第十四单元内能的利用【综合复习讲义】(原卷版+解析)-2023年中考物理一轮大单元复习过过过(人教版)

第十四单元内能的利用【综合复习讲义】（原卷版）2023年中考物理一轮大单元复习过过过（人教版）一、【单元内容】《内能的利用》是在前面学习《内能》的基础上，进一步讨论内能的转化和实际应用的工具——热机。通过对四冲程内燃机工作原理的学习，使学生了解内燃机的主要结构；大致了解内燃机工作时能量的转化与转移情况；了解内燃机在现代生活,特别是交通方面的应用。通过具体分析,使学生认识到在利用燃料的内能方面，不可避免地会有一部分内能转化和转移到其他方面，因此要建立热机效率的概念，并与机械效率作联系和类比，之后自然引出能量守恒定律。通过本章的学习，使学生了解内燃机的发展对人类进步起到正面作用的同时，要使学生认识到它给环境带来的负面污染问题。节次内容解析第一节：热机蒸汽机的工作原理，热机的特点和种类。内燃机分为汽油机和柴油机，汽油机的四个工作冲程及特点；柴油机；重点是二者在结构和工作特点上的不同第二节：热机效率燃料的热值，热值是燃料的特性，反映燃料放热本领的大小。燃料燃烧放出的能量不能全部被热机利用来获得机械能，自然引出热机的效率，提高热机效率的方法第三节：能量的转化与守恒能量的种类，能量转化的方向性，能量的转化方式，各种能量在一定条件下都可以相互转化。能量守恒定律二、【单元课标要求】1.知道什么是热机、热机中的能量转化、四冲程内燃机的构造和工作原理；了解汽油机和柴油机的工作过程和在实际中的应用；提高学习兴趣,养成乐于讨论、乐于交流的习惯；培养学生观察实验现象和分析问题的能力。2.知道什么是燃料的热值及其单位的意义,会查燃料热值表；会计算某种燃料完全燃烧放出的热量；知道热机的效率；了解提高效率的途径；了解热机的使用对社会带来贡献的同时也带来环境污染,增强环保意识。3.知道各种形式的能量是可以相互转化的；知道在转化的过程中,能量的总量是保持不变的；能举出日常生活中能量守恒的实例。三、【单元学习目标】1．知道：热值的概念；2．了解：四冲程热机的构造和工作原理；四冲程热机各冲程工作过程；了解汽油机和柴油机异同；热机效率的概念以及提高热机效率的途径；各种形式的能量是可以相互转化的；3.能：识别热机四冲程；具有用能量守恒的观点分析物理现象的意识；4.认识：热机四冲程工作过程中的能量转化；生活中常见的能量；5.会：进行热值的简单计算；进行热机效率的简单计算。四、【单元导图】一、热机二、热机的效率三、能量的转化和守恒五、【单元学习任务】★知识点一：热机一、热机1.实验探究—热机工作原理【实验现象】如图所示，在试管中装一些水，用橡皮塞塞住试管口，固定在铁架台上，用酒精灯给试管加热，水沸腾后，水蒸气会把橡皮塞冲出去，试管口观察到大量“白雾”出现。【实验分析】酒精燃烧释放出热量（化学能转化为内能），通过热传递将一部分内能转移给水，水的内能增加，温度升高，产生大量水蒸气。水蒸气越来越多，对橡皮塞的压力越来越大，最后将橡皮塞冲出，这时水蒸气对橡皮塞做功。同时，水蒸气内能减小，温度降低，水蒸气液化成小水滴，在试管口可以观察到“白雾”。【探究归纳】该实验装置就是一个简单的热机。其工作过程是：燃料燃烧，化学能转化为内能，一部分内能通过热传递方式传递给工作物质—水，水内能增大，温度升高，产生大量水蒸气，水蒸气将橡皮塞冲出，水蒸气内能转化为橡皮塞机械能。特别提醒（1）实验时，橡皮塞不要塞得太紧，否则橡皮塞不易冲出，可能因试管气压太大导致试管炸裂而伤到人；（2）试管口不能对着人，以防试管内的水沸腾时冲出试管口伤到人。利用内能的两种方式（1）利用内能加热；（2）利用内能做功。其中利用内能加热是内能转移过程，利用内能做功是内能转化过程。2.热机（1）热机：利用内能做功的机械叫热机。汽车、轮船和飞机等的发动机都是利用燃烧燃料释放的内能做功的装置，都是热机。（2）热机的种类：分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。它们构造不同，但它们有一个共同特点，那就是利用内能做功。（3）内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。内燃机根据其所使用的燃料分为汽油机和柴油机两类。二、汽油机1.工作原理利用气缸内汽油燃烧产生的高温高压燃气来推动活塞做功，将内能转化为机械能。2.构造（1）主要结构：如图所示，汽油机的主体是气缸。气缸上部有进气门和排气门，顶部有火花塞，下部有活塞，活塞通过连杆与曲轴相连。（2）冲程：活塞在气缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。利用气缸内汽油燃烧产生的高温高压燃气来推动活塞做功，将内能转化为机械能。（3）试管实验与汽油机构造比较：如图。3.工作过程（1）汽油机的一个工作循环：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。通过四个冲程的不断循环来连续工作。（2）每完成一个工作循环，曲轴和飞轮均转动两周，活塞往返两次，对外做功一次。