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第十二章 機械能和內能
第4節 機械能與內能的相互轉化
除了熱傳遞外，還有什么途徑可以改變物體的內能？
冬天手冷時搓手
從滑梯上滑下，褲子會？
思考
快速彎折鐵絲
為什么它們會發熱呢？
力在做功
是發生了熱傳遞嗎？
觀察實驗
① 描述實驗現象
② 實驗中硝化棉的作用是什么？
③ 實驗中誰對誰做功？
空氣壓縮引火儀
觀察思考
硝化棉花
【實驗現象】
空氣
被壓縮
空氣溫度升高
（內能增大）
熱傳遞
對物體做功，可以使物體的內能會增大；
做功是改變物體內能的另一方式
研究對象是___________________。
放入棉花的目的是____________________________。
空氣，而不是硝化棉
利用轉換法顯示空氣溫度升高
空氣壓縮引火儀
棉花燃燒了
【原理分析】
棉花點燃
人通過活塞對空氣
施加壓力做功
【實驗結論】
【能量轉化】
活塞的 轉化為
物體的 。
機械能
內能
觀察實驗
①描述觀察到的實驗現象，此現象形成的原因是什么？
②瓶內放水的作用？
③實驗中誰對誰做功？
觀察思考
觀察思考
【實驗現象】
物體對外做功，物體的內能會減小
研究對象是___________________。
放入水的目的是____________________________________。
空氣(包括水蒸氣)
利用轉換法顯示空氣內能（溫度）變化
木塞被頂飛，瓶內出現水霧
【原理分析】
對木塞做功
【實驗結論】
水霧
瓶內空氣溫度降低
內能減小
水蒸氣液化
木塞被頂飛
空氣
【能量轉化】
空氣的 轉化為
物體的 。
內能
機械能
對物體做功，內能增加，溫度升高。
物體對外做功，內能減少，溫度降低。
結論
總結
做功改變內能的本質：
機械能與內能的相互轉化
【能量變化】
如圖所示，在試管里裝入一些水，用軟木塞塞住，加熱使水沸騰，水蒸氣會把軟木塞沖開。在這一過程中，水蒸氣膨脹時對軟木塞 ，消耗了水蒸氣的一部分 能，轉化為軟木塞的 能。
做功
機械
內
典型例題
流星雨的產生是流星體與地球大氣層相摩擦的結果
機械能 內能
打氣時，筒壁發燙
機械能 內能
蒸汽機
內能 機械能
熱傳遞（熱量：傳遞內能的多少）
做功
改變物體
內能的方法
①外界對物體做功，內能增加
②物體對外界做功，內能減小
實質：內能的轉移
實質：其它形式的能和內能的相互轉化
總結
如圖，在透明塑料盒的底部鉆一個孔，把電火花發生器的放電管緊緊塞進孔中，打開塑料盒蓋，向盒中滴入幾滴酒精,再將盒蓋蓋緊，然后按動電火花發生器的按鈕。
在上述活動中，酒精燃燒產生的高溫燃氣對外做功，燃氣的內能轉化為機械能。根據這一原理，可以制造出將內能轉化為機械能的機器。
你觀察到什么現象？？
我們利用這個原理制成了熱機
觀察與思考
盒蓋被頂飛
【原理分析】
熱機是熱力發動機的簡稱。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。
汽油機
柴油機
熱機
蒸汽機
內燃機
燃氣輪機
噴氣發動機
…
汽油機的工作過程
沖程：
活塞從汽缸的一端運動到另一端的過程
活塞往復一次，完成兩個沖程
汽油機
【工作原理】
利用汽缸內燃燒的汽油產生高溫、高壓的燃氣推動活塞做功
實物透視圖
模型圖
【構造】
汽缸
進氣口
排氣口
火花塞
曲軸
連桿
活塞
①吸氣沖程：
進氣門____，排氣門____，
活塞向___運動，__________的混合物進入氣缸。
曲軸轉____周。
打開
關閉
下
汽油和空氣
半
汽油機的工作原理
②壓縮沖程：
