資源簡介

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12.4 熱機與社會發展
第十二章 內能與熱機
知識點
熱機
知1－講
1
1. 定義
熱機是將燃料燃燒產生的高溫、高壓燃氣的內能轉化為機械能的裝置。
2. 熱機工作原理
知1－講
3. 常見的熱機
蒸汽機、內燃機、汽輪機、噴氣發動機、火箭發動機。
知1－講
知識關聯
內燃機是燃料直接在發動機氣缸內燃燒產生動力的熱機，常見的內燃機有汽油機和柴油機。
知1－練
例 1
如圖1所示，取一只透明膠卷盒，底部鉆一小孔，剛好能將電子式火花發生器的放電針管緊緊地塞進孔中，打開塑料盒蓋，向盒中滴入數滴酒精，再將盒蓋蓋緊，然后按動電火花發生器的按鈕。
解題秘方：從能量轉化的角度分析熱機的原理。
知1－練
解析：打開塑料盒蓋，向盒中滴入數滴酒精，再將盒蓋 蓋緊，然后按動電火花發生器的按鈕，觀察到的現象是塑料盒蓋飛出去。
(1)實驗中，你將觀察到的現象是__________________。
塑料盒蓋飛出去了
知1－練
解析：酒精燃燒后產生的燃氣對外做功，燃氣的內能減少，轉化為盒蓋的機械能。
(2)在此過程中，酒精燃燒后的燃氣對外做功，燃氣的_______能減少，轉化為盒蓋的_______能。
內
機械
知1－練
1. [中考·無錫] 如圖所示，在試管里裝入一些水，用軟木塞塞住試管口，將試管放在酒精燈上加熱使水沸騰，水蒸氣會把軟木塞沖開，在這一過程中，水蒸氣膨脹對軟木塞______，水蒸氣的一部分______能轉化為
軟木塞的______能，利用這一原理，可以
制成熱機。
做功
內
機械
知2－講
知識點
汽油機
2
1. 定義 用汽油做燃料，使汽油在氣缸內燃燒，從而將內能轉化為機械能的一種熱機。
2. 結構 進氣門、排氣門、火花塞、氣缸、活塞、連桿、曲軸、飛輪等。
知2－講
模型圖 主要部件 作用
氣缸 汽油燃燒的場所
活塞 被高溫、高壓燃氣推動，把內能轉化為機械能
連桿和 曲軸 連桿跟活塞相連 ,曲軸通過傳動裝置(圖中未畫出)跟工作機相連，將活塞的動力傳給工作機
火花塞 產生電火花使燃料混合物猛烈燃燒
知2－講
3. 汽油機工作的四個沖程
吸氣沖程 壓縮沖程 做功沖程 排氣沖程
圖示
知2－講
續表：
吸氣沖程 壓縮沖程 做功沖程 排氣沖程
氣門開閉 進氣門打開 排氣門關閉 進氣門關閉 排氣門關閉 進氣門關閉 排氣門關閉 進氣門關閉
排氣門打開
活塞 向下運動 向上運動 向下運動 向上運動
知2－講
續表：
吸氣沖程 壓縮沖程 做功沖程 排氣沖程
主要過程 吸入汽油和空氣的混合氣體 壓縮混合 氣體 火花塞點火形成高溫高壓氣體，推動活塞向下運動 排出廢氣
能量轉換 無 機械能→內能 內能→機械能 無
知2－講
總結：
①汽油機在開始工作時，要靠外力先使曲軸、連桿轉動起來，由曲軸通過連桿帶動活塞運動以后，汽油機才能連續工作；
②在汽油機的一個工作循環中，包含4個沖程，活塞往復運動 2 次，曲軸轉動2圈，對外做功1次。
知2－講
釋疑解難
1. 熱機啟動的動力：先靠外力使飛輪和曲軸轉動起來，然后帶動活塞運動。
2. 活塞向上運動的動力：如圖2，在做功沖程中，氣體迅速膨脹，推動活塞向下運動，并通過連桿
推動曲軸旋轉，從而帶動飛輪旋轉。飛輪
旋轉的慣性，會反過來帶動曲軸旋轉，實
現活塞的上下移動。
知2－講
方法解讀
運用對比法識別沖程：
(1)區分吸氣沖程與排氣沖程：只需看打開哪個氣門。
(2)識別做功沖程與壓縮沖程：在確定兩個氣門都關閉的前提下，只需看活塞的運動情況，活塞向上運動為壓縮沖程，活塞向下運動為做功沖程。
知2－練
