第二单元改变世界的热机[1](1).doc

第二单元 改变世界的热机【单元概述】本单元是在学习了内能的基础上，讲述热机的工作原理。热机是工农业生产和交通运输中广泛使用的动力设备，因此本单元知识，对于我们将来极有实际意义，同时还可以使我们了解物理知识对经济技术发展和生活有重要作用。专题专题要点学时热机 内燃机了解四冲程汽油机的基本工作原理从能量转化的角度认识燃料的热值了解内能的利用在人类发展史上的重要意义2热机的效率通过能量的转化和转移，认识效率1专题一 热机 内燃机【问题情境】上面几幅图所展示的几个情景，我们都很熟悉：内能可以用来做功，它在社会实践中应用很广泛，你能说说第二三四幅图中所示的交通工具的用途吗？它们有什么共同特点？生活中还有哪些机器原理与他们是一样的？这就是本专题要解决的问题。【图式优化】热机在社会生产生活中有什么应用？热机的原理是什么？热机都经历了哪些演变过程？热机的发展对社会的贡献有多大？内燃机的工作循环有哪几个的冲程？汽油机和柴油机有什么不同？【过程支架】1. 热机的原理是什么？我们经常会碰到这样的现象：给锅里的水加热，过一会，会听见也会看见锅盖被水蒸气顶起；暖瓶盖会被壶中的热水冲出；-这说明 能够做功。做演示实验，重现内能能够做功的情景。分析在此过程中，能量的转化情况： 能转化为 能， 能转化为 能。人们利用上述能的转化过程制成了很多交通工具-热机，你能说出他们的工作原理吗？2. 热机都经历了哪些演变过程？每一次演变会给社会带来什么样的进步？生产的发展需要更为强大的动力，17世纪人类发明了热机。最早的热机是蒸汽机。它的特点是：瓦特改进后的蒸汽机。它的特点是：进步在哪里？内燃机。它的特点是：进步在哪里？蒸汽轮机。它的特点是：进步在哪里？喷气式发动机。它的特点是：进步在哪里？热机在社会生产中的应用很多。你能说说吗？3.内燃机有汽油机和柴油机两种阅读课本有关内容，回答：汽油机的一个工作循环有几个冲程？每个工作循环活塞往复几次？飞轮转动几周？做功几次？哪两个冲程伴随着能量的转化？如何转化？怎么由图形判断是哪个冲程？柴油机与汽油机工作过程基本相同，但也有不同之处，你能说出几条吗？【素材提供】1. 关于内燃机内燃机是热机的一种，能将燃料的化学能转化机械能。一般的实现方式为，燃料与空气混合燃烧，产生热能，气体受热膨胀，通过机械装置转化为机械能对外做功。内燃机有非常广泛的应用，汽车、船舶、飞机、火箭等的发动机基本都是内燃机，其最常见的例子即为车用汽油机与柴油机。内燃机的燃烧气体同时也是工作介质，比如汽油机中，汽油燃烧后的气体直接推动活塞做功。与此相对，燃料不作为工作介质的热机则称为外燃机，比如蒸汽机的工作介质（蒸气）并不是燃料。2. 汽油机和柴油机的不同之处：项目机种汽油机柴油机构造汽缸顶部有火花塞汽缸顶部有喷油嘴燃料汽油柴油工作过程吸气冲程吸进汽油和空气的混合物吸进空气压缩冲程燃料被压缩后，压强达615atm,温度达250300空气被压缩后，压强达3545atm,温度达500700做功冲程压缩冲程末火花塞点火，燃料燃烧压缩冲程末喷油嘴喷出雾状柴油，遇高温燃烧用途轻巧、体积小，常用于汽车、轻型飞机等笨重、经济、功率大，主要用于载重汽车、轮船、坦克、带动发电机等3. 蒸汽机蒸汽进入汽缸内，利用蒸汽膨胀推动汽缸内的活塞作往复运动，并由曲柄将活塞的往复运动转换为旋转运动。蒸汽机的特点是构造简单、工作可靠，并容许超负荷4050较长时间工作。虽然其效率不超过1014，比内燃机和汽轮机低，但由于可使用价格较低的煤，在一些工业、铁路及水路运输部门中，目前还在使用。汽轮机是一种旋转式蒸汽动力装置，它利用通过固定喷嘴加速的汽流喷射到叶片上，使装有叶片排的转轴旋转，同时对外作功。