進氣門和排氣門_______，
活塞向__運動，燃料混合物被____。
內能變___
能量轉化：______________
都關閉
上
壓縮
曲軸轉____周。
半
機械能
內能
大
汽油機的工作原理
③做功沖程：
在壓縮沖程結束時，火花塞產生電火花，使燃料猛烈燃燒產生高溫高壓的氣體。
高溫高壓的氣體推動活塞向___運動，帶動曲軸轉動，對外_____。
下
做功
內能
機械能
能量轉化：______________
汽油機的工作原理
曲軸轉____周
④排氣沖程：
進氣門_____，排氣門_____，
活塞向____運動，
把______排出氣缸
廢氣
上
打開
關閉
半
汽油機的工作原理
機械能轉化為內能
4個沖程
工作過程
吸氣沖程
壓縮沖程
做功沖程
排氣沖程
內能轉化為機械能
活塞往復2次
燃氣對外做1次功
曲軸旋轉2圈
做功沖程：
燃氣推動活塞做功
其余三個沖程：
靠飛輪的慣性來完成
(一個循環)
汽油機
一個循環
吸氣
壓縮
做功
排氣
開始
結束
循環
1. 壓縮沖程和做功沖程中的能量是怎樣轉化的？
壓縮沖程：機械能轉化為內能；
2. 汽油機的一個工作循環，活塞經歷___個沖程，曲軸旋轉___圈，活塞往復運動___次，燃氣對外做___次功。
2
4
2
1
3. 在汽油機的四沖程中，只有做功沖程是燃氣對外做功，那么其他3個沖程是靠什么完成的？
飛輪的慣性
鞏固練習
4.一臺單缸四沖程汽油機的飛輪轉速1200r/min，則汽油機每秒鐘內完成 個沖程，做功 次。
40
10
做功沖程：內能轉化為機械能
汽油機和柴油機的異同點比較
種類 汽油機 柴油機
相同點
不 同 點 構 造
燃 料
吸入氣體
點火方式
都是內燃機，一個工作循環都經歷四個沖程
火花塞
噴油嘴
汽油
柴油
汽油和空氣
空氣
點燃式
壓燃式
汽缸
進氣口
排氣口
曲軸
連桿
活塞
火花塞
汽油機
柴油機
柴油機比汽油機要笨重些，噪音大一些，
但柴油機的效率___，功率____?！?br/>高
大
隨堂小練21頁
通過燃料的燃燒，燃料內部的_____能轉化為____能
從能量轉化的角度分析：
化學
內
內能的獲得方式
內能的利用
燃燒放熱，直接向人們提供熱量，供人類取暖和加熱食物。
直接加熱物體
最常見獲得內能的方法是？
燃燒
燃燒
燃料可分為三類
你知道常見的燃料有哪些，它們分別屬于哪一類？
常見的燃料有煤、石油（加工煉制成汽油、煤油、柴油和液化氣等）、天燃氣等，農村還用草木等植物的秸桿作燃料。
固體燃料
氣體燃料
液體燃料
思考
根據你的經驗，相同質量的不同燃料，完全燃燒時放出的熱量是不是相同？
這說明了什么？
根據生活實驗發現：1kg的煤燃燒釋放出的熱量比1kg木柴燃燒放出的熱量 。
由此可見：質量相同的不同燃料在完全燃燒時所放出的熱量是不同的。
不同燃料燃燒時放熱本領是不同的。
思考
多
【提出問題】
【猜想假設】
如圖所示，用天平分別測出質量均為10g的酒精和碎紙片，將它們分別放入燃燒皿中，點燃后，分別給用兩個完全相同的燒杯裝質量相同的水加熱，待酒精和碎紙片完全燃燒后分別記錄水的溫度
探究燃料燃燒放熱的本領
【設計實驗】
如何比較等質量不同燃料完全燃燒放熱多少？
【進行實驗】
轉換法
將燃料釋放的熱量給物體吸熱升溫，觀察溫度變化
【數據表格】
探究燃料燃燒放熱的本領
【實驗結論】
相同質量的不同燃料，在完全燃燒時放出的熱量是不相等的。物理學中，用熱值表示燃料在完全燃燒時放熱本領的大小。
【方法】
【定義】
【單位】
J/kg
讀作：焦耳每千克
如何科學地比較不同燃料燃燒時放熱本領的強弱呢？
把所有燃料都取1kg，讓它們完全燃燒，比較它們放出的熱量的多少。
