外界對物體做功則物體內能增加。
③典例：
壓縮氣體——氣體內能增加（機械能轉化為內能）
氣體膨脹對外做功——內能減小（內能轉化為機械能）
摩擦、鍛打、彎折——內能增加（機械能轉化為內能）
通電發熱——內能增加（電能轉化為內能）
（2）熱傳遞
①實質：不同物體或同一物體不同部分之間內能的轉移。發生熱傳遞時，溫度低的物體內能增大，溫度高的物體內能減小。
②前提：熱傳遞的前提條件是存在溫度差。內能一定是從溫度高的物體傳遞給溫度低的物體。溫度相同則不會發生熱傳遞。（不是從內能大的物體傳給內能小的物體）
③分類
a.傳導：暖寶寶暖手、冬天摸鐵窗感覺很冷、淬火
b.對流：冷熱水混合變成溫水、冷熱空氣對流（空調）
c.輻射：曬太陽、烤火、微波爐
④熱量：在熱傳遞過程中，內能的改變量叫做熱量。
3、溫度、內能、熱量、熱辨析
（1）熱量、內能的單位都是焦耳。區別在于，內能是能量的一種形式，是狀態量；熱量表示內能的改變，對應熱傳遞的過程，是過程量。
常見語言表述方式：物體“具有內能……”、物體“吸收/放出熱量……”、不可以說“具有……熱量”
（2）溫度，是狀態量，描述物體冷熱程度，不能傳遞。
（3）“熱”，有時候表示“熱量”，例如：吸熱、放熱、
有時候表示“溫度”，例如：夏天天氣很熱、
有時候表示“內能”，例如：摩擦生熱
4、常見辨析
語言表述 解釋
①熱傳遞過程中，熱量有可能從內能大的物體轉移到內能小的物體。熱量一定是從溫度高的物體傳遞給溫度低的物體 熱傳遞，熱量傳遞方向，只看溫度高低，不看內能大小。熱量一定是從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體。 由于決定內能大小因素較多：溫度、質量、狀態、物質種類。所以，溫度高的物體，有可能內能較小（比如質量特別小）
②做功與熱傳遞在改變內能效果上是一致的 做功和熱傳遞都可以使得物體內能改變。當物體內能發生改變時，有可能是做功造成的，有可能是熱傳遞造成的。
③物體內能增加，溫度不一定升高； 物體內能減小，溫度不一定降低。 例如，冰熔化過程中，吸收熱量，內能增大，溫度不變； 水凝固過程中，放出熱量，內能減小，溫度不變。 （分子動能不變，分子勢能發生改變）
④溫度高的物體，內能不一定大； 溫度低的物體，內能不一定小。 意識是不同的物體進行對比。一般來說，在其他條件相同的情況下，溫度高，內能大。但是物體內能大小是由溫度、質量、狀態等多個因素綜合決定的。溫度高的物體，沒有說明其他條件情況，如果質量特別小，也有可能會導致內能小。
⑤物體溫度升高，內能一定增大； 物體溫度降低，內能一定減小。 意識是同一個物體，在溫度發生變化前后兩個狀態進行對比。同一個物體，除了溫度變化，其他影響內能的因素（質量、狀態……）都相同，則溫度升高，內能一定增大，溫度降低，內能一定減小。
⑥物體內能增大，不一定是吸收了熱量； 物體內能減小，不一定是放出了熱量。 物體內能發生改變，不一定由于發生了熱傳遞，有可能是做功。
⑦物體對外做功，內能不一定減小 對外做功的同時可能在吸收熱量
⑧物體吸收熱量，內能不一定增大 吸收熱量的同時可能會對外做功
二、比熱容
1、探究物質吸熱能力實驗
（1）實驗方法
①控制變量法：液體質量和加熱器規格都完全相同。
加熱器規格相同 相同時間放出的熱量相同 相同時間內兩種物質吸收的熱量相同。
②轉換法：加熱相同時間，升高的溫度越多，吸熱能力越弱；
升高相同的溫度，加熱時間越長，吸熱能力越強。
（2）實驗結論：
水的吸熱能力比煤油吸熱能力強。
2、比熱容基本概念
（1）定義
一定質量的某種物質，在溫度升高時吸收的熱量與他的質量和升高溫度乘積之比，叫做這種物質的比熱容。
符號c
注意：①比熱容是物質的特性，不同的物質比熱容一般不同。
②比熱容與物質的狀態有關。
（即比熱容與物質的種類和物質狀態有關）
（2）公式
單位J/(kg·℃) 讀作：焦每千克攝氏度
（其中表示“變化量”，表示過程中溫度的變化量）
常見物質的比熱容
（3）物理意義
表示物質的吸熱能力，比熱容大表示物質的吸熱能力強。
1kg的某種物質，溫度每升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量。
例表示1kg的水溫度每升高1℃要吸收的熱量。（注意此處的單位是焦耳）
3、比熱容的計算
（1）簡單計算
