人教版九年级物理第14章内能的利用教学课件

第十四章

内能的利用第1节热机知识点一知识点二知识点一热机1.实验探究:利用内能做功猜想假设:(1)利用内能可以做功。(2)利用内能不能做功。设计实验:在试管中装入适量的水,用橡皮塞塞紧,按如图所示固定在铁架台上,用酒精灯加热。实验现象:水沸腾后,塞子会冲出来,试管口有白雾出现。知识点一知识点二分析归纳:酒精灯燃烧将化学能转化为水蒸气的内能,水蒸气对塞子做功,水蒸气的内能减少,温度降低,水蒸气液化形成“白气”。水蒸气的内能转化为塞子的机械能。总结结论:利用内能可以做功。知识点一知识点二2.热机:定义:把内能转化为机械能做功的机器。热机原理:是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能的机器。知识点一知识点二例1

如图所示的四种交通工具,不用热机作为动力机械的是(

)A.自行车

B.轮船

C.卡车

D.飞机

知识点一知识点二解析:自行车是消耗人的生物质能,转化为自行车的机械能;轮船、卡车、飞机工作时都要使用燃料,燃料燃烧时将内能转化为机械能,驱使它们运动,所以它们都是使用热机工作的。答案:A知识点一知识点二知识点二内燃机内燃机的基本原理:燃料在汽缸内燃烧,产生高温高压的燃气,利用这些燃气推动活塞做功。最常见的内燃机,以汽油或柴油为燃料,分别叫做汽油机和柴油机。1.汽油机(1)构造:如图所示知识点一知识点二(2)工作过程汽油机工作时活塞在汽缸内往复运动。活塞从一端运动到另一端叫做一个冲程。四冲程汽油机的工作过程由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。吸气冲程:进气门开启,排气门关闭,活塞在曲轴带动下由上向下运动。当活塞由上向下运动时,活塞上方的容积增大,由于进气门开启,汽缸与进气管相通,汽油和空气的混合气被吸入汽缸。当活塞移动到下端时,汽缸内充满了混合气。知识点一知识点二压缩冲程:进、排气门都关闭,活塞由下端运动到上端,汽缸内气体容积逐渐减小,气体被压缩,汽缸内的混合气压强与温度升高。在此冲程中机械能转化为内能。知识点一知识点二做功冲程:进、排气门同时关闭,火花塞点火,混合气体剧烈燃烧,汽缸内的温度、压强急剧上升,高温、高压气体推动活塞向下运动,通过连杆带动曲轴旋转。在发动机工作的四个冲程中,只有这个冲程才实现内能转化为机械能。知识点一知识点二排气冲程:排气门打开,进气门关闭,活塞从下端移动到上端,废气随着活塞的上行,被排出汽缸。知识点一知识点二拓展归纳:①四冲程的汽油机,一个工作循环要经历四个冲程,做功一次,曲轴转两圈,活塞往复两次。②四冲程的汽油机,在工作过程中有两次能量的转化,压缩冲程中是机械能转化为内能,做功冲程中是内能转化为机械能。③汽油机的四个冲程中,只有做功冲程中燃气对外做功,其他三个冲程都是辅助冲程,要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。④判断内燃机的四个冲程,应根据进气门的开、闭情况和活塞的运动方向去判断。知识点一知识点二2.柴油机柴油机与汽油机有共同的地方,也有不同之处。柴油机顶部有喷油嘴,没有火花塞。如图所示是四冲程柴油机的工作过程:知识点一知识点二(1)吸气冲程:此时排气门关闭,活塞在曲轴连杆机构带动下向下移动,汽缸内产生负压,于是空气经进气门进入汽缸。(2)压缩冲程:此时进、排气门都关闭,活塞向上运动,使汽缸内的空气被绝热压缩,压缩气体的温度升高。(3)做功冲程:在压缩冲程末,在喷油泵高压下柴油经喷油嘴喷入汽缸,成为雾状的细小油滴接触到高温高压空气,便自行着火燃烧,燃烧膨胀的气体推动活塞向下运动做功。(4)排气冲程:此时排气门打开,活塞向上运动,将汽缸内燃烧过的废气排出汽缸。在四个冲程中,活塞只有在做功冲程中做功,其他三个冲程是靠旋转起来的飞轮惯性而工作。高频率重复上述四个过程,柴油机就可以连续运转了。知识点一知识点二拓展归纳:(1)柴油机与汽油机的相同点:都是热机;一个工作循环都要经历吸气、压缩、做功、排气四个冲程。(2)柴油机与汽油机的不同点:①构造方面不同:柴油机没有火花塞,而在相应位置上安装的是喷油嘴;②吸气不同:吸入的气体不同。汽油机吸入的是汽油和空气的混合物,柴油机吸入的只是空气。③压缩冲程不同:柴油机压缩冲程末,气体体积要小得多。所以压强更大,温度更高,这个温度早已超过了柴油的燃点。故柴油机的效率比汽油机高。知识点一知识点二④做功冲程:汽油机靠火花塞点火。柴油机由于压缩气体温度已超过柴油燃点,从喷油嘴喷入雾状柴油便可立即燃烧,这种方式称为压燃式。⑤用途方面不同:柴油机比汽油机便宜,但汽油机一般比柴油机轻巧,所以汽油机通常用在飞机、小汽车、摩托车及一些小型农用机械上。而柴油机一般用在舰船、载重汽车、拖拉机、坦克以及发电机等大型设备上。知识点一知识点二例2