我們把某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質量之比叫做這種燃料的熱值(q)。
J/m3
讀作：焦耳每立方米
熱值
【公式】
q =
理論上
完全充分燃燒
觀察熱值表，你有什么收獲？
熱值是燃料的一種特性，其大小只與燃料的種類有關，與燃料的質量（體積）、是否燃燒、是否完全燃燒無關。
常見燃料的熱值
1kg汽油完全燃燒放出的熱量為4.6×107J
1m3煤氣完全燃燒放出的熱量為3.9×107J
氫與其他燃料相比，具有較大的熱值
①汽油熱值是4.6×107J/kg，物理意義是？
②煤氣熱值是3.9×107J/m3，物理意義是？
③為什么發射上天的火箭要用液態氫做燃料？
熱值
如圖，甲、乙、丙三圖中的裝置完全相同，燃料的質量都是10g，燒杯內的液體質量和初溫也相同。
(1)比較不同燃料熱值，應選擇 兩圖進行實驗，燃料完全燃燒放出的熱量，是通過________反映；
(2)比較不同物質吸熱升溫的特點：
①應選擇 兩圖進行實驗；
②不同物質吸熱的多少是通過 來反映的；
③ 關于該實驗的變量控制，下列要求中不正確的是： 。
A. 采用相同的加熱方法
B. 燒杯中分別裝入相同體積的物質
C. 使用相同的燒杯
④如果質量和初始溫度均相同的A、B兩種液體，吸熱后它們的溫度隨時間變化的圖象如圖所示，由圖可以看出，___液體的溫度升高得較快，___液體的比熱容較大。
⑤如果已知a液體的比熱容是1.8×103J/(kg ℃)，則b液體的比熱容是　 J/(kg ℃)。
甲乙
溫度計
示數變化
甲丙
加熱時間
B
a
b
3.6×103　
典型例題
我們已經知道：氫的熱值是1.4×108J/kg，物理意義是：
1kg氫完全燃燒時放出的熱量是1.4×108J。
10kg氫完全燃燒放出的熱量
= 10kg×1.4×108 J/kg
= 1.4×109J
Q放= mq
熱量的計算
注意：只有燃料完全燃燒時放出的熱量才能用Q放 = mq進行計算，不要與Q放 = cm(t0 t)混淆
氣體：
Q放 = Vq
已知無煙煤的熱值為3.4×107 J/kg，則10kg無煙煤完全燃燒放出多少熱量？
已知干木柴的熱值為1.2×107J/kg，則完全燃燒多少干木柴可獲得1.44×1012 J的熱量？
=3.4×107 J/kg× 10kg
=3.4×108J
解：需要干木柴
解：10kg無煙煤完全燃燒放出的熱量
Q放= qm
熱量的計算
用煤氣灶燒水時，煤氣能完全燃燒嗎？煤氣燃燒放出的熱量能全部被水吸收嗎？
燃料的內能
Q燃料
④燃料不能完全燃燒
① 散熱
②加熱煤氣灶壁
水吸收的熱量Q利用
③ 加熱水壺
熱機效率
燃料的利用率η =
100%
內燃機中能量損失：
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，叫做熱機的效率。
④燃料不能完全燃燒
有用機械能
W有用
燃料的
內能Q放
②克服機器的摩擦
①散熱
③廢氣帶走
熱機效率
η =
100%
蒸汽機的效率只有6%~15%
汽油機的效率為 20%~30%
柴油機的效率為30%~45%
常見熱機的效率
如何提高熱機的效率呢？
①改善燃燒環境，使燃料盡可能完全燃燒，提高燃料的燃燒效率?！　?br/>②盡量減小各種熱散失。　
③減小各部件間的摩擦以減小因克服摩擦做功而消耗的能量。　　
④充分利用廢氣帶走的能量，從而提高燃料的利用率?！　?br/>提高熱機效率的途徑
有用機械能
W有用
燃料的
內能Q放
③克服機器摩擦
②散熱
④廢氣帶走
①燃料不能完全燃燒