在平時的計算中，物質的比熱容一般是已知量，要求我們通過物質的比熱容去求吸收（放出）的熱量、升高（降低）的溫度、初溫（末溫）或者物質的質量。
公式變形如下：
吸熱時 （）
放熱時 （） 計算時保證是正值即可
根據可求初溫或者末溫。在求液體溫度時要注意液體是否達到沸點。
求質量
（2）熱平衡方程
兩個物體在熱傳遞過程中如果不計熱量損失
并且最終兩物體溫度相等。
4、比熱容的應用和現象
（1）熱水袋
由于水具有很大的比熱容，所以是良好的儲熱媒介。
與此類似的還有中國北方的暖氣管道中用熱水作為媒介。
（2）海陸風
由于海面與陸地比熱容不同，
白天在相同光照情況下陸地溫度高，海面溫度低；
夜晚散熱時海面溫度降低較少，陸地溫度降低較多。
城市熱島效應也會受到比熱容影響。
（3）沙漠地區溫差大
沙漠地區比熱容小，白天有陽光照射溫度高，夜晚散熱溫度低。
（早穿皮襖午穿紗，圍著火爐吃西瓜）
（4）制冷劑
常利用水給熱機散熱降溫。
內能的利用
一、內燃機
1、基本概念
（1）定義
利用內能做功的機械叫做熱機。
（2）原理
燃料燃燒釋放化學能產生高溫高壓氣體，推動活塞對外做功轉化成機械能。
能量轉化過程：
（3）內燃機
熱機的種類有很多，例如蒸汽機、內燃機、汽輪機、噴氣式發動機等。其中燃料直接在發動機氣缸內燃燒產生動力的熱機，叫做內燃機。
2、汽油機
（1）結構
進氣門：通過進氣門吸入汽油與空氣混合物
排氣門：通過排氣門排出廢氣
氣缸：燃料燃燒的場所
火花塞：產生火花
活塞：可由高壓氣體推動或者連桿帶動上下往復運動
連桿：連接曲軸與活塞
曲軸：汽油機通過曲軸與外部機械連接實現機械能的傳遞
（2）工作循環
沖程：活塞從氣缸的一端運動到另一端的過程。一個沖程對應曲軸轉動半圈。
為了使內燃機連續工作，活塞必須在氣缸內循環往復運動。根據活塞的運動特點及作用不同，將沖程分為四種。
①吸氣沖程：進氣門開，排氣門關。活塞依靠慣性往下運動，吸入汽油與空氣的混合物。
②壓縮沖程：進氣門關，排氣門關。活塞依靠慣性往上運動，壓縮內部氣體，對氣體做功，使氣體溫度升高。
③做功沖程：進氣門關，排氣門關。在壓縮沖程末，做功沖程初火花塞點火，內部氣體燃燒產生高溫高壓氣體。高溫高壓氣體對活塞做功，使往下運動，進而實現對外做功。
④排氣沖程：進氣門關，排氣門開。活塞依靠慣性往上運動，排出內部高溫氣體。（然后進入吸氣沖程）
（3）比例關系
1個工作循環由4個沖程組成，曲軸要轉2圈，對外做功1次
3、柴油機與汽油機的異同
在記憶柴油機與汽油機區別時，注意從結構特點出發進行記憶。
例：火花塞（點火）→點燃式→吸入空氣汽油混合物
噴油嘴（不點火）→壓燃式→只吸入空氣
機種 項目 汽油機 柴油機
構造 氣缸頂部有火花塞 氣缸頂部有噴油嘴
燃料 汽油 柴油
點燃方式 點燃式 壓燃式
工作過程 吸氣沖程 吸入汽油與空氣的混合物 只吸入空氣
壓縮沖程 燃料被壓縮后，缸內壓強較高 空氣被壓縮后，缸內壓強很高
做功沖程 壓縮沖程末火花塞點火 壓縮沖程末噴油嘴噴出霧狀柴油
效率 20%—30% 30%—45%
用途 輕巧、體積小，常用于小型汽車、飛機和小型農業器械 笨重、經濟、功率大，主要用于載重汽車、輪船、坦克
二、熱值與熱機的效率
1、熱值
（1）定義
某種燃料完全燃燒放出熱量與質量之比。符號q
注意：熱值是燃料的特性，不同的燃料熱值一般不同。熱值與燃料是否完全燃燒無關。
（2）公式
（或） 單位：（或）
常見燃料的熱值
（3）物理意義
表示燃料的放熱能力。
單位質量的某種燃料完全燃燒釋放的熱量。
例：表示1kg的煤完全燃燒釋放的熱量為。（注意：單位為焦耳）
（4）計算
在今后的計算中，熱值一般為已知量，需要通過公式求解放出的熱量或者燃料的質量。往往與比熱容結合考查。
求放出熱量：
求燃料質量：
2、效率
（1）概念
對于熱機而言，燃料釋放的熱量只有一部分用來做有用功，還有相當一部分能量散失了。用來做有用功的那部分能量，與燃料完全燃燒放出的能量之比。通常用百分數表示，符號。
（2）表達式
或
由于在熱機工作過程中一定伴隨著化學能轉化為其他形式的能量，也就是說化學能不能完全轉化為有用機械能，所以
在很多題型中，往往通過比熱容計算，用熱值計算。
（3）提高熱機效率的方法
①使燃料盡可能完全燃燒 ②減少熱量的損失
③減少機械摩擦（增加潤滑） ④廢氣利用
2

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