汽轮机常作为大型动力设备而应用于冶金工业、化学工业和舰船动力装置，并且是现代火力发电厂的主要设备。为了节约能源，正发展热电联产型汽轮机及蒸汽和燃气联合循环装置。这些措施都将进一步提高火力发电厂的经济性。 喷气推进发动机把燃料和氧化剂送入燃烧室内燃烧，产生高温高压气体，在喷管内燃料燃烧产生的热能转变为高速喷出气流的动能，根据动量守恒定律，反作用力沿气流运动相反的方向作用于发动机上，喷气发动机就利用这反作用力作功。当用空气做氧化剂时，就称为空气喷气发动机，这种发动机需要机外供给空气，只使用在大气层内高速飞行的喷气式飞机中。由于大气外层空间没有空气，因而火箭发动机本身既要携带燃料又要携带氧化剂。由于它工作时不需外界供给空气，因此是惟一适用于宇宙航行的发动机。【归纳迁移】 随着科学技术的发展，热机由火车到汽车，由汽车到飞机，再到火箭，给人们的生活生产带来了极大的方便。但是，这些燃料在燃烧时给环境造成了严重的污染，也使能源更加紧缺。所以我们在享受热机给带来方便的同时，要注意对环境的治理和对新能源的开发。因此，提倡绿色出行，保护环境。归纳梳理热机的原理热机工作过程中能的转化形式热机在社会生活中的作用汽油机和柴油机的工作过程及其不同之处【研学点拨】讨论交流：汽油机的工作过程单缸汽油机的一个工作循环有四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。吸气冲程的特点：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物；压缩冲程的特点：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，压缩气缸内气体，机械能转化为内能；做功冲程的特点：进气门和排气门都关闭，火花塞产生电火花，产生高温高压的燃气推动活塞向下运动，内能转化为机械能；排气冲程的特点：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，排出里面的废气。在汽油机工作过程中，只有做功冲程对外做功，其他三个冲程都靠飞轮的惯性来完成。一个工作循环，四个冲程，活塞往复两次，飞轮转动两周，做功一次。例题 用酒精灯给试管加热，如图所示，试管口软木塞冲出的过程中，下列说法正确的是A.水蒸气对软木塞做功水蒸气内能增大B.水蒸气的内能转化为软木塞的机械能C.能量的转化与热机压缩冲程能量转化相同D.试管口的“白气”是水蒸气汽化形成的分析：本题考查内能转化方式。水蒸气对软木塞做功时，将水蒸气的内能转化为软木塞的机械能，水蒸气的内能减小；热机压缩冲程是将机械能转化为内能；试管口的“白气”是水蒸气液化形成的小水珠。答案：B难点突破例题 一台单缸四冲程汽油机，飞轮转速是1800rmin，该汽油机每秒钟完成 个工作循环，对外做功 次，完成能量转化 次。分析：解决此题要知道四冲程汽油机飞轮转一圈，完成两个冲程，一个工作循环中包括四个冲程，对外做功一次，能量转化两次。压缩冲程中机械能转化为内能，做功冲程中内能转化为机械能。已知四冲程汽油机飞轮转速是1800rmin，所以此汽油机飞轮每秒钟转30圈，可完成15个工作循环，对外做15次功，完成30次能量转化。简单地说，就是：一个工作循环，四个冲程，活塞往复两次，飞轮转动两周，做功一次，能量转化两次。答案： 15；15；30【典题精析】例题 （陕西）科学家发明了一款单缸六冲程内燃机，它每一个工作循环的前四个冲程与单缸四冲程内燃机相同，在第四冲程结束后，立刻向汽缸内喷水，水在高温气缸内迅速汽化成高温、高压水蒸气，推动活塞再次做功，水蒸气温度 （填“升高”“降低”或“不变”），其内能 （填“增大”“减小”或“不变”），这样燃烧同样多的燃料获得了更多的机械能；为进入下一个工作循环，这款内燃机的第六冲程是 冲程。