九年级物理内燃机、热机效率与环境保护上海科技版知识精讲

初三物理内燃机 热机效率与环境保护初三物理内燃机 热机效率与环境保护上海科技版上海科技版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 内燃机 热机效率与环境保护 基本要求 1 体会现代交通工具对人们生活的影响 2 初步认识发动机的作用 知道热机的概念 了解内燃机是热机的一种 3 通过模型 挂图了解汽油机的构造 4 通过模型 挂图了解柴油机的构造 5 能用文字或口头表述内燃机各冲程的工作状态和能量转化 6 知道内燃机工作时有废气污染 树立环保意识 7 从生活中体会不同燃料燃烧释放热能的本领不同 建立燃料热值概念 8 会查燃料的热值表 能根据燃料的热值计算一定质量的燃料完全燃烧所释放的热量 9 能说出热机工作时燃料释放的能量的主要流向 对热机的效率有一个初步的认识 能 大致说出提高热机效率的途径 10 能举例说明燃料燃烧产生的排放物对环境的影响 能从科学的角度读懂媒体对与热 机有关的环境方面的报道 培养自觉的环保意识 11 能大致说出燃料内能的利用与人类社会的关系 二 重点 难点 重点内容 内燃机的构造与工作过程 热值概念的建立及有关热量的计算 初步认识 热机的效率 树立环保意识 难点内容 内燃机工作过程中能量的转化 有关热值的计算等 重点内容讲解 一 内能的来源和利用 一 燃料的燃烧与热值 人要生存 离不开能量 机器要运转 也离不开能量 而内能又是人类和各种动力机 械主要利用的能量形式之一 接下来我们就来认识一下人们是如何利用内能的 说到内能 的利用 首先要考虑内能的来源 而燃料的利用正是这一来源的主要途径 下面我们先来 讨论燃料及与燃料有关的问题 1 燃料的特点 我们都知道 煤炭 汽油 柴油是燃料 除此之外还有很多燃料 如柴火 酒精 蜡 烛 煤气 天然气等等 燃料在燃烧时发生剧烈的氧化反应 完全变成了另一种物质 所以燃料的燃烧是一种 化学变化 在燃料燃烧过程中 燃料的化学能转化为内能 也就是我们常说的释放热量 人类使用的能量绝大部分是从燃料燃烧中获得的内能 所以燃烧的过程就是把燃料的化学 能转化为内能的过程 2 燃料的热值 燃料的共同特点是都能燃烧 那么不同燃料在燃烧时有什么不同呢 煮饭时用煤为什 么比用柴草好呢 可能同学们会说 煤比柴草放出的热量多 煤一定比柴草放出的热量多 吗 怎样比较才更合适 当然应取相同质量的煤与柴草相比才合适 它们质量相同 就一 定是煤放出的热量多吗 还应补充一条 要让它们都充分燃烧 在它们都烧完 烧尽的条 件下 才有可比性 一个四口之家一月需要的内能 即吸收的热量是一定的 这些热量由 燃料燃烧放出 燃料燃烧放出的热量与燃料的种类和质量有关 月需木柴 150 多千克 而 煤只需约 75 千克左右 石油液化气 30 千克左右 显然 取相同质量的柴和煤 在它们完 全燃烧时煤比木柴放出的热量要多 为了比较和计算质量相同的各种燃料完全燃烧时放出 的热量 物理学里引入了燃料的热值概念 为了比较不同燃料的这一差异 我们引入一个新的概念 燃料的热值 1 定义 1 千克的某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值 1 千克干木柴完 全燃烧放出约 1 2 107焦的热量 则干木柴的热值是 1 2 107焦 千克 对于气体燃料而言 热值的定义是 1m3的某种燃料完全燃烧时放出的热量 2 单位 J kg 对于气体燃料而言就是 J m3 3 物理意义 热值直接反映了燃料的燃烧特性 热值大 反映单位质量的该种燃料完全燃烧时放出 的热量多 化学能转化成的内能多 课本中有几种常见燃料的热值表 同学们要明确其物理意义 如汽油的热值为 4 6 107焦 千克 其物理意义是一千克汽油完全燃烧时 放出的热量为 4 6 107焦耳 再 如煤气的热值是 1 8 107J m3 其物理意义是 1m3的煤气完全燃烧时放出的热量是 1 8 107J 另外燃烧的热值是燃料的一种特性 与燃料质量 