熱機的效率能達到100%嗎？為什么？
不能達到100%，因為熱機中可用于做有用功的能量只是燃料完全燃燒所放出的能量的一部分，因為各種熱量損失以及燃燒條件的限制，這部分能量遠遠小于總能量，所以其與燃料完全燃燒所放出的總能量的比值必然小于1，即熱機效率小于100%。
思考
化石燃料為人類發展做出了重大貢獻，但也帶來許多環境污染
化石燃料的燃燒與環境保護
煙塵
酸雨
1.化石燃料的燃燒
(1)化石燃料的燃燒產生一氧化碳、二氧化氮等氣體污染物和粉塵，污染空氣，產生酸雨，對人類的健康及動植物的正常生長等有影響。
(2)以化石燃料為燃料的汽油機和柴油機的廣泛使用，不僅會產生廢氣粉塵，還會產生噪聲污染，噪聲直接影響著人類的正常生活和心理健康。
化石燃料的燃燒與環境保護
2.我們要認識到環境污染的危害，提高環境保護的意識，加強對環境污染的控制，保護我們生存的環境。保護環境的主要措施：
(1) 改進燃燒設備，消除煙塵；
(2) 提高燃料的綜合利用率，如采取集中供熱。
(3) 充分開發利用污染小或無污染的能源，如風能、太陽能等。
(4) 在內燃機排氣管上安裝消音器，以減小噪聲污染。
化石燃料的燃燒與環境保護
PM2.5監測
PM的英文全稱為Particu-late Matter(顆粒物)。PM2.5是指大氣中直徑為2.5 μm及2.5μm以下的顆粒物。每立方米空氣中PM2.5的含量越高，表明空氣的此類污染越嚴重。
PM2.5主要來源于工業生產、交通運輸等過程中使用化石燃料后排放的煙塵,大多含有重金屬等有毒物質。醫學認為，人體的生理結構決定了對粒徑在2.5μm以下的細顆粒物，沒有任何過濾、阻攔能力。吸入肺泡的細顆粒物會迅速被吸收，在不經過肝臟解毒的情況下直接進人血液循環，分布到全身，引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等疾病。
化石燃料的燃燒與環境保護
PM2.5污染的治理，必須從生產、生活和生態方面采取綜合措施。例如，改變能源結構,加大清潔能源的使用力度，淘汰高耗能、高污染的企業；發展公交導向型城市交通，減少居民出行對機動車的依賴；提倡植樹造林，提高城市綠化率，創造良好的生態環境等。
化石燃料的燃燒與環境保護
C
練一練
1.對于燃料的熱值，下列說法中，屬于正確理解的是 (　 )
A.燃料的熱值跟燃料燃燒時放出的熱量成正比
B.燃料沒燃燒時就沒有熱值
C.就某種確定的燃料而言，它的熱值是一個確定的值，跟燃料 的質量及燃料燃燒放出的熱量無關
D.容易燃燒的燃料熱值一定大
2.煙煤的熱值比木炭的小，這表示（ ）
A.燃燒煙煤比燃燒木炭放出的熱量少
B.燃燒煙煤比燃燒木炭放出的熱量多
C.相同質量的煙煤和木炭，完全燃燒時，木炭放出的熱量少
D.相同質量的煙煤和木炭，完全燃燒時，木炭放出的熱量多
D
練一練
3.下列提高熱機效率的方法中，不可行的是（ ）
A.減少各種熱損失
B.加潤滑油減少機器各部件之間的摩擦
C.充分利用廢氣的能量，如建熱電站
D.采取少消耗總能量的辦法
D
練一練
4.用燃氣灶燒水，燃燒0.5kg的煤氣，使50kg的水從20℃升高到70 ℃。已知水的比熱容為4.2×103J/（kg ℃），煤氣的熱值為4.2×107J/kg。求：
（1）0.5kg煤氣完全燃燒放出的熱量。
（2）水吸收的熱量。
（3）燃氣灶燒水的效率。
Q放 = m煤q
= 2.1×107J
Q吸 = cm水 t
= 1.05×107J
η = Q吸 / Q放
= 50%
練一練

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