在四个冲程中，只有做功冲程对外做功，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带动活塞完成，周而复始，使汽油机连续转动下去。（3）汽油机工作过程如下：1.吸气冲程：进气门打开、排气门关闭。靠惯性运动，吸进汽油与空气的混合物2.压缩冲程：进气门关闭、排气门关闭。外界对气体做功，机械能转化为内能，气体温度升高3.进气门关闭、排气门关闭。化学能转化为内能，气体温度升高，气体对外做功，内能转化为机械能4.进气门关闭、排气门打开。靠惯性运动，排出废气三、柴油机1.工作原理利用柴油在气缸内燃烧所产生的高温高压燃气来推动活塞做功，将内能转化为机械能。2.构造柴油机构造和汽油机构造相似，所不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴。3.工作过程柴油机与汽油机工作过程大致相同，也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，在一个工作循环中，曲轴连续转动两周，活塞往复两次，对外做功一次。见下表：1.吸气冲程：进气门打开、排气门关闭。活塞向下运动，吸入空气2.压缩冲程：进气门关闭、排气门关闭。活塞向上运动，压缩空气，气体温度升高，超过柴油燃点3.进气门关闭、排气门关闭。喷油嘴喷出雾状柴油，遇到热空气立即猛烈燃烧，差高温高压气体，推动活塞向下运动4.进气门关闭、排气门打开。活塞向上运动，排出废气4.汽油机与柴油机的异同相同点：（1）基本构造和主要部件作用相似。（2）每个工作循环都一样，有吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。（3）四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其余三个冲程靠飞轮惯性完成。（4）一个工作循环中，活塞往复两次，曲轴转动两圈，飞轮转两圈，做功一次。不同点：（1）构造不同：汽油机汽缸顶部有火花塞，而柴油机汽缸顶部有喷油嘴。（2）燃料不同：汽油机燃烧汽油，而柴油机燃烧柴油。（3）吸气冲程不同：汽油机吸进汽油和空气和燃料混合物，柴油机只吸进空气。（4）点火方式不同：汽油机属点燃式点火，柴油机属压燃式点火。※知识拓展：四冲程气缸工作过程1.吸气冲程是向气缸内填充新鲜气体的过程。进气门打开，排气门关闭，活塞由上端向下运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸入气缸。活塞在气缸中由曲轴通过连杆带动从上止点向下止点移动的过程此时进气门打开；排气门关闭。当活塞到达下止点时该过程结束。2.压缩冲程是将缸内的气体压缩的过程（为燃烧着火创造基本条件，缸内温度升高）。进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高。活塞在气缸中由曲轴通过连杆带动从下止点向上止点移动的过程此时进气门、排气门均关闭。当活塞到达上止点时该过程结束。3.做功冲程在压缩冲程未尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气。高温高压燃气推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动。活塞在燃气压力的作用下由上止点向下止点运动，曲轴通过连杆带动旋转输出功。此时进、排气门均关闭。当活塞到达下止点时该过程结束。4.排气冲程是为了下一循环工作而清除缸内燃烧后的废气的过程。进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。活塞在气缸中由曲轴通过连杆带动从下止点相上止点运动的过程。当活塞到达上止点时该过程结束。★知识点二：热机效率一、燃料的热值1.燃料（1）燃料的种类燃料是指可燃烧的物质，根据不同标准，燃料可分为不同的种类，最常见的是按其物理状态分类。（2）燃料燃烧时能量转化燃料在燃烧时将化学能转化为内能。2.燃料的热值燃料种类很多，由于其燃烧成分不同，相同质量的不同燃料完全燃烧时放出的热量不同，在物理学上用“热值”来表示燃料燃烧的放热本领。（1）热值：某种燃料完全燃烧放出的热量，与其质量的比值叫这种燃料的热值；用“q”表示。（2）热值单位：J/kg。（3）热值的物理意义：一、1kg某种燃料完全燃烧放出的热量就等于该燃料的热值；二、热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关。（4）燃料燃烧放出的热量：特别提醒固体燃料、液体燃料的热值以“J/kg”为单位，而气体燃料的热值以“J/m3”为单位。因此（5）对燃料热值的透析热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关对于热值的概念，要注重理解三个关键词：“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg是指燃料的质量，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不等于热值的数值；某种燃料是指热值与燃料的种类有关；完全燃烧意思是燃料要完全烧尽，否则1kg燃料燃烧过程中，化学能转变成内能就不是该热值所确定的值燃料热值的高低是衡量燃料优劣的主要指标特别提醒常用燃料的热值见下表：二、热机的效率1.