是否燃烧 燃烧程度等因素无关 所以一筒汽油与半筒汽油相比 热值一样大 如果用 Q 表示燃料完全燃烧放出的热量 用 q 表示燃料的热值 用 m 表示燃料的质量 那么可用公式 Q mq 来计算其放出的热量 3 燃料的有效利用 影响燃料有效利用的因素 按热值来计算 1 千克干木柴完全燃烧能放出 1 2 107焦耳的热量 这些热量若全部 被水吸收 可把 35 千克左右的水由 20 烧开 而实际生活中 1 千克干木柴是不能把 35 公 斤 20 的水烧开的 那是为什么呢 因为燃料不可能做到完全燃烧 同时热量有散失 水 吸不到那么多热量 燃料燃烧时需氧气助燃 供氧不足是燃料不能完全燃烧的主要原因 另外 烟气也会 带走大量热量 炉壁还会传走一部分热量 这样就使得真正传给水的热量仅占燃料放出热 量的一小部分 当然不能烧开那么多水 提高炉子效率的措施 为了反映炉子对燃料的利用率 我们经常用炉子的效率来描述 炉子有效利用的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比 叫做炉子的效率 为了提高炉子的效率 人们做了种种努力 主要措施有 增加供氧量 如用风箱 吹风机就起了这一作用 大型工业锅炉还采用把煤粒用鼓风 机吹起来烧 使效率大大提高 炉壁选用隔热材料 这主要是为减少炉壁向外传热 增大受热面积 大型锅炉采用供水管道直接分布在炉膛内 使其充分受热 减小了烟 气的热损失 目前 我国炉具的平均效率还较低 若平均效率能提高 1 全国每年节省的燃料相当 于一个大型煤矿的年产量 可见 改造炉具 提高炉子的效率具有巨大的节能潜力 二 内能的利用 人类生产和生活中燃烧大量的燃料 利用燃料燃烧释放出热量 从燃料的燃烧中获得 内能来加热工件 生火取暖 煮饭 所以内能的一个重要应用就是用它来加热物体 1 利用内能来加热 如图所示 用酒精灯加热试管中的水 酒精燃烧时 酒精的化学能转化为内能 释放 出热量 通过热传递将一部分内能从温度高的火焰传给温度低的试管和水 试管和水吸收 热量温度升高 内能增加 利用内能加热的过程 内能并没有转化成其他形式的能 只是内能从一个物体转移到 另一个物体上 如煮饭 生炉子取暖等 城市冬季取暖采用暖气设备 热电站集中供热的好处 可以提高炉子的效率 减小废 渣废气对环境的污染 改善环境卫生 提高节约能源和搞好环境保护的认识 2 利用内能来做功 实验 在上述实验基础上进行 用软木塞塞住试管口 加热使水沸腾 直到水蒸气把 软木塞冲出 加热试管中水的过程中 水的内能不断增加 温度升高直到沸腾 水剧烈汽化 产生 大量的水蒸气 对软木塞的压力不断增大 最后将软木塞冲出试管口 水蒸气膨胀对软木 塞做功 水蒸气的部分内能转化为塞子的机械能 利用内能来做功是内能的另一个重要应用 物体的内能可以对外做功 这时它的内能减少 上述实验中 水蒸气对软木塞做功 这时水蒸气的温度降低 内能减少 所以我们会发现试管口出现大量的白气 人类历史上发现内能可以做功并制造出利用内能来做功的机器 热机 利用内能做功的过程 是内能转化为其它形式能的过程 热机就是将内能转化为机械 能的机器 现代的交通工具要使用热机 现代的火电站和热电站也要靠热机把内能转化为 机械能 然后再带动发电机发电 三 内燃机 通常根据燃料燃烧方式 将热机分为内燃机与蒸气发动机两类 凡是燃料直接在气缸 内燃烧 全部能量转化过程在气缸内完成的热机称为内燃机 先把燃料燃烧时释放的能量 的一部分传给工作物质 再由工作物质把得到的能量的一部分转化为机械能的称蒸气发动 机 又称外燃式热机 内燃机的工作物质是燃烧的烟气 而蒸气发动机似的工作物质是水 蒸气 今天我们主要来学习内燃机 内燃机是指燃料直接在气缸内燃烧的热机 内燃机有两种 汽油机和柴油机 1 汽油机 汽油机指汽油在汽油机气缸内燃烧 生成高温高压燃气 燃气推动活塞而做功 燃气 的内能转化为活塞运动的机械能 2 汽油机的构造 汽油机的构造 气缸 活塞 连杆 曲轴 进气道 排气道 进气门 排气门 火花 塞 活塞在汽缸里往复运动 