分析： 在第四冲程结束后，立刻向汽缸内喷水，水在高温气缸内迅速汽化成高温、高压水蒸气，推动活塞再次做功，水蒸气温度降低，其内能减小；为进入下一个工作循环，这款内燃机的第六冲程是排气冲程。答案：降低；减小；排气 【自主训练】1.如图所示，是四冲程汽油机工作的部分冲程示意图，其中 图是做功冲程， 图是依靠飞轮的惯性来完成的冲程。2.汽车已走进很多家庭，如图为四冲程汽油机汽缸的工作示意图，按吸气、压缩、做功、排气的顺序排列，正确的顺序是 。3.下列现象中，利用内能做功的是A.冬天在户外时两手相搓一会儿就暖和B.工件在砂轮的高速摩擦之下溅出火花C.在烈日之下柏油路面被晒熔化了D.火箭在“熊熊烈火”的喷射中冲天而起4.（2011 兰州市）关于热机，下列说法正确的是A.随着科学技术的发展，热机的效率可达到100B.四冲程汽油机在工作过程中，进气门和排气门同时关闭的冲程是做功冲程和压缩冲程C.柴油机上安装一个笨重的飞轮，是为了提高它的效率D.柴油机的效率比汽油机的高，这是因为柴油机的热值比汽油的大5.下列说法中正确的是A.柴油机的压缩冲程，主要是用热传递的方式增加了气缸内气体的内能B.汽车发动机用水做冷却剂，主要是利用水密度大的特点C.电动车的核心部件电动机属于热机的一种D.液化气是用加压的方法使气体液化后存入储气罐的专题二 热机的效率【问题情境】 热机在社会生活的各个方面发挥着巨大的作用，内燃机更是与我们的生活密切相关。汽车已走进千家万户。我们在享受他们给带来的便利同时，也遇到了一些问题：环境污染、能源浪费、交通堵塞-其中环境、浪费是内燃机工作时不可避免带来的，我们要想办法把这种损失降到最低。这就是本专题要解决的问题。【图式优化】怎样提高热机的效率？什么是燃料的热值？什么是燃料的利用率？什么是热机的效率？怎样提高燃料的利用率、热机的效率？有关效率问题如何计算？【过程支架】1. 什么是燃料的热值？阅读课本有关内容，回答：什么叫热值？结合密度的定义、比热容的定义，你怎样理解热值的定义？由热值表可以得到什么信息？热值的单位是什么？它的物理意义是什么？2.什么是燃料的利用率？思考：生活中用木柴燃烧产生的热量给水加热。在此过程中，燃料燃烧产生的热都被水吸收了吗？查看燃烧后的剩余物，你会发现什么？阅读课本，总结：什么是燃料的利用率？你能理解吗？讨论：根据定义如何计算燃料的利用率？结合生活实际，我们怎样才能提高燃料的利用率？3.什么是热机的效率？（模仿“燃料的利用率”学习过程，请你完成“热机的效率”学习过程）【素材提供】1. 燃料的热值1kg某种燃料完全燃烧时放出的热量，叫做这种燃料的热值。热值是为了表示相同质量的不同燃料在燃烧时放出热量不同而引入的物理量。它反映了燃料通过燃烧放出热量本领大小不同的燃烧持性。燃烧的热值是燃料本身的一种燃烧特性，不同燃料的热值一般是不同的，同种燃料的热值是一定的，它与燃料的质量、体积、放出热量多少无关。2. 在学习热值的概念时，应注意以下几点：（1）“完全燃烧”是指燃料全部燃烧变成另一种物质。（2）强调所取燃料的质量为“1kg”，要比较不同燃料燃烧本领的不同，就必须在燃烧质量和燃烧程度完全相同的条件下进行比较。（3）“某种燃料”强调了热值是针对燃料的特性与燃料的种类有关。热值的单位J/kg，读作焦每千克。还要注意，气体燃料有时使用J/m3。3. 