下图中的四个冲程不是按照热机正常工作的顺序排列的,你认为让汽车获得动力的冲程是

(

)知识点一知识点二解析:在汽油机的四个冲程中,进气阀和排气阀均关闭的只有压缩冲程和做功冲程,而在压缩冲程中活塞向上运动,做功冲程中活塞向下运动;一个气门打开,另一个气门关闭的是吸气冲程和排气冲程,而在吸气冲程中活塞向下运动,排气冲程中活塞向上运动;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,该冲程让汽车获得动力。由图可知:A是排气冲程,B是压缩冲程,C是吸气冲程,D是做功冲程。答案:D知识点一知识点二例3

(多选)(2015辽宁大连中考)在四冲程柴油机的做功冲程中,汽缸内气体的(

)A.内能减少

B.质量增大C.压强减小

D.温度降低解析:内燃机的做功冲程是将内能转化为机械能,故气体的内能减少、温度降低;做功冲程中活塞向下运动,汽缸内气体质量不变,体积变大,故气体的密度减小,压强减小。故选A、C、D。答案:ACD考点一考点二考点三考点一判断内燃机的四个冲程例1

(2015青海中考)如图表示四冲程内燃机工作时的示意图,一个工作循环的正确顺序为(

)A.甲、乙、丙、丁

B.丁、丙、乙、甲C.甲、丁、乙、丙

D.甲、丙、乙、丁考点一考点二考点三解析:甲图中进气门打开,排气门关闭,活塞向下运动,是吸气冲程;乙图中两个气门都关闭,活塞向下运动,是做功冲程;丙图中进气门关闭,排气门打开,活塞向上运动,是排气冲程;丁图中两个气门都关闭,活塞向上运动,是压缩冲程,故选项C正确。答案:C名师点评解决此题要知道内燃机的四个冲程,按照顺序有吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程;判断冲程可用口诀:“先看气门开关情,再看活塞上下行;开下吸气开上排,关上压缩关下功”;其中,气阀门都关闭谓之关,只有一个气阀门打开谓之开。考点一考点二考点三考点二内燃机中的能量转化例2

下图是四冲程汽油机的一个工作循环示意图,其中属于利用机械能转化为内能冲程的是(

)解析:在内燃机的四个冲程(吸气、压缩、做功、排气)中,有两次能量的转化。在做功冲程中,是把内能转化为机械能,在压缩冲程中是机械能转化为内能。A是吸气冲程,B是压缩冲程,C是做功冲程,D是排气冲程,故选项B正确。答案:B考点一考点二考点三名师点评解答本题要确定:(1)在做功冲程中,是把内能转化为机械能,在压缩冲程中是机械能转化为内能。(2)判断四个冲程:在内燃机的四个冲程中,进气门和排气门均关闭的只有压缩冲程和做功冲程,而在压缩冲程中活塞向上运动,做功冲程中活塞向下运动;一个气门打开,另一个气门关闭的是吸气冲程和排气冲程,而在吸气冲程中活塞向下运动,排气冲程中活塞向上运动。考点一考点二考点三考点三内燃机的转速与做功次数、冲程数的关系例3