活塞从气缸的一端运动到另一端叫做一个冲程 火花塞能产生电火花 它的主要功能是点燃汽油 曲轴转动 活塞在汽缸中往复运动 通过曲轴变成转动 进气门和排气门的开合 是由齿轮巧妙组合控制的 3 汽油机的工作原理 多数汽油机是由吸气 压缩 做功和排气四个冲程不断循环工作的 吸气冲程 吸气冲程中 活塞由上端向下端运动 此时进气门打开 排气门关闭 活塞向下运动 使气缸里的气体体积变大 压强减小 低于大气压 于是汽油和空气组成的混合物从进气 门被吸入气缸里 压缩冲程 压缩冲程中进气门和排气门都关闭 活塞向上运动压缩汽油和空气燃料的混合物做功 活塞的机械能转化为燃料混合物的内能 压强变大 温度升高 做功冲程 压缩冲程末尾 火花塞产生电火花 使燃料猛烈燃烧 产生高温高压燃气 高温高压 燃气对活塞做功 推动活塞向下运动 并通过连杆带动轴转动 此时进气门和排气门均关 闭 在做功冲程中 燃气的内能转化为活塞运动的机械能 排气冲程 排气冲程中 活塞向上运动 进气门关闭 排气门打开 废气被排到气缸外 汽油机就是由吸气 压缩 做功和排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的 在开始运转时 要靠外力先使曲轴转动起来 由曲轴通过连杆带动活塞运动 待汽油 机发动起来 它才能自己工作 四冲程内燃机的工作过程是由吸气 压缩 做功 排气四个冲程组成的 这四个冲程 叫做一个工作循环 在每个工作循环中 气缸内的活塞往复两次 曲轴转动两周 在四个 冲程中 只有做功冲程是燃气对外做功 其他三个冲程是辅助冲程 要靠安装在曲轴上的 飞轮的惯性来完成 4 应用 根据汽油机轻巧的特点 它常用在汽车 飞机和小型动力机械上面 2 柴油机与汽油机的异同 汽油机和柴油机在构造上的异同 柴油机的构造和汽油机相似 主要的不同是柴油 机气缸顶部没有火花塞 而有一个喷油嘴 由此喷油嘴可向气缸内喷入雾状柴油 柴油机与汽油机工作过程的异同 柴油机的工作过程与汽油机一样也分为吸气 压 缩 做功 排气冲程 不同的是 柴油机在吸气冲程吸入气缸的是新鲜空气 而汽油机吸 入的则是汽油和空气的混合燃料 在压缩冲程末汽油机是靠火花塞产生电火花 使燃料燃 烧 而柴油机是在压缩冲程末 从喷油嘴喷出雾状柴油遇到热空气立即燃烧 汽油机的点 火方式叫点燃式 柴油机的点火方式叫压燃式 由于柴油机中燃气的温度和压强比汽油机 中燃气的温度和压强高 所以做功冲程里柴油机燃气做的功也比较多 柴油机吸气冲程中吸入气缸里的只有空气 柴油机的点火方式叫压燃式 汽油机的点火方式叫点燃式 柴油机燃气做的功较汽油机燃气做的功多 汽油机和柴油机的相同之处 汽油机和柴油机相同之处是 基本构造和主要部件的作用相似 每个工作循环都一样 由吸气 压缩 做功 排气四个冲程组成 在这四个冲程中 只有做功冲程对外做功 其 余三个冲程靠飞轮的惯性来完成 一个工作循环中 活塞往复两次 曲轴转动两周 飞轮 转两圈 做功一次 四 热机的效率 一辆汽车从身旁驶过 有时根据人的嗅觉就能知道它的发动机是汽油机还是柴油机 这是因为它们排出的气体的味道不同 它们排出的气体中仍有汽油或柴油味 这说明汽油 或柴油并未完全燃烧 既然燃料没有完全燃烧 就说明有一部分能量被白白地损失掉了 有人曾用汽车的尾气加热饭菜就说明了这一点 除此之外 气缸壁等也会传走一部分 内能 以上这些都是没有转化成机械能的内能 那么曲轴获得的机械能是不是全部做了有用 功 当然不是 有一部分要传给飞轮以维持其继续转动 除此之外 由于各零部件之间有 摩擦 曲轴还需克服摩擦做功 热机的效率 由于以上原因 真正用来做有用功的能量只占燃烧燃料所能提供能量的一部分 所占 比例的大小 也就成了热机性能的标志 为此 我们再介绍一个新的概念 热机的效率 用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比 叫做热机 的效率 由于损失的原因比较多 所以热机的效率一般都较低 下图是内燃机的能流图以及火 电站的能流图 热机是人类使用的主要动力机 