燃料的有效利用：用煤气灶、锅炉、煤炉等烧水时，燃料不能完全燃烧利用，具体原因是多样的。例如，燃料不能完全燃烧而损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量、灶体本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，水吸收的热量只占燃料燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是有效利用的部分。如图所示：2.锅炉的效率（1）锅炉是利用燃料或其他热源把水加热成热水或蒸汽的设备。锅炉包括锅和炉两部分，锅是指盛水的容器，炉是燃料燃烧的装置。（2）提高锅炉燃料利用率的途径：一、让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；二、减少热量损失，如加大有效受热面积等。3.内燃机中热量燃烧的能量流向图4.热机效率（1）定义：用来做有用功的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值。（2）计算公式：对热机而言，其中用来做有用功的能量Q有用等于热机对外的有用功W有用，故热机的效率公式又可写成：。（3）物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是热机性能的一个重要指标。（4）常见热机效率：蒸汽机6%-15%，汽油机20%-30%，柴油机30%-45%。特别提醒5.提高热机效率的主要途径①改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧（将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之更充分燃烧）；②减少各种热量损失（I.加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量；II.使用较好的保温材料，减少热损失）；③在热机设计和制造上，采用先进的技术；④保障良好的润滑，减少机械摩擦。废弃能量的利用在热机的能量损失中，废气带走的能量最多，所以设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的主要措施。例如，人们将发电厂蒸汽轮机排除的废气送入热电站进行供热，将废气中的能量甲乙利用，大大提高了热量的利用率。★知识点三：能量的转化和守恒一、能量的转化与转移1.能量的存在形式2.能量的转化在一定条件下，能量可以从一种形式的能量转化为另一种形式的能量，这种现象叫能量的转化。自然界转化各种形式的能，在一定条件下都可以相互转化。如图为能量转化示意图。3.能量的转移能量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从物体的一部分转移到另一部分。例如，在热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体，或从物体的高温部分转移到低温部分，这属于能量的转移。特别提醒：能量的“转化”和“转移”的区别（1）能量的转化：能量的转化时能的形式发生了改变。在能量转化过程中，一种形式的能量增加了，必然其他形式的能量减少了。（2）能量的转移：能量的转移是指能量从一个物体转移到另一个物体，或从物体的一部分转移到另一部分，能量的形式没有改变。二、能量守恒定律1.能量守恒定律（1）能量守恒定律内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变。（2）对能量守恒定律的理解：①能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体，小到原子核，也无论是物理学问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都遵从能量守恒定律。②能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。特别提醒：机械能守恒和能量守恒的区别与联系（1）机械能守恒需要满足一定的条件，能量守恒不需要条件。（2）机械能守恒是能量守恒的特殊情况。2.永动机（1）不少人曾设想制造一种不需要动力就能源源不断地对外做功的机器，人们把这种机器叫做永动机。然而，从没有一种永动机成功过。（2）能量守恒定律使人们认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为其他形式，而不能无中生有地制造能量。因此，根本不可能制造出永动机。六、【单元备考】考点一：内燃机冲程及其能量转化情况▲方法点拨：（1）四冲程内燃机的工作过程分为吸气、压缩、做功和排气四个冲程；（2）四个冲程组成一个工作循环。