12.4 机械能与内能的相互转化（解析版）

苏科版九年级上册第十二章《机械能和内能》12.4机械能与内能的相互转化【知识梳理】一、改变物体内能的另一种方式——做功1．对物体做功甲乙丙丁（1）将铁丝快速弯折多次,用手指触摸一下弯折处,我们会发现弯折处温度较高,这说明我们对铁丝做功铁丝的内能增加,温度升高（2）将一个铁钉用铁锤反复敲打,一段时间后被敲打的铁钉很烫,这说明我们对铁钉做功,铁钉的内能增加,温度升高（3）用如图甲所示的空气压缩引火仪进行实验我们通过活塞对筒内的封闭气体做功,气体的内能增加,温度升高,当达到棉花的着火点时,棉花燃烧了（4）如图乙所示,将刀在磨刀石上来回迅速摩擦,人克服摩擦做功,则刀和磨刀石的温度升高,说明它们的内能增加了。以上实验说明,我们对物体做功时,消耗的机械能转化为内能,使物体的内能增加，温度升高。2．物体对外做功试管内装一些水，放在火上加热，使水沸腾，水蒸气会把木塞顶起来，水蒸气瞬间变成白气，说明物体的内能转化为了机械能，温度降低。归根到底：做功是改变物体内能的一种方式物体对外做功（如爆炸、膨胀）内能→机械能外力对物体做功（如弯折、压缩、敲打、摩擦）机械能→内能二、热机（1）一种将内能（燃料产生的高温、高压燃气）转化为机械能的装置。（2）汽油机工作循环①吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，吸入汽油和空气的混合气；②压缩冲程：进气门关闭，排气门关闭，活塞向上运动，活塞压缩缸内气体，气体温度升高，活塞的机械能转化为压缩气体的内能，当活塞运动到顶端时，混合气体温度达到最高；③做功冲程：进气门关闭，排气门关闭，当活塞在顶端时，火花塞点火，汽油燃烧，产生高温高压的燃气，对活塞做功，活塞向下运动，气体的内能转化为活塞的机械能；④排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，排出燃烧后的废气。冲程名称吸气冲程压缩冲程做功冲程排气冲程气门开、关情况只有一个气门（进气门）打开两个气门都关闭两个气门都关闭只有一个气门（排气门）打开活塞的运动方向向下运动向上运动向下运动向上运动能量的转化情况机械能转化成内能内能转化成机械能注意：冲程是指活塞从汽缸的一端运动到另一端。（3）汽油机和柴油机的不同处项目构造吸入气缸的物质点燃方式效率汽油机气缸顶部有一个火花塞空气和汽油混合物点燃式效率较低柴油机气缸顶部有一个喷油嘴空气压燃式效率较高三、燃料的热值1．探究不同燃料的放热能力【实验器材】铁架台、烧杯、玻璃棒、温度计、酒精灯、石棉网【实验设计】如图所示,用天平测出质量为10g的煤油和10g的菜籽油分别放入燃烧皿中,点燃后,给两个完全相同的烧杯和质量、温度相同的水加热,待煤油和菜籽油充分燃烧后分别记录水的温度加热前的水温/℃燃料燃尽后的水温/℃温度变化/℃10g煤油10g菜籽油【实验方法】①转换法将吸收热量的多少转化为温度计示数的变化②控制变量法控制相同的被加热条件、燃料的质量相等【实验分析】质量相等的煤油和菜籽油充分燃烧，水温的变化不同，燃烧煤油使水的温度变化较大【实验结论】质量相等的不同燃料，在完全燃烧时放出的热量一般是不相等的。2．燃料的热值：（1）定义：燃料完全燃烧放出的热量与燃烧的质量(固体、液体)或体积(气体)之比，用q表示（2）定义式：(固体、液体)或（3）单位：J/kg或J/m3（4）物理意义：单位质量的某种燃料完全燃烧放出的热量。（5）热值是燃料的属性，与质量、体积、是否完全燃烧无关，与燃料的种类有关。不同燃料的热值一般不同。3．燃料燃烧放热的计算公式：(固体、液体)或(气体)四、热效率1．加热效率（1）有效利用的热量与燃料完全燃烧释放的总能量的比值,就是热效率。（2）公式：或。2．热机效率（1）热机效率：热机工作时,用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比,叫作热机效率（2）公式：①热机所做的有用功W有用往往是热机对外的牵引力F使得热机在水平方向上通过一定的距离s，当匀速运动时，牵引力F与阻力f相等，于是有；②是燃料燃烧放出的热量或，所以热机效率公式可变形为：或。（3）能量损失的原因如图所示是内燃机的能量流向图,燃料燃烧产生的内能,相当大一部分被废气带走,只有很少一部分转化为有用的机械能,所以热机效率一般都很低（4）提高热机效率的途径