尽管它的效率还不高 我们仍然离不了它 问题的关 键是如何改进和提高它的性能 为了让燃料尽可能完全燃烧 可通过改善燃烧环境 调节油 气比例等来实现 为了 减小摩擦需要经常保养机器 适当调节各零部件间间隙 并注意保持润滑等 另外还应下 决心关停一些冒黑烟 耗能大的热机 以提高热机的整体水平 各种热机的效率是不同的 如推动世界第一次工业革命的蒸气机的效率只有 6 到 15 汽油机的效率约是 20 到 30 柴油机的效率约为 30 到 40 而飞机上的喷气式发动机 的效率能达到 50 到 60 由于能量的损失是不可避免的 所以热机的效率永远不可能达 到 100 我们只能是想方设法提高其机械效率 提高热机的效率 并非易事 需要解决的问题还很多 甚至每前进一步都要付出艰苦 的努力 不过我们相信 随着科学技术的飞速发展 以及新能源的不断开发 热机的性能 一定会得到较大提高 我们也期待着现在的青年中能涌现出更多瓦特式的人才 为人类研 制出更新更好的热机 五 环境保护 热机为人类的发展做出了重大贡献 但也带来了许多环境污染问题 各种热机排出大 量的废气 各种燃料燃烧时排放到大气中的烟尘 及排放的 SO2和 CO2还会形成酸雨 酸 雨被称作 空中死神 由于本世纪以来全球二氧化硫和氮氧化物的排放量分别增加了 6 倍 和 8 倍 由此导致酸雨降落范围日益扩大 其酸度不断上升 据报导 欧洲雨水酸度每年 增加 10 酸雨使土壤酸化 使林木降低抗病虫害能力 在酸性湖泊中 鱼卵不能孵化 微生物组成发生变化 有机物分解减慢 各级食物链改变 浮游植物和浮游生物减少 从 而使鱼类饵料减少 导致鱼的种类和数量减少 据报导 瑞典 挪威由于酸雨危害 已有 4 万多个湖泊中的鱼类大量死亡 数量庞大的汽车行驶时 排放的废气污染是不可忽视的 在一些国家就曾发生过汽车 排放的废气对城市严重污染的事件 如何在保持工业 交通发展的同时 又能控制废气与 粉尘的污染 提高空气质量 保护我们生存的家园 已经引起众多科学工作者和全世界各 个国家的关注 我国是一个发展中国家 在发展建设的同时 也应注意到环境的保护 典型例题典型例题 例 1 把 5 千克 40 的水烧开 需要完全燃烧多少千克的干木柴 已知干木柴的热值 为 1 2 107焦 千克 外界为标准大气压 并且燃料完全燃烧放出的热量全部被水吸收 分析 分析 利用吸热公式 Q吸 Cm t t0 可以算出将水烧开要吸收多少热量 解题时应注 意在标准大气压下 水的沸点是 100 即水烧开时的温度为 100 再利用燃料的热值求 干木柴的质量 解答 解答 Q吸 Cm t t0 4 2 103焦 千克 5 千克 100 40 1 26 106焦 因为 Q吸 Q放 1 26 106焦 所以干木柴质量 m Q q 12610 1210 0105 6 7 焦 焦 千克 千克 例 2 用煤油炉烧水 如果水至沸腾时吸收的热量是煤油完全燃烧放出热量的 40 烧开 一壶水要吸热 1 14 106J 那末 需燃烧多少克煤油 分析 分析 可先根据水实际吸热确定燃料放热的总量 再根据热值定义确定燃料的质量数 解答 解答 水吸收热量 燃料燃烧放热 40 因此燃料燃烧放热 水吸收热量 40 l 14 106J 0 4 2 85 106J 需要燃烧的煤油质量 燃料燃烧放热 热值 2 85 106J 4 6 107J kg 0 062kg 62g 需燃烧 62g 煤油 例 3 内能的重要应用 一是可用它直接来 物体 另一个是用它来 对物体 做功 可以使物体的内能 反过来 物体的内能也可以对外做功 这时内能 分析 分析 可从改变物体内能的两种方法中来考虑本题 另外 对物体做功 物体内能会 增加 物体对外做功 将消耗内能 使物体的内能减少 填答 填答 加热 做功 增加 减少 例 4 一柴油机的飞轮转速为 2400 l min 由此可推断 该柴油机每秒做功多少次 分析 分析 柴油机曲轴每转动 2 周完成一个工作循环 而柴油机每个工作循环只做功一次 解答 解答 因该柴油机飞轮转速为 2400 l min 40 l s 