各种热机的效率蒸汽机 百分之6百分之15蒸汽轮机 百分之25百分之30燃气轮机 百分之50百分之60汽油机 百分之20百分之30柴油机 百分之30百分之45喷气发动机 百分之50百分之604.提高热机效率的途径热机的效率是热机问世以来科学家、发明家和工程师们一直研究的重要问题。现在的内燃机和喷气机跟最初的蒸汽机相比，效率虽然提高了很多，但从现在节约能源的要求来看，热机的效率还远远不能满意。现在最好的空气喷气发动机，在比较理想的情况下其效率也只有60%。用的最广的内燃机，其效率最多只达到40%。大部分能量被浪费掉了。（1）保证活塞滑动灵活，并且密封性好（2）保证喷头无损，喷雾均匀（3）连杆转轴等处摩擦小（4）使用合适的燃料（5）对于不可避免的热能损失，可以用来加热水等其他用途【归纳迁移】效率，是我们经常提到的一个名词。学习要有效率，工作要讲效率，使用机械要考虑机械效率，使用热机要提到热机效率，还有电能的利用率、燃料的利用率，等等。总之，效率就是对人有用的部分占总消耗量的百分数。使用机械要提高机械效率，在条件允许的情况下，效率越高越好；使用热机要提高热机的效率，使燃料燃烧产生的内能最大限度的来做有用功；使用电器也一样，让消耗的电能转化成人们所需要的能量-。我们同学在学习过程中也要讲效率，在有限的时间内要完成一定的学习任务，不能做一天和尚撞一天钟。归纳梳理热机的效率燃料的热值燃料的利用率热机的效率提高热机效率的方法研学点拨讨论交流：热机工作时，能不能将燃料所蕴藏的化学能全部用来做有用功呢？怎样才能提高热机效率呢？热机中燃料释放能量的主要走向示意图废气排出带走热量克服摩擦所消耗的能量燃料很难全部燃烧，燃料的化学能不能全部释放机械传热损失一部分能热机真正转化为对外做功的部分根据热机工作时的能量走向，要提高热机效率，主要途径是减少热机工作中各种能量损失。首先，要减少燃烧过程中的热量损失，让燃料充分燃烧。其次，要减少由于摩擦造成的机械损失，如：尽量简化机械传动部分，并选用优良的润滑材料，来减小摩擦。另外，在热机的各种能量损失中，废气带走的能量最多。设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。大型发电机常常利用蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。这种既供电又供热的热电站，比起一般的火电站来，虽然没有提高蒸汽机的效率，但却提高了燃料的利用率。探究:例题1 煤油的热值大于酒精的热值，下列说法中正确的是 A.煤油比酒精含有的热量多 B.燃烧相同质量的煤油和酒精，煤油放出的热量要多些 C.完全燃烧相同质量的煤油和酒精，利用煤油刚好能烧开一壶水，那么利用酒精则不能烧开这壶水（效率相同条件下）D.通风条件越好，供氧越充足，两种燃料的热值就越大分析：热值是单位质量的燃料完全燃烧时所释放的热量，故A错；煤油的热值比酒精大，完全燃烧相同质量的煤油和酒精，煤油放出的热量要多些，故B错；煤油的热值比酒精大，所以完全燃烧相同质量的两种燃料时，煤油释放的热量多，故正确；热值是燃料的一种特性，其大小只与燃料的种类有关，与燃料是否充分燃烧无关，故D错。答案：C例题2 一台内燃机运动时各种能量损耗大致为，汽缸散热损失占25%，废气带走的能量占30%，摩擦等机械损耗占10%，则它的机械效率为_。分析：由题意分析：燃料完全燃烧放出的能量大致有四个去向：汽缸散热损失，废气带走能量，克服摩擦损耗及做有用功，所以有用功100%25%30%10%35%。要明确的一个概念，热机的效率指的是作有用功的能量占燃料完全燃烧放出能量的比例为35%。易错之处是燃料完全燃烧放出能量的去处如何区分。 答案：35%难点突破例题 为了节约能源，需提高热机的效率，下列措施中，不能提高热机效率的是 A.