①使燃料充分燃烧;②尽量减少各种热损失;③在热机的设计和制造上,采用先进技术;④注意保养,保持机械部件良好的润滑,减少因克服摩擦阻力而消耗的能量【易错点】1．热机的压缩冲程是活塞对气体压缩，做功冲程是燃气对活塞做功。2．热值是物质的属性，只与物质种类有关，与其他因素均无关。3．温度、内能、热量之间的关系①内能和温度的关系物体内能的变化，不一定引起温度的变化。这是由于物体内能变化的同时，有可能发生物态变化。物体在发生物态变化时内能变化了，温度有时变化有时却不变化。如晶体的熔化和凝固过程，还有液体沸腾过程，内能虽然发生了变化，但温度却保持不变。温度的高低，标志着物体内部分子运动速度的快慢。因此，物体的温度升高，其内部分子无规则运动的速度增大，分子的动能增大，因此内能也增大，反之，温度降低，物体内能减小。因此，物体温度的变化一定会引起内能的变化。②内能与热量的关系物体的内能改变了，物体却不一定吸收或放出了热量，这是因为改变物体的内能有两种方式：做功和热传递。即物体的内能改变了，可能是由于物体吸收（或放出）了热量也可能是对物体做了功（或物体对外做了功）。而热量是物体在热传递过程中内能变化的量度。物体吸收热量，内能增加，物体放出热量，内能减少。因此物体吸热或放热，一定会引起内能的变化。热量的实质是内能的转移过程。例如两个物体之间发生热传递，高温物体放出了50J的热量，表示它的内能减少了50J；同样低温物体吸收了50J的热量，则内能增加了50J，实际上就是50J的内能从高温物体传给了低温物体。物体吸收热量，分子运动剧烈，内能增加，但内能的增加不仅可以通过吸热来实现，还可以通过对物体做功来实现。在不清楚内能变化的过程时，我们不能肯定究竟是通过哪种方式实现的。另外要注意的是热量是一个过程量，而内能是状态量，因此我们不能说物体含有热量。③热量与温度的关系物体吸收或放出热量，温度不一定变化，这是因为物体在吸热或放热的同时，如果物体本身发生了物态变化（如冰的熔化或水的凝固）。这时，物体虽然吸收（或放出）了热量，但温度却保持不变。物体温度改变了，物体不一定要吸收或放出热量，也可能是由于对物体做功（或物体对外做功）使物体的内能变化了，温度改变了。【规律总结】1．曲轴旋转2圈，活塞往复2次，四冲程，对外做功一次。2．汽油机和柴油机工作的四个冲程中，只有做功冲程是燃气对活塞做功，其它三个冲程要靠飞轮的惯性完成。3．判断汽油机和柴油机工作属哪个冲程应抓住两点：一是气门的开与关；二是活塞的运动方向【典例分析】1．（2022·上海长宁·八年级期末）如图所示，某同学探究物体对外做功时能量的转化情况。他利用酒精灯给试管和水加热如图（a），当水沸腾后，水蒸气会把瓶塞“冲”出去如图（b），在研究过程中发现，如将瓶塞塞的紧一些，酒精灯对试管和水的加热时间会长一些，瓶塞被“冲”出去的距离会远一些如图（c）。（1）观察图（a）和图（b）或图（a）和图（c），在水蒸气把瓶塞“冲”出去的过程中，水蒸气对瓶塞______，在此过程中，能量的转化情况是______；（2）分析比较图（b）和图（c）的实验现象，可以得出初步结论：______。【答案】