一个工作循环活塞往返两次，曲轴转动两周，对外做功一次；（3）压缩冲程将机械能转化为内能，气缸内的气体体积减小→内能增加→温度升高→压强增大；做功冲程将内能转化为机械能，气缸内气体体积增大→内能减少→温度降低→压强减小。【典例一】冬天，人们常搓手取暖，这个过程中的能量转化与四冲程内燃机的哪个冲程相同（）。A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程考点二：内能的利用与能量转化和转移分析▲方法点拨：人们利用内能的形式主要有两种：一是利用内能做功，典型的例子就是内燃机；二是利用内能加热，常见的与煤气灶、锅炉、天然气灶等。1.利用内能做功的过程是内能的转化为其他形式能的过程。做拉力多少功，有就多少内能发生的转化，转化前后能量是守恒的。2.利用内能加热是能量的转移过程。例如，一杯热水一杯冷水混合，不考虑能量损失时，热水降温减少了多少内能，冷水变热就增加多少内能，转移前后能量是守恒的。自然界中除了内能可以同其他形式的能发生转化外，其他各种形式的能量之间也可以发生相互转化。在分析能量转化和转移过程中，要明确研究对象和所研究的过程，注意分析物体的起始状态和最终状态所具有的能的形式。【典例二】如图所示描述的物理过程，下列分析正确的是（）。A．图甲：厚玻璃筒内的空气被压缩时，空气的温度升高，内能不变；B．图乙：瓶子内的空气推动塞子做功后，瓶子内空气的内能增大；C．图丙：试管内的水蒸气推动塞子冲出时，水蒸气的内能增加D．图丁：汽缸内的气体推动活塞向下运动，内能转化为机械能，气体内能减少考点三：燃烧放热与“三率”的计算▲方法点拨：1.燃料燃烧时放出的热量：或。2.“三率”的区分与计算热机效率燃料的利用率能量的转化率转化成机械能的那部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比被水吸收的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比在能量转化时，的得到的新能量与被转化的总能量之比求解效率问题的通法：得到的那部分能量（有用能量）和消耗掉的能量（总能量）之比。可统一记为3.解答计算热量与“三率”问题一般有以下两种思路：（1）分析题目所给的已知条件，思考根据这些条件能求出什么量，再根据求出的物理量思考还能求出什么量，逐步由前往后推导，直至推出题目所要求的量；（2）分析题目所问的问题，思考求解这些问题需要哪些物理量，要得到这些物理量，又需要什么，逐步由前往后推导。【典例三】质量为1.4kg的干木柴完全燃烧，所放出的热量为______J，木材燃烧后通过______方式将水加热，如果这些热量的50%被质量为50kg的水吸收，则水的温度升高______℃（已知：干木柴的热值为1.2×107J/kg，水的比热4.2×103J/（kg•℃）七、【单元训练】一、选择题1．如图所示，将铁丝快速弯折十余次，弯折处温度升高，该过程与四冲程汽油机哪一个冲程能量转化相同？（）A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程2.下列有关热现象，说法正确的是（）。A．1kg酒精比1g酒精的热值大；B．夏日荷塘里荷花盛开，花香四溢说明分子在不停地做无规则运动；C．用锯条锯木板，锯条的温度升高是由于锯条从木板中吸收了热量；D．用水作为汽车发动机散热器的冷却剂，其主要原因是水的比热容较小3.下列流程图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及到的主要能量转化情况．关于对图中①②③④的补充正确的是（）。A.①做功冲程②内能转化为机械能③压缩冲程④机械能转化为内能；B.①压缩冲程②内能转化为机械能③做功冲程④机械能转化为内能；C.①压缩冲程②机械能转化为内能③做功冲程④内能转化为机械能；D.①做功冲程②机械能转化为内能③压缩冲程④内能转化为机械能4.列关于内燃机说法正确的是(

)。A.柴油机吸气冲程吸入的是柴油和空气的混合物；B.汽油机气缸顶部有喷油嘴；C.做功冲程中内能转化为机械能；D.内燃机功率越大，效率越高5.如图是四冲程汽油机一个工作循环中的两个冲程，下列判断正确的是（）。A.甲图为吸气冲程，燃气的内能转化为活塞的机械能；B.乙图为压缩冲程，活塞的机械能转化为燃气的内能；C.甲图为做功冲程，活塞的机械能转化为燃气的内能；D.乙图为排气冲程，燃气的内能转化为活塞的机械能6.下列关于热机的说法中，正确的是（）。A．加润滑油减少机器各部件之间的摩擦，可以使热机效率大于1；B．柴油机工作时，将内能转化为机械能的是做功冲程；C．四冲程汽油机有两个冲程是对外做功的；D．热机不属于大气污染的主要来源二、填空题7.长征十一号运载火箭是由中国航天科技集团公司研制的新型四级全固体运载火箭，最大推力可达1200千牛，火箭需选用热值（选填“大”或“小”）的固体燃料，该火箭发射时固体燃料燃烧质量不断减少的过程中，燃料的热值（选填“变大”、“变小”或“不变”）。8.