若某四冲程汽油机在工作时3600r/min,则每秒(

)A.曲轴转动30圈B.共60个冲程C.活塞来回30次D.对外做功30次解析:飞轮转速是3

600

r/min=60

r/s,因一个工作循环飞轮、曲轴转2圈,活塞来回往复2次,对外做功一次,所以每秒可以做功30次、曲轴转动60圈、活塞来回60次、共120个冲程,故A、B、C错误,D正确。答案:D考点一考点二考点三名师点评解决此题要结合内燃机的四个冲程工作特点进行分析解答,记住:四冲程汽油机1个工作循环中,曲轴、飞轮转两圈,活塞来回往复2次,对外做功1次。据此分析计算。第2节热机的效率知识点一知识点二知识点一燃料的热值1.定义:1kg某种燃料完全燃烧放出的热量,叫做这种燃料的热值。2.燃料的种类:固体燃料,如木柴、煤、蜡等;液体燃料,如汽油、柴油、航空煤油等;气体燃料,如煤气、天然气、氢气等。3.单位:J/kg(或J/m3)4.热值的物理意义热值是燃料本身的一种特性,同种燃料的热值不随燃烧充分与否而变,不随燃料质量的大小而变,即每种燃料都有一个确定的热值,不同燃料的热值一般不同。知识点一知识点二温馨提示:热值是反映燃料燃烧释放热量的本领大小的物理量,所谓“完全燃烧”是指全部烧完的意思,即燃料的燃烧必须是与充足的氧气发生完全氧化反应,这是一个理想的燃烧过程,在实际中是难以实现的,所以计算出的理论值与实际有较大的差异(与实际燃烧条件有关)。5.燃料完全燃烧放出热量的计算公式:Q=qm。有的气体燃料完全燃烧放出的热量公式为Q=qV。Q:燃料燃烧放出的热量,q:热值,m:质量,V:体积。拓展归纳:(1)热值是燃料的特性。燃料不同,热值一般不同。热值与燃料的种类有关,与热量、质量、体积无关。(2)利用公式Q=qm(或Q=qV),进行计算时单位要统一,它们是J、J/kg(或J/m3)、kg(或m3)。(3)变形公式:知识点一知识点二例1

下列关于热值的说法中正确的是(

)A.燃料越多,它的热值就越大B.燃料燃烧时放出的热量越多,它的热值就越大C.相同质量的燃料,完全燃烧时放出的热量越多,热值越大D.同一种燃料,燃烧的情况不同,它的热值就不一样解析:热值是燃料的一种特性,它的大小与燃料自身有关,与燃料的质量、燃烧状况、燃烧时放出的热量无关。同种燃料热值相同,不同的燃料热值一般不同。故A、B、D均不正确。答案:C知识点一知识点二知识点二热机的效率1.燃料的利用率:(1)影响燃料有效利用的因素一是燃料不可能完全燃烧;二是燃料燃烧放出的热量只有一部分被有效利用。(2)炉子的效率炉子有效利用的热量(水吸收的热量)与燃料完全燃烧放出的热量的比值叫炉子的效率。公式:一般小型锅炉的热效率在60%左右,现代大型锅炉的热效率在90%左右。知识点一知识点二2.热机的效率:(1)热机燃料完全燃烧放出的热量走向示意图:知识点一知识点二a.燃料在汽缸内不可能完全燃烧,燃料的化学能不能全部转化为内能;b.在排气冲程时废气带走大部分的热量;c.热机的绝大部分零件都是金属,金属是热的良导体散失了一部分能量;d.热机在运转时各部件之间存在摩擦,克服摩擦做功消耗一部分能量。知识点一知识点二(2)热机的效率定义:用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的热量之比,叫热机的效率。公式:热机的效率热机的效率总是小于1的原因:因为热机在工作过程中,必须要消耗一部分的能量,用来克服摩擦做功,同时空气的热传导也会消耗一部分能量,严格起来讲,热机的效率甚至很难达到60%。知识点一知识点二知识点一知识点二拓展归纳:1.提高燃料的利用率的方法:(1)使煤充分燃烧:将煤磨成煤粒,加大送风量。(2)加大受热面积,减少烟气带走的热量。2.提高热机效率的方法:a.加强技术创新,采用先进的工艺和技术设计制造热机;b.使燃料在汽缸内充分燃烧;c.尽量减少各种热量散失;d.使用时,注意保养,定期检查,保证良好的润滑,减少因克服摩擦做功而消耗的能量。知识点一知识点二例2