做功

内能转化为机械能

物体对外做功时，内能越大，转化的机械能越多【详解】（1）[1][2]在水蒸气把瓶塞“冲”出去的过程中，水蒸气推动瓶塞运动，对瓶塞做功，水蒸气的内能转化为瓶塞的机械能。（2）[3]图（c）和图（b）相比，将瓶塞塞的紧一些，酒精灯对试管和水的加热时间会长一些，水蒸气具有的内能更大，瓶塞被“冲”出去的距离会远，说明瓶塞获得的机械能变多，则可得出结论，物体对外做功时，内能越大，转化的机械能越多。2．（2021·上海新中·八年级期末）下列选项中，称为热机的是（）A．冰箱压缩机 B．风扇电动机C．水力发电机 D．燃油汽车发动机【答案】D【详解】AB．热机是指将蒸汽或燃气的内能转化为机械能的机器，冰箱压缩机、风扇电动机都是利用电能工作的，将电能转化为机械能，所以不是热机，故AB不符合题意；C．水力发电机是将水的机械能转化为电能，不是热机，故C不符合题意；D．燃油汽车发动机是利用燃气的内能转化为机械能的机器，属于热机，故D符合题意。故选D。3．（2021·陕西西安·九年级期中）如图所示是四冲程汽油机的其中一个冲程剖面图，下列描述正确的是（）A．吸气冲程中，只有汽油被吸入汽缸B．压缩冲程中，通过做功的方式使汽缸内气体的内能减小C．做功冲程中，燃料释放的能量少部分转化为机械能D．排气冲程中，废气带走了燃料释放的能量的极少部分【答案】C【详解】A．汽油机在吸气冲程中，进气门打开、排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物进入汽缸，故A错误；B．在压缩冲程中，进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，气体的内能变大，此过程是机械能转化为内能的过程，故B错误；C．在做功冲程中，燃料燃烧释放的内能大部分需要克服摩擦、发生热传递而散失，只有一少部分转化为机械能，故C正确；D．在排气冲程中，废气带走了燃料释放的大部分能量，故D错误。故选C。4.（2022·湖北黄冈·九年级期中）关于汽油机和柴油机的区别，下列说法中你认为不妥的是（）A．柴油机比汽油机费用低廉，但比较笨重B．柴油机吸入汽缸的是空气，汽油机吸入汽缸的是汽油和空气的混合物C．汽油机的汽缸顶部有喷油嘴，柴油机的顶部有火花塞D．在做功冲程中，柴油机的点火方式是压燃式，汽油机的点火方式是点燃式【答案】C【详解】A．柴油机是压燃式，压缩比较充分，故比较笨重，柴油比汽油费用低廉，故柴油机比汽油机费用低廉，故A正确，不符合题意；B．在吸气冲程，柴油机吸入汽缸的只是空气，喷油嘴喷出汽油，汽油机吸入汽缸的是汽油和空气的混合物，故B正确，不符合题意；C．柴油机和汽油机的结构不同：柴油机的汽缸顶部是喷油嘴，汽油机的顶部有火花塞，故C错误，符合题意；D．汽油机的点火方式是点燃式，柴油机的点火方式是压燃式，柴油机压缩更加充分，热机效率更高，故D正确，不符合题意。故选C。5.（2022·黑龙江齐齐哈尔·中考真题）一台单缸四冲程汽油机，当飞轮转速是2400r/min时，它每秒钟对外做功___________次；做功冲程是将___________转化为机械能。【答案】20内能【详解】[1]汽油机的飞轮每转2转，会对外做功1次，已知该飞轮转速为故每秒钟飞轮转动40转，对外做功20次。[2]做功冲程中，燃料燃烧产生的高温高压气体推动活塞运动，将内能转化为了机械能。6.（2022·辽宁锦州·中考真题）如图所示是我国自行设计研制的AG600全状态新构型灭火飞机。若该飞机以270km/h的速度匀速直线航行20min，消耗航空燃油1.35t，飞机发动机的功率为2.25×107W。（航空燃油的热值为4×107J/kg）求：（1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量是多少？（2）飞机在航行过程中的阻力是多少？（3）发动机的效率是多少？【答案】（1）5.4×1010J；（2）3×105N；（3）50%【详解】解：（1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量Q放=mq=1.35×103kg×4×107J/kg=5.4×1010J（2）飞机航行20min牵引力做功W=Pt=2.25×107W×20×60s=2.7×1010J飞机运动的路程飞机受到的牵引力因为飞机做匀速直线运动，受到牵引力和阻力是平衡力，所以飞机受到的阻力f=F=3×105N（3）发动机的效率答：（1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量是5.4×1010J；（2）飞机在航行过程中的阻力是3×105N；（3）发动机的效率是50%。【思路小结】1．搞清楚热机整个工作循环的能量转化、活塞运动、气门开闭，是解决热机问题的关键。2．热机效率与机械效率类似，都是有用能量（功）与总能量（功）的比值。【精典训练】一、单选题1．（2022·陕西咸阳·九年级期末）煲汤沸腾时，锅盖不断被水蒸气顶起而发生“跳动”，在此过程中，涉及到的有关物理现象表述不正确的是（）A．温度越高，水分子运动越剧烈，就有越多的水分子“外逃”到空气中B．锅盖“跳动”过程的能量转化与内燃机的做功冲程相似C．