小明在家中用煤气灶将初温为20℃，质量为1kg的一壶水加热到80℃，这是通过的方式使水的内能增加，如果煤气完全燃烧放出的热量只有60%被水吸收，则至少需要燃烧kg的煤气[水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），煤气的热值为4.2×107J/kg]。9.内燃机的一个工作循环由压缩、做功、排气四个冲程组成，一台单缸四冲程汽油机的飞轮转速是1200r/min，则汽油机每秒钟对外做功次。10．周末，小明用热水为家人热盒装牛奶，他把3盒牛奶放入装有温度是90℃、质量是2kg热水的盆中，经过一段时间，3盒牛奶的温度都从10℃变成了45℃，这段时间内每盒牛奶从水中吸收了_______J的热量；若盆中热水对牛奶加热的效率是50%，则此时盆中水的温度是_______℃。已知：每盒牛奶的质量0.25kg，牛奶的比热容4.0×103J/（kg•℃），水的比热容4.2×103J/（kg•℃）。三、计算题11．最近几年我国大力发展新能源汽车。一辆质量为1.68t的氢燃料新能源汽车行驶在一段斜坡路上，从坡底以18km/h的速度匀速行驶2min到达高为100m的坡顶，行驶过程中汽车的输出功率保持56kW不变。求：（g取10N/kg，氢的热值为平）（1）汽车的牵引力是多大？（2）斜坡的机械效率是多大？（3）若汽车发动机的热机效率为50%，则全程共消耗多少克氢燃料？12.某物理兴趣小组的同学，用煤炉给20kg的水加热，同时他们绘制了如图所示的加热过程中水温随时间变化的图线。若从开始加热计时，在4min内完全燃烧了0.7kg的煤，水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），煤的热值约为3×107J/kg。求：（1）经过4min时间加热，水所吸收的热量；（2）在4min内煤完全燃烧放出的热量；（3）这段时间煤炉烧水时的热效率。第十四单元内能的利用【综合复习讲义】（解析版）2023年中考物理一轮大单元复习过过过（人教版）一、【单元内容】《内能的利用》是在前面学习《内能》的基础上，进一步讨论内能的转化和实际应用的工具——热机。通过对四冲程内燃机工作原理的学习，使学生了解内燃机的主要结构；大致了解内燃机工作时能量的转化与转移情况；了解内燃机在现代生活,特别是交通方面的应用。通过具体分析,使学生认识到在利用燃料的内能方面，不可避免地会有一部分内能转化和转移到其他方面，因此要建立热机效率的概念，并与机械效率作联系和类比，之后自然引出能量守恒定律。通过本章的学习，使学生了解内燃机的发展对人类进步起到正面作用的同时，要使学生认识到它给环境带来的负面污染问题。节次内容解析第一节：热机蒸汽机的工作原理，热机的特点和种类。内燃机分为汽油机和柴油机，汽油机的四个工作冲程及特点；柴油机；重点是二者在结构和工作特点上的不同第二节：热机效率燃料的热值，热值是燃料的特性，反映燃料放热本领的大小。燃料燃烧放出的能量不能全部被热机利用来获得机械能，自然引出热机的效率，提高热机效率的方法第三节：能量的转化与守恒能量的种类，能量转化的方向性，能量的转化方式，各种能量在一定条件下都可以相互转化。能量守恒定律二、【单元课标要求】1.知道什么是热机、热机中的能量转化、四冲程内燃机的构造和工作原理；了解汽油机和柴油机的工作过程和在实际中的应用；提高学习兴趣,养成乐于讨论、乐于交流的习惯；培养学生观察实验现象和分析问题的能力。2.知道什么是燃料的热值及其单位的意义,会查燃料热值表；会计算某种燃料完全燃烧放出的热量；知道热机的效率；了解提高效率的途径；了解热机的使用对社会带来贡献的同时也带来环境污染,增强环保意识。3.知道各种形式的能量是可以相互转化的；知道在转化的过程中,能量的总量是保持不变的；能举出日常生活中能量守恒的实例。三、【单元学习目标】1．知道：热值的概念；2．了解：四冲程热机的构造和工作原理；四冲程热机各冲程工作过程；了解汽油机和柴油机异同；热机效率的概念以及提高热机效率的途径；各种形式的能量是可以相互转化的；3.能：识别热机四冲程；具有用能量守恒的观点分析物理现象的意识；4.认识：热机四冲程工作过程中的能量转化；生活中常见的能量；5.会：进行热值的简单计算；进行热机效率的简单计算。四、【单元导图】一、热机二、热机的效率三、能量的转化和守恒五、【单元学习任务】★知识点一：热机一、热机1.实验探究—热机工作原理【实验现象】如图所示，在试管中装一些水，用橡皮塞塞住试管口，固定在铁架台上，用酒精灯给试管加热，水沸腾后，水蒸气会把橡皮塞冲出去，试管口观察到大量“白雾”出现。【实验分析】酒精燃烧释放出热量（化学能转化为内能），通过热传递将一部分内能转移给水，水的内能增加，温度升高，产生大量水蒸气。水蒸气越来越多，对橡皮塞的压力越来越大，最后将橡皮塞冲出，这时水蒸气对橡皮塞做功。同时，水蒸气内能减小，温度降低，水蒸气液化成小水滴，在试管口可以观察到“白雾”。【探究归纳】该实验装置就是一个简单的热机。其工作过程是：燃料燃烧，化学能转化为内能，一部分内能通过热传递方式传递给工作物质—水，水内能增大，温度升高，产生大量水蒸气，水蒸气将橡皮塞冲出，水蒸气内能转化为橡皮塞机械能。