[中考·綏化] 如圖是四沖程汽油機的工作示意圖。從能量轉化的角度看，機械能轉化為內能的沖程是(　　)
例 2
知2－練
解題秘方：通過氣門的關閉情況和活塞的運動情況來判斷是哪一個沖程。
知2－練
答案：A
解析：圖A中的兩個氣門都關閉，活塞向上運動，所以為壓縮沖程，是機械能轉化為內能；圖B中的一個氣門打開，活塞向下運動，所以為吸氣沖程；圖C中的一個氣門打開，活塞向上運動，所以為排氣沖程；圖D中的兩個氣門都關閉，活塞向下運動，所以為做功沖程，是內能轉化為機械能。
知2－練
2. [中考·玉林]如圖所示是一臺四沖程汽油機的______ (填“壓縮 ”或“做功”)沖程，這個沖程是通過______(填“做功”或“熱傳遞”)的方式改變氣缸內氣體的內能。
壓縮
做功
知3－講
知識點
柴油機
3
1. 主要結構 進氣門、排氣門、噴油嘴、氣缸、活塞、連桿、曲軸、飛輪等。
知3－講
2. 利用對比法分析柴油機和汽油機的不同點
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
知3－講
續表：
機種 項目 汽油機 柴油機
工 作 過 程 吸氣 沖程 吸進汽油和空氣的混合物 吸進空氣
壓縮 沖程 混合物被壓縮后，壓強達 6~15 atm， 溫度達250~300 ℃ 空氣被壓縮后，壓強達 35~45 atm，溫度達 500~700 ℃
做功 沖程 火花塞點火，燃料燃燒，即點燃式 噴油嘴噴出霧狀柴油，遇高溫空氣燃燒，即壓燃式
知3－講
續表：
機種 項目 汽油機 柴油機
用途 輕巧、體積小，常用于汽車、輕型飛機等 笨重、功率大，主要用于載重汽車、輪船、坦克、帶動發電機發電等
知3－講
深度理解
汽油機和柴油機的辨析：
和汽油機相比，柴油機的壓縮沖程更充分，壓縮沖程末氣缸內的壓強更大，溫度更高，已超過了柴油的著火點，此時噴油嘴噴出霧狀柴油，燃料燃燒更充分，通過做功獲得的動力更大。
知3－練
汽油機和柴油機的主要不同是( )
A. 在構造上汽油機氣缸頂部有噴油嘴，而柴油機的氣缸頂部有火花塞
B. 在吸氣沖程中汽油機吸入氣缸的是汽油，柴油機吸入氣缸的是柴油
C. 汽油機采用的是點燃式點火，而柴油機采用的是壓燃式 點火
D. 在壓縮沖程中汽油機氣缸里的溫度和壓強比柴油機里的高
例 3
知3－練
解題秘方：用對比法區別兩種內燃機，要能找出兩種內燃機的主要不同點。
解析：汽油機氣缸頂部是一個火花塞，而柴油機氣缸頂部是一個噴油嘴，這是汽油機和柴油機在構造上的區別。此外，汽油機和柴油機吸氣沖程時吸入的工作物質、壓縮沖程時的壓縮程度及點火方式都有所不同。
答案：C
知3－練
3. 下列關于汽油機與柴油機的說法錯誤的是(　　)
A. 汽油機和柴油機都屬于內燃機
B. 汽油機適用于小型汽車，柴油機適用于載重汽車
C. 柴油機與汽油機除使用的燃料不同外，在構造上完全相同
D. 在壓縮沖程中，柴油機氣缸內氣體被壓縮程度更大
C
知4－講
知識點
熱機的效率
4
1. 定義
熱機工作時 , 用來做有用功的能量與燃料完全燃燒放出的能量之比 , 叫做熱機的效率。
2. 公式
知4－講
3. 提高熱機效率的途徑
(1)改善燃燒條件，使燃料盡可能充分燃燒。
(2)減少熱機工作過程中與外界的熱傳遞損失。
(3)簡化機械傳動部分，選用優良的潤滑材料減小機械摩擦，以減少能量損失。
知4－講
4. 常見熱機的效率
知4－講
釋疑解難
利用公式理解減少能量損失可以提高熱機效率：
η＝＝＝1－。
知4－講
易錯提醒
1. 熱機效率是一個比值，與功率大小、消耗燃料多少、轉速快慢等因素無關。
2. 熱機的效率越高意味著消耗相同質量的燃料輸出的有用功越多。