煲汤过程中，主要是通过热传递的方式改变内能的D．汤沸腾时比沸腾前的温度高，含有的热量多【答案】D【解析】A．分子的热运动与温度有关，温度越高，水分子运动越剧烈，就有越多的水分子“外逃”到空气中，故A正确，不符合题意；B．锅盖“跳动”时，水蒸气对锅盖做功，将内能转化为机械能；内燃机的做功冲程中，也是内能转化为机械能，二者的能量转化相同，故B正确，不符合题意；C．做功和热传递可以改变物体的内能，煲鸡汤过程中，主要是通过热传递的方式改变内能的，故C正确，不符合题意；D．鸡汤沸腾时比沸腾前的温度高，但不能说其含有热量多，因为热量是一个过程量，故D错误，符合题意。故选D。2．（2022·安徽蚌埠·九年级期末）如图四个实验中的能量转化方式与汽油机的做功冲程相同的是（）A．滚摆向下运动 B．电火花发生器点火后将盒盖顶出C．向下压缩空气引火仪 D．酒精灯加热杯中冷水【答案】B【解析】汽油机在做功冲程将内能转化为机械能。A．滚摆向下运动，动能增加，重力势能减小，所以是重力势能转化为动能的过程，故A不符合题意；B．电火花发生器点火后将盒盖顶出，此时燃气的内能转化为机械能，故与汽油机的做功冲程能量转化方式相同，故B符合题意；C．向下压缩空气引火仪，压缩空气做功，将机械能转化为内能，故C不符合题意；D．酒精灯加热杯中冷水，这是通过热传递的方式改变内能的，故D不符合题意。故选B。3．（2022·辽宁抚顺·九年级期末）小红对学习过的汽油机和柴油机进行了比较，其中说法错误的是（）A．它们都有四个冲程B．它们都可以将内能转化为机械能C．它们安装有火花塞D．它们都是靠做功冲程来提供动力【答案】C【解析】汽油机在吸气冲程中吸入了汽油和空气的混合气体，在压缩冲程中，机械能转化为内能，内能增大，温度升高，汽油机气缸顶端有个火花塞，此时火花塞喷出电火花，点燃汽油，产生高温高压的燃气推动活塞做功。而柴油机在吸气冲程中吸入空气，在压缩冲程中，机械能转化为内能，空气的内能增大，温度升高达到柴油的着火点，柴油机气缸顶端有个喷油嘴，此时喷油嘴喷出雾状的柴油，柴油依靠压缩时内能增大，温度升高，达到柴油着火点而燃烧，点燃方式是压燃式，燃烧产生高温高压的燃气推动活塞做功；柴油机的压缩比例更大，温度更高，做功越多，效率越高。故据上分析可得出，汽油机和柴油机工作的共同特点是：都有四个冲程；在做功冲程中都是将内能转化为机械能，它们都是靠做功冲程来提供动力。故ABD正确，不符合题意；C错误，符合题意。故选C。4．（2022·湖北黄石·九年级期末）下图为汽油机工作时的四个冲程，能使汽车获得动力的冲程是（）A．B．C． D．【答案】B【解析】使汽车获得动力的冲程是做功冲程，这一冲程中，将内能转化为机械能。A．进气门开启，气体流入汽缸，是吸气冲程，故A不符合题意；B．两气门都关闭，活塞下行，汽缸容积变大，是做功冲程，故B符合题意；C．排气门开启，气体流出汽缸，是排气冲程，故C不符合题意；D．两气门都关闭，活塞上行，汽缸容积变小，是压缩冲程，故D不符合题意。故选B。5．（2022·湖北宜昌·中考真题）关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（）A．没有燃烧的燃料，热值等于零B．燃料完全燃烧时，它的热值最大C．燃料的热值与质量和燃烧状态无关D．燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多【答案】C【解析】ABC．热值是燃料自身的一种属性，大小与燃料的质量、温度、燃烧情况无关，故AB错误，C正确；D．根据公式Q=mq可知，燃料燃烧放出的热量多少与燃料的热值、燃料的质量有关，与燃烧时的温度无关，故D错误。故选C。6．（2022·四川成都·九年级期中）关于热机效率，下列说法中正确的是（）A．热机效率越高，即热机做的有用功越多B．热机单位时间内耗费的燃料少，效率一定高C．要提高热机效率，就要尽量减少各种能量损失，并且要保证良好的润滑D．通过技术改进，热机效率可达100%【答案】C【解析】A．热机的效率可知，热机的效率由两个因素决定，即消耗相同的燃料，热机效率越高的，热机做的有用功多，故A错误；B．热机单位时间内耗费的燃料少，如果做的有用功也非常少，那么热机效率也不一定高，故B错误；C．要提高热机效率，就要尽量减少各种能量损失，并且要保证良好的润滑，故C正确；D．由于燃料燃烧释放的热量不能全部转化为机器的有用功，总有能量损耗，所以热机效率总小于100%，故D错误。故选C。7．（2022·广东广州·中考一模）热机的效率是热机性能的重要指标，如图所示是热机的能量流向图，则热机的效率等于（）A．×100% B．×100%C．×100% D．×100%【答案】B【解析】E1是总热量，E2、E3、E5属于损失的热量，E4为有用功，故热机的效率为或者为故B符合题意，ACD不符合题意。故选B二、填空题8．（2022·湖北荆州·九年级期末）使用清洁能源天然气有助于国家提出的2060年前实现碳中和的目标。某同学家使用天然气热水器，平均每天需将质量为100kg的水从18℃加热到58℃，水吸收的热量为_____J，若天然气完全燃烧放出热量的70%被水吸收，则热水器平均每天消耗天然气_____m3[c水=4.2×103J/(kg•℃)，q天然气=4.0×107J/m3]。【答案】