尽量使燃料充分燃烧 B. 尽量增加热机的工作时间 C.尽量减少废气带走的热量 D.尽量减少热机部件间的摩擦分析：热机效率是指热机有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，所以使燃料充分燃烧、减少废气带走的热量、减少热机部件间的摩擦都可以提高效率。增加热机的工作时间，并不能减少能量的损失，所以不能提高热机效率。答案：B【典题精析】例题1 （2011 扬州市）太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置。下表是小明家的太阳能热水器，某天在阳光照射下的相关信息，其中太阳辐射功率指1h内投射到1面积上的太阳能。太阳照射时间h装水量Kg吸热板面积 m2水升高的温度水的比热容J(Kg.)-1太阳辐射功率J（m2.h）-1101002.5504.21031.68106求：（1）水在10h内吸收的热量。 （2）如果水吸收的热量用天然气来提供，需要完全燃烧多少m2的天然气；（天然气的热值为8.4107 J m3，天然气完全燃烧放出的热量全部给水吸收） （3）该太阳能热水器的能量转化效率。分析：水吸收的热量可以通过公式Q=cmt求得；天然气的体积可以通过热之公式的变形V=Qq求得；太阳能热水器的转化效率等于水吸收的热量与接收到的太阳能之比，=Q吸Q总。答案：（1） 水吸收的热量Q=cmt=4.2103 J(Kg.)-1100 Kg50=2.1107 J；（2） 由Q=qV得天然气的体积V=Qq=2.1107 J8.4107Jm3=0.25 m3；（3） 太阳能热水器接收到的太阳能Q总=1.68106J（m2.h）-12.5 m210 h=4.2107J，则太阳能热水器的转化效率，=Q吸Q总=2.1107 J4.2107 J=50。自主训练1.天然气是一种清洁燃料。沈阳市部分公交车和出租车开始使用天然气来代替柴油或汽油。天然气是 （填“可再生”或“不可再生”）能源，它燃烧时释放的内能转化为汽车的 能。已知天然气的热值为7107 J m3，某汽车消耗2L天然气所释放的热量为 J（假设天然气完全燃烧）。2.关于能源的开发和利用，下列说法中不正确的是A.煤是可再生能源，以煤为主要燃料的火力发电容易造成环境污染B.核能是不可再生能源，开发和利用核能是人类获取能源的一个新途径C.太阳能是取之不尽的能源，可直接利用且不会污染环境，开发前景广阔D.人类的生存离不开能源，社会的进步和美好生活是以消耗大量能源为代价的，我们要珍惜能源3.双燃料汽车以天然气或汽油作为燃料，以下说法正确的是A.燃料的热值越大，燃烧时放出的热量越多B.以天然气为燃料，汽车发动机的效率可以达到100C.在压缩冲程中，燃料混合物的温度升高，内能增大D.汽油与天然气相比，燃烧时汽油对环境的污染较小4.下列现象中，用物理知识解释正确的是A.吃冰棒感觉凉爽，是因为升华吸热B.物体的温度高，是因为它具有较多的热量C.风吹过，人感到凉爽，主要是因为流动的空气加快了人体表面汗液的蒸发D.运载火箭的燃料采用液氢，是因为液氢的比热容大5.随着人们生活水平的日益提高，小汽车越来越多地走进了百姓人家。一辆使用汽油为燃料的小汽车，以72Kmh的速度在水平路面上匀速行驶时，发动机的实际功率为20Kw。若小汽车行驶的距离为100 Km，汽油的热值q=4.6107JKg，小汽车发动机的效率为25。求小汽车在这段路程中：（1）运动的时间；（2）发动机所做的功；（3）消耗汽油的质量。单元测试题一、选择题（本题共两个小题，每小题4分，共8分）1.一台柴油机飞轮转