用燃气灶烧水,燃烧0.5kg的煤气,使50kg的水从20℃升高到70℃。已知水的比热容为4.2×103J/(kg·℃),煤气的热值为4.2×107J/kg。求:(1)0.5kg煤气完全燃烧放出的热量。(2)水吸收的热量。(3)燃气灶烧水的效率。解析:(1)煤气完全燃烧放出的热量Q放=qm=4.2×107

J/kg×0.5

kg=2.1×107

J;(2)水吸收的热量Q吸=cm(t-t0)=4.2×103

J/(kg·℃)×50

kg×(70

℃-20

℃)=1.05×107

J;知识点一知识点二答案:(1)0.5kg煤气完全燃烧放出的热量为2.1×107J;(2)水吸收的热量为1.05×107J;(3)燃气灶烧水的效率为50%。考点一考点二考点一燃料的热值与热量计算例1

小彤家使用的是瓶装液化气,每瓶中装入的液化气质量为21kg,液化气的热值取5×107J/kg。(1)21kg的液化气完全燃烧,释放的热量是多少?(2)若整瓶液化气完全燃烧释放热量的40%被利用,那么可利用的热量是多少?可以把多少质量的水的温度由20℃加热到70℃?解析:(1)21

kg的液化气完全燃烧释放的热量Q放=mq=21

kg×5×107

J/kg=1.05×109

J;(2)整瓶液化气完全燃烧释放热量的40%被利用,故可利用的热量Q吸=Q放η=1.05×109

J×40%=4.2×108

J,由Q吸=cm(t-t0),得温度由20

℃加热到70

℃水的质量考点一考点二答案:(1)21kg的液化气完全燃烧释放的热量是1.05×109J;(2)可利用的热量是4.2×108J,可以把2000kg的水温度由20℃加热到70℃。名师点评本题考查了学生对吸热公式、燃料完全燃烧放出热量公式、效率公式的掌握和运用。(1)根据Q放=mq求出21

kg的液化气完全燃烧释放的热量;(2)根据效率公式

求出可利用的热量Q吸,再根据Q吸=cm(t-t0)求出可加热温度由20

℃加热到70

℃水的质量。考点一考点二考点二热机的效率例2

某省今年再次出现大面积干旱,各地都在使用抽水机引水灌溉。某抽水机在2h内把1.8×106kg的水提升了6m流入沟渠,再去灌溉农田。(g取10N/kg)求:(1)此抽水机2h做了多少有用功?(2)此抽水机的有用功率是多少?(3)带动抽水机的动力装置为柴油机,2小时燃烧的柴油为5L。则抽水机的效率为多少?(ρ柴油=0.8×103kg/m3,q柴油=4.0×107J/kg)解析:(1)抽水机对水做功W有用=Gh=mgh=1.8×106