特别提醒（1）实验时，橡皮塞不要塞得太紧，否则橡皮塞不易冲出，可能因试管气压太大导致试管炸裂而伤到人；（2）试管口不能对着人，以防试管内的水沸腾时冲出试管口伤到人。利用内能的两种方式（1）利用内能加热；（2）利用内能做功。其中利用内能加热是内能转移过程，利用内能做功是内能转化过程。2.热机（1）热机：利用内能做功的机械叫热机。汽车、轮船和飞机等的发动机都是利用燃烧燃料释放的内能做功的装置，都是热机。（2）热机的种类：分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。它们构造不同，但它们有一个共同特点，那就是利用内能做功。（3）内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。内燃机根据其所使用的燃料分为汽油机和柴油机两类。二、汽油机1.工作原理利用气缸内汽油燃烧产生的高温高压燃气来推动活塞做功，将内能转化为机械能。2.构造（1）主要结构：如图所示，汽油机的主体是气缸。气缸上部有进气门和排气门，顶部有火花塞，下部有活塞，活塞通过连杆与曲轴相连。（2）冲程：活塞在气缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。利用气缸内汽油燃烧产生的高温高压燃气来推动活塞做功，将内能转化为机械能。（3）试管实验与汽油机构造比较：如图。3.工作过程（1）汽油机的一个工作循环：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。通过四个冲程的不断循环来连续工作。（2）每完成一个工作循环，曲轴和飞轮均转动两周，活塞往返两次，对外做功一次。在四个冲程中，只有做功冲程对外做功，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带动活塞完成，周而复始，使汽油机连续转动下去。（3）汽油机工作过程如下：1.吸气冲程：进气门打开、排气门关闭。靠惯性运动，吸进汽油与空气的混合物2.压缩冲程：进气门关闭、排气门关闭。外界对气体做功，机械能转化为内能，气体温度升高3.进气门关闭、排气门关闭。化学能转化为内能，气体温度升高，气体对外做功，内能转化为机械能4.进气门关闭、排气门打开。靠惯性运动，排出废气三、柴油机1.工作原理利用柴油在气缸内燃烧所产生的高温高压燃气来推动活塞做功，将内能转化为机械能。2.构造柴油机构造和汽油机构造相似，所不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴。3.工作过程柴油机与汽油机工作过程大致相同，也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，在一个工作循环中，曲轴连续转动两周，活塞往复两次，对外做功一次。见下表：1.吸气冲程：进气门打开、排气门关闭。活塞向下运动，吸入空气2.压缩冲程：进气门关闭、排气门关闭。活塞向上运动，压缩空气，气体温度升高，超过柴油燃点3.进气门关闭、排气门关闭。喷油嘴喷出雾状柴油，遇到热空气立即猛烈燃烧，差高温高压气体，推动活塞向下运动4.进气门关闭、排气门打开。活塞向上运动，排出废气4.汽油机与柴油机的异同相同点：（1）基本构造和主要部件作用相似。（2）每个工作循环都一样，有吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。（3）四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其余三个冲程靠飞轮惯性完成。（4）一个工作循环中，活塞往复两次，曲轴转动两圈，飞轮转两圈，做功一次。不同点：（1）构造不同：汽油机汽缸顶部有火花塞，而柴油机汽缸顶部有喷油嘴。（2）燃料不同：汽油机燃烧汽油，而柴油机燃烧柴油。（3）吸气冲程不同：汽油机吸进汽油和空气和燃料混合物，柴油机只吸进空气。（4）点火方式不同：汽油机属点燃式点火，柴油机属压燃式点火。※知识拓展：四冲程气缸工作过程1.吸气冲程是向气缸内填充新鲜气体的过程。进气门打开，排气门关闭，活塞由上端向下运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸入气缸。活塞在气缸中由曲轴通过连杆带动从上止点向下止点移动的过程此时进气门打开；排气门关闭。当活塞到达下止点时该过程结束。2.压缩冲程是将缸内的气体压缩的过程（为燃烧着火创造基本条件，缸内温度升高）。进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高。活塞在气缸中由曲轴通过连杆带动从下止点向上止点移动的过程此时进气门、排气门均关闭。当活塞到达上止点时该过程结束。3.做功冲程在压缩冲程未尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气。高温高压燃气推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动。活塞在燃气压力的作用下由上止点向下止点运动，曲轴通过连杆带动旋转输出功。