知4－練
[淮安期末] 無人駕駛汽車是一種智能汽車，也可稱之為輪式移動機器人，主要依靠車內以計算機系統為主的智能駕駛儀來實現無人駕駛。如圖5所示為某款無人駕駛汽車，該車以72 km/h 的速度在一段平直的公路上勻速行駛了8 km，消耗汽油1.2 kg。假設汽油完全燃燒，汽油機的效率為30%，
那么，在這段運動過程中，求：
(汽油的熱值為4.5×107 J/kg)
例 4
知4－練
解題秘方：掌握和熟練運用燃料完全燃 燒的放熱公式Q放＝qm、熱機效率公式η＝×100%和功率的公式 P＝是解答本題的關鍵。
知4－練
(1)1.2 kg 汽油完全燃燒產生的熱量。
解：消耗的汽油完全燃燒放出的熱量Q放＝qm＝4.5×
107 J/kg×1.2 kg＝5.4×107 J。
知4－練
(2)該汽車所受的阻力。
解：該汽車發動機做的有用功W＝Q放η＝5.4×107 J× 30%＝1.62×107 J，汽 車行駛的速度v＝72 km/h＝ 20 m/s，行駛的路程 s＝8 km＝8 000 m ，則行駛的時間 t＝＝＝400 s ，
知4－練
該汽車的輸出功率P＝＝＝4.05×104 W，汽車所受的牽引力 F＝＝＝2.025×103 N，汽 車做勻速直線運動，汽車所受的阻力與牽引力是一對平衡力，則汽車所受的阻力 f＝F＝2.025×103 N。
知4－練
4. [中考·南充] 某單缸四沖程汽油機，飛輪每分鐘轉 3 000 轉，則每秒對外做功 _______次， 每次對外做功 115 J，該汽油機的效率為 25%，連續工作 1 h 需消耗汽油_______kg。(q汽油＝4.6×107 J/kg)
25
0.9
知5－講
知識點
熱機與環境
5
現代熱機的出現，極大地改進了人類的工作方式和生活條件。但是，所有熱機工作時都要排放廢氣。熱機排岀的廢氣不僅溫度高于環境溫度，而且還含有一氧化碳、二氧化氮、微粒等各種對人體有害的物質，對環境造成污染，影響人們的身體健康和動植物的生存。
減少熱機排放出的有害物質，控制廢氣的排放總量，已成為熱機發展與環境保護的重要舉措。
知5－講
深度理解
在熱機的能量損失中，廢氣帶走的能量最多，所以設法利用廢氣的能量是提高燃料利用率的重要措施之一。
知5－練
[中考·衡陽] 汽車的發動機大多數是內燃機，內燃機是熱機的一種，下列關于熱機和環境保護的說法，正確的是(　　)
A. 熱機排出的尾氣沒有內能
B. 熱機的效率能達到100%
C. 熱機的大量使用會造成環境污染
D. 汽油機的做功沖程是將機械能轉化成內能
例 5
知5－練
解題秘方：熱機工作時，排放的尾氣中有一氧化碳、二氧化氮、微粒等，會形成酸雨，危害植物，污染環境。
知5－練
解析：熱機工作時，排出的尾氣帶走了大部分內能，故 A 錯誤；熱機工作時由于要克服機械間的摩擦做額外功，同時也存在熱散失，并且廢氣帶走大部分能量，所以熱機的效率很低，不能達到100%，故 B 錯 誤；熱機工作時，燃料燃燒放出的廢氣會造成環境污染，所以熱機的大量使用會造成環境污染，故 C 正確；汽油機的做功沖程中高溫高壓燃氣推動活塞做功，將內能轉化為機械能，故 D 錯誤。
答案：C
知5－練
5. 下列關于熱機和環境保護的說法中正確的是(　　)
A. 所有的熱機都是用汽油作為燃料
B. 汽車排出的尾氣都是有毒氣體
C. 使燃料燃燒更充分可以提高熱機效率
D. 熱機所產生的噪聲，可以被消聲器完全消除
C
熱機與社會發展
熱機
熱機效率
其他熱機
內燃機
柴油機
汽油機
結構
工作原理、過程

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