kg×10

N/kg×6

m=1.08×108

J;考点一考点二答案:(1)1.08×108J

(2)15kW

(3)67.5%考点一考点二名师点评本题考查了学生对重力公式、密度公式、功的公式、功率公式、燃料完全燃烧放热公式、效率公式的掌握和运用。(1)知道抽水机2

h抽水的质量和高度,利用W=Gh=mgh求抽水机对水做的功(有用功);(2)知道抽水时间,利用

求抽水机的有用功率P有;(3)知道燃烧柴油的体积,利用密度公式求柴油的质量,再利用燃料完全燃烧放热公式Q放=mq求5

L柴油完全燃烧放出的热量(总能量),抽水机的效率等于用来做有用功的能量(对水做的功)和燃料完全燃烧放出能量的比值,即第3节能量的转化和守恒知识点一知识点二知识点一能量的转化1.自然界中能量的多样性自然界中存在着各种形式的物质运动,如机械运动、分子的无规则运动、电荷的运动、粒子的运动、光的传播、声的传播等。对应于不同的运动形式,能的形式也是多种多样的,每一种运动,都有一种能和它相对应。例如:机械运动——机械能;分子的无规则运动——内能;电荷的运动——电能等。还有与其他运动相对应的能量形式:光能、核能、化学能、太阳能、地热能、潮汐能等。知识点一知识点二2.能量的转化自然界中各种形式的能量,在一定条件下都可以相互转化。例如:知识点一知识点二知识点一知识点二知识点一知识点二3.自然界中各种形式的能量相互转化图知识点一知识点二拓展归纳:自然界中各种形式的能量都不是孤立的。不同形式的能量在一定条件下会发生相互转化,或在不同的物体间相互转移。能量转化是能量从一种形式变为另一种形式,能量的转移是在热传递的过程中,能量从高温物体传到低温物体,或从物体的高温部分传到物体的低温部分,能量的形式没有发生变化。知识点一知识点二例1

下图是火箭发射时的壮观情景,火箭发射升空时,燃料通过燃烧将

能转化为燃气的内能,燃气对火箭做功,又将

能转化为火箭的

能。

知识点一知识点二解析:燃料燃烧是化学能转化为内能,使燃气温度升高,内能增加,燃气向后喷出推动火箭运动,产生机械能。答案:化学

内

机械知识点一知识点二知识点二能量守恒1.能量守恒的探究(1)摆球为什么越摆越低?摆球摆动的过程,是机械能中的动能和势能的相互转化,摆球越摆越低,说明摆球的机械能减少了。减少的机械能是不是消失了呢?答案是机械能并没有消失,而是由于摆球和空气摩擦做功转化成了另一种形式的能——内能。减少了多少机械能就增加了多少内能,而能的总量保持不变。知识点一知识点二(2)杯子里的水变凉了,能量消失了吗?杯子里的水变凉了,说明杯子里水的内能减少了,杯子里水的内能消失了吗?答案是水的内能并没有消失,而是通过热传递的方式传到了空气中去了。杯子里的水减少多少内能,空气中就增加了多少内能,而能的总量保持不变。知识点一知识点二分析归纳:①大量事实告诉我们,任何一种形式的能量在转化为另一种形式的能量的过程中,一种形式的能量减少多少,另一种形式的能量就增加多少,而能的总量保持不变。②同一种形式的能量在转移的过程中,一个物体减少多少这种形式的能量,另一个物体就增加多少这种形式的能量,而能的总量保持不变。知识点一知识点二2.能量守恒定律能量既不会凭空消灭,也不会凭空产生,它只会从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到其他物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量保持不变。记忆口诀:不灭也不生,守恒宇宙中。3.永动机是不可能造成的能量守恒定律的发现,使人们认识到:任何一部机器,只能使能量从一种形式转化为另一种形式,而不能无中生有地制造能量。因此,根本不可能造出永动机。知识点一知识点二例2

下列说法中错误的是(

)A.能的转化和守恒定律只适用于物体内能的变化B.能的转化和守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器C.只要有能的转化和转移,就一定遵从能量守恒定律D.任何一种形式的能在转化为其他形式的能的过程中,消耗多少某种形式的能量,就能得到多少其他形式的能量,而能的总量是保持不变的知识点一知识点二解析:能的转化和守恒是一个普遍适用的规律,适用于自然界中任何能量转化,故A说法错误;能的转化和守恒定律帮助人类对自然界有了更深的了解,成为人类利用自然的有力的工具,故B说法正确;能量守恒定律适用于自然界中的任何能的转化过程,不论是转化还是转移都一定遵守能量守恒定律,故C说法正确;能量不会消失,只会从一种能变成另一种能,故消耗多少某种能就以其他能的形式表现出来,而总量保持不变,故D说法正确。答案:A考点一考点二考点一确定能量的转化形式例1