即 1s 内完成 20 个工作循环 所以每 秒做功 20 次 例 5 关于热机的效率 以下说法中正确的是 A 热机做的有用功越多 效率就一定越高 B 热机的功率大 效率就一定高 C 热机单位时间里耗费的燃料少 热机的效率就一定高 D 以上说法都不对 分析 分析 热机的效率是用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比 热 机做的有用功多 但消耗的燃料完全燃烧所放出的能量没有确定 就无法比较热机效率的 高低 热机的功率大 只表示单位时间内做的有用功多 在热机单位时间里所消耗燃料完 全燃烧所放出的能量没有确定的情况下 也无法判断热机效率高低 热机单位时间里消耗 的燃料少 在热机功率没有确定的情况下 无法确定单位时间里热机所做的有用功的多少 因而无法判断热机的效率高低 解答 解答 D 例 6 一辆汽车的发动机输出功率为 66 15kw 每小时耗 柴 油 14kg 请计算发动机的 效率 柴油的热值为 4 3 107J kg 分析 分析 计算发动机的热效率可根据热机效率的定义 先求出发动机做的有用功和消耗 的燃料完全燃烧放出的能量 然后再求效率 解答 解答 发动机每小时做的功 W Pt 66150W 3600s 2 38 108J 完全燃烧 14kg 柴油放出的能量 Q总 4 3 107J kg 14kg 6 02 108J 做有用功的能量 Q有 W 2 38 108J Q Q J J 有 总 23810 60210 100 395 8 8 发动机的效率是 39 5 模拟试题模拟试题 一 填空题 1 燃料的燃烧是一种 变化 在燃烧的过程中 燃料的 能转化为 能 也就是通常所说的释放出能量 2 1kg 某种燃料 放出的热量 叫做这种燃料的热值 无烟煤的热值是 3 4 107J kg 它的物理意义是 3 酒精的热值是 3 0 107J kg 酒精炉里装有 100g 酒精 若燃烧掉一半 放出的热量是 J 剩余部分酒精的热值是 4 内能的一个重要应用就是直接用它来 物体 物体在获得内能以后 会升 高 内能的另一个重要应用就是用它来 5 内燃机的工作特点是 让燃料在 燃烧 生成 的燃气 利用这个燃气作为 去推动 6 一般内燃机完成一个工作循环具有 个冲程 其中压缩冲程和做功冲程分别是第 和第 冲程 在压缩冲程里 能转变为 能 在做功冲程里 能 转化为 能 7 内燃机工作的一个循环中 只有 冲程对外做功 其它几个冲程是 冲程 要靠飞轮的 来完成 但从全局看 冲程 冲程和 冲程都是必不 可少的 它们为 冲程对外做功创造了条件 8 汽油机是用 使燃料燃烧的 这种点火方式叫做 柴油机是在 冲 程末 由 向气缸内喷射 它在远远超过它的燃点的热空气中立即燃烧 这种 点火方式叫做 9 柴油机和汽油机在吸气冲程中的不同是 汽油机吸入气缸里的是 柴油机吸入 气缸里的是 10 用来做 的那部分能量和燃料 放出的能量之比 叫做热机的效率 提高 热机效率的途径是 二 判断题 11 一台单缸汽油机 飞轮每分钟转 600 转 那么这台汽油机每分钟内完成 300 个工作 循环 12 热机的效率总小于或等于 1 13 总的看来 内燃机实现了内能向机械能的转化 但在它的工作过程中 也有机械能 转化为内能的过程 14 燃料的热值要随着燃料的不断燃烧而减小 三 选择题 15 热机工作的共同特点是 A 都有燃料进入汽缸 B 将燃料燃烧放出的内能传递给工作物质 使工作物质受热膨胀 对外作功 C 都能把燃料燃烧所释放出的内能全部转化为机械能 D 都有四个冲程 16 四冲程汽油机的转速是 60 l s 那么它每秒钟对外做功的次数是 A 30 次B 20 次C 600 次D 300 次 17 为了提高热机的效率 应尽可能 A 采用优质燃料 B 减少热机的各种热损失 保证良好的润滑 C 降低热机的功率 D 避免使用热机 18 内燃机的工作物质是 A 水蒸气 B 空气 C 燃料燃烧生成的高温高压气体 D 柴油 汽油和天然气 19 热能的效率越高 说明 A 能做