此时进、排气门均关闭。当活塞到达下止点时该过程结束。4.排气冲程是为了下一循环工作而清除缸内燃烧后的废气的过程。进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。活塞在气缸中由曲轴通过连杆带动从下止点相上止点运动的过程。当活塞到达上止点时该过程结束。★知识点二：热机效率一、燃料的热值1.燃料（1）燃料的种类燃料是指可燃烧的物质，根据不同标准，燃料可分为不同的种类，最常见的是按其物理状态分类。（2）燃料燃烧时能量转化燃料在燃烧时将化学能转化为内能。2.燃料的热值燃料种类很多，由于其燃烧成分不同，相同质量的不同燃料完全燃烧时放出的热量不同，在物理学上用“热值”来表示燃料燃烧的放热本领。（1）热值：某种燃料完全燃烧放出的热量，与其质量的比值叫这种燃料的热值；用“q”表示。（2）热值单位：J/kg。（3）热值的物理意义：一、1kg某种燃料完全燃烧放出的热量就等于该燃料的热值；二、热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关。（4）燃料燃烧放出的热量：特别提醒固体燃料、液体燃料的热值以“J/kg”为单位，而气体燃料的热值以“J/m3”为单位。因此（5）对燃料热值的透析热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关对于热值的概念，要注重理解三个关键词：“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg是指燃料的质量，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不等于热值的数值；某种燃料是指热值与燃料的种类有关；完全燃烧意思是燃料要完全烧尽，否则1kg燃料燃烧过程中，化学能转变成内能就不是该热值所确定的值燃料热值的高低是衡量燃料优劣的主要指标特别提醒常用燃料的热值见下表：二、热机的效率1.燃料的有效利用：用煤气灶、锅炉、煤炉等烧水时，燃料不能完全燃烧利用，具体原因是多样的。例如，燃料不能完全燃烧而损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量、灶体本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，水吸收的热量只占燃料燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是有效利用的部分。如图所示：2.锅炉的效率（1）锅炉是利用燃料或其他热源把水加热成热水或蒸汽的设备。锅炉包括锅和炉两部分，锅是指盛水的容器，炉是燃料燃烧的装置。（2）提高锅炉燃料利用率的途径：一、让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；二、减少热量损失，如加大有效受热面积等。3.内燃机中热量燃烧的能量流向图4.热机效率（1）定义：用来做有用功的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值。（2）计算公式：对热机而言，其中用来做有用功的能量Q有用等于热机对外的有用功W有用，故热机的效率公式又可写成：。（3）物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是热机性能的一个重要指标。（4）常见热机效率：蒸汽机6%-15%，汽油机20%-30%，柴油机30%-45%。特别提醒5.提高热机效率的主要途径①改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧（将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之更充分燃烧）；②减少各种热量损失（I.加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量；II.使用较好的保温材料，减少热损失）；③在热机设计和制造上，采用先进的技术；④保障良好的润滑，减少机械摩擦。废弃能量的利用在热机的能量损失中，废气带走的能量最多，所以设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的主要措施。例如，人们将发电厂蒸汽轮机排除的废气送入热电站进行供热，将废气中的能量甲乙利用，大大提高了热量的利用率。★知识点三：能量的转化和守恒一、能量的转化与转移1.能量的存在形式2.能量的转化在一定条件下，能量可以从一种形式的能量转化为另一种形式的能量，这种现象叫能量的转化。自然界转化各种形式的能，在一定条件下都可以相互转化。如图为能量转化示意图。3.能量的转移能量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从物体的一部分转移到另一部分。例如，在热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体，或从物体的高温部分转移到低温部分，这属于能量的转移。