下列关于能量转化的实例,你认为说法正确的是(

)A.水轮机带动发电机发电:电能转化为机械能B.电动机工作:机械能转化为电能C.燃料燃烧:化学能转化为内能D.汽油机的压缩冲程:内能转化为机械能解析:水轮机带动发电机发电,将机械能转化为电能,故A错误;电动机工作过程中消耗电能转化为机械能,故B错误;燃料燃烧都是将化学能转化为内能,故C正确;汽油机的压缩冲程是机械能转化为内能,故D错误。答案:C考点一考点二名师点评自然界中的能量都以各种形式的能储存起来,在一定条件下可以相互转化。解决此题的关键是知道各种现象的能量储存方式和转化方式,明确消耗了哪种形式的能,得到了哪种形式的能。考点一考点二考点二能的转化和守恒定律的应用例2

阅读下文,回答文后问题:下图展示了一个极具想象力的设想,其大意是上面水池中的水流下来,冲击叶轮转动;叶轮带动打磨轮和水泵的轴转动;人利用打磨轮打磨工件,同时,运转的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中……只要一开始在上面水池中注满水,就能通过水的上下循环,使机器不停地工作。考点一考点二(1)按要求填写表中空白(2)这个设想曾得到不少人的赞许,并把这个装置誉为“永动机”。那么,这个装置真的能“永动”吗?为什么?考点一考点二解析:(1)上面水池中的水流下来,冲击叶轮转动是重力势能转化为动能;人们利用打磨轮打磨工件是机械能转化为内能;(2)这个装置不能“永动”,由于水从上面流到下面水池过程中,由于用来打磨物体消耗能量,故流下来的水不能全部被抽送到上面的水池中。即流下来的水要比抽上去的水多,随着时间的推移,上面水池中的水越来越少,一定时间后便不再有水从上面流下来,所以这个装置不能够“永动”。答案:(1)上面水池中的水流下来,冲击叶轮转动

机械能转化为内能(2)不能;不遵循能量守恒定律。考点一考点二名师点评此题要从能量的角度入手去分析解决:水从高处落下冲击叶轮,有一部分重力势能转化为叶轮的动能,还有一部分重力势能转化为掉入水池中的水的动能。转化为叶轮的动能的那部分能量也没有全部提供给水泵用来提升水,还有一部分用来打磨物体及转动部分摩擦做功。总之,明确在这个过程中存在着机械能的损失是解此题的关键。章末整合提升专题一专题二专题三专题一理解内燃机的工作过程例1

下图是四冲程内燃机工作循环中的一个冲程,它是(

)A.压缩冲程,将内能转化为机械能B.压缩冲程,将机械能转化为内能C.做功冲程,将内能转化为机械能D.做功冲程,将机械能转化为内能解析:图中的进气门和排气门关闭,活塞上行,因此这是压缩冲程;在压缩冲程中,将机械能转化为内能。故选B。答案:B专题一专题二专题三名师点评解决此题要结合内燃机的做功冲程特点和原理进行分析解答。首先要会判断内燃机四个冲程,注意从活塞的运动方向和气门的关闭两方面判断。然后判断能量的转化,做功冲程是内能转化为机械能,压缩冲程是机械能转化为内能。专题一专题二专题三专题二热机效率的综合计算例2

汽车已进入百姓家庭,汽车发动机性能的好坏备受人们关注。在汽车发动机的设计过程中,既要考虑能量的有效利用,又要考虑发动机的冷却问题。[汽油热值为4.6×107J/kg,汽油密度为0.7×103kg/m3,水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)](1)为了防止发动机过热,汽车的冷却系统常用水的循环来降低发动机的温度。5kg水在冷却系统中温度升高50℃,所吸收的热量是多少?(2)10L汽油在汽车发动机汽缸内燃烧30min,可以释放出多少能量(假设汽油完全燃烧)?若发动机输出的功率为