1.68×107

0.6【解析】[1]水吸收的热量Q吸=c水mΔt=4.2×103J/(kg•℃)×100kg×(58℃-18℃)=1.68×107J[2]由得，需要天然气放出的热量由Q放=qV可得，天然气的体积9．（2022·内蒙古通辽·九年级期末）已知汽油的热值为4.6×107J/kg，表示的意思是______，完全燃烧50g汽油所释放的热量是______J，若发动机获得的机械能是9.2×105J，该发动机的效率是______。若在使用中汽油不完全燃烧，则它的热值______（选填“变大”“变小”或“不变”）。【答案】

1kg汽油完全燃烧时放出的热量是4.6×107J

2.3×106

40%

不变【解析】[1]汽油的热值4.6×107J/kg，它表示的物理意义是：1kg汽油完全燃烧时放出的热量是4.6×107J。[2]完全燃烧50g汽油所释放的热量Q放＝m汽油q汽油＝50×10-3kg×4.6×107J/kg=2.3×106J[3]发动机的效率[4]燃料的热值是燃料本身的一种特性，它的大小只与燃料的种类有关，与燃料的质量、放出热量多少以及燃烧情况无关，所以它的热值不变。10．（2021·山东临沂·九年级期末）如图所示，该冲程为汽油机的______冲程，其中飞轮的转速为3600r/min。则这台汽油机活塞在1s内对外做功______次，共完成了______个冲程。【答案】

做功

30

120【解析】[1]图中气门都关闭，活塞向下运行，是做功冲程。[2][3]四