特别提醒：能量的“转化”和“转移”的区别（1）能量的转化：能量的转化时能的形式发生了改变。在能量转化过程中，一种形式的能量增加了，必然其他形式的能量减少了。（2）能量的转移：能量的转移是指能量从一个物体转移到另一个物体，或从物体的一部分转移到另一部分，能量的形式没有改变。二、能量守恒定律1.能量守恒定律（1）能量守恒定律内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变。（2）对能量守恒定律的理解：①能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体，小到原子核，也无论是物理学问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都遵从能量守恒定律。②能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。特别提醒：机械能守恒和能量守恒的区别与联系（1）机械能守恒需要满足一定的条件，能量守恒不需要条件。（2）机械能守恒是能量守恒的特殊情况。2.永动机（1）不少人曾设想制造一种不需要动力就能源源不断地对外做功的机器，人们把这种机器叫做永动机。然而，从没有一种永动机成功过。（2）能量守恒定律使人们认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为其他形式，而不能无中生有地制造能量。因此，根本不可能制造出永动机。六、【单元备考】考点一：内燃机冲程及其能量转化情况▲方法点拨：（1）四冲程内燃机的工作过程分为吸气、压缩、做功和排气四个冲程；（2）四个冲程组成一个工作循环。一个工作循环活塞往返两次，曲轴转动两周，对外做功一次；（3）压缩冲程将机械能转化为内能，气缸内的气体体积减小→内能增加→温度升高→压强增大；做功冲程将内能转化为机械能，气缸内气体体积增大→内能减少→温度降低→压强减小。【典例一】冬天，人们常搓手取暖，这个过程中的能量转化与四冲程内燃机的哪个冲程相同（）。A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程【答案】B。【解析】人们在冬天常常搓手取暖，是通过搓手将机械能转化为内能，内能增加，温度升高，手暖和，这是通过做功的方式改变手的内能，这与汽油机工作中的压缩冲程的能量转化相同，都是将机械能转化为内能，故ACD不符合题意，B符合题意。故选B。考点二：内能的利用与能量转化和转移分析▲方法点拨：人们利用内能的形式主要有两种：一是利用内能做功，典型的例子就是内燃机；二是利用内能加热，常见的与煤气灶、锅炉、天然气灶等。1.利用内能做功的过程是内能的转化为其他形式能的过程。做拉力多少功，有就多少内能发生的转化，转化前后能量是守恒的。2.利用内能加热是能量的转移过程。例如，一杯热水一杯冷水混合，不考虑能量损失时，热水降温减少了多少内能，冷水变热就增加多少内能，转移前后能量是守恒的。自然界中除了内能可以同其他形式的能发生转化外，其他各种形式的能量之间也可以发生相互转化。在分析能量转化和转移过程中，要明确研究对象和所研究的过程，注意分析物体的起始状态和最终状态所具有的能的形式。【典例二】如图所示描述的物理过程，下列分析正确的是（）。A．图甲：厚玻璃筒内的空气被压缩时，空气的温度升高，内能不变；B．图乙：瓶子内的空气推动塞子做功后，瓶子内空气的内能增大；C．图丙：试管内的水蒸气推动塞子冲出时，水蒸气的内能增加D．图丁：汽缸内的气体推动活塞向下运动，内能转化为机械能，气体内能减少【答案】D。【解析】A．图甲中厚玻璃内的空气被压缩时，活塞对空气做功，瓶内空气温度升高，空气的内能增加，故A错误；B．图乙中瓶子内的空气推动塞子跳起时，空气对活塞做功，空气的内能减小，故B错误；C．图丙中试管内的水蒸气推动了塞子冲出时，水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能转化为塞子的机械能，水蒸气的内能减少，故C错误；D．图丁中汽缸内的气体推动活塞向下运动时（即做功冲程），内能转化为机械能，气体的内能减少，故D正确。故选D。考点三：燃烧放热与“三率”的计算▲方法点拨：1.燃料燃烧时放出的热量：或。2.“三率”的区分与计算热机效率燃料的利用率能量的转化率转化成机械能的那部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比被水吸收的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比在能量转化时，的得到的新能量与被转化的总能量之比求解效率问题的通法：得到的那部分能量（有用能量）和消耗掉的能量（总能量）之比。可统一记为3.解答计算热量与“三率”问题一般有以下两种思路：（1）分析题目所给的已知条件，思考根据这些条件能求出什么量，再根据求出的物理量思考还能求出什么量，逐步由前往后推导，直至推出题目所要求的量；（2）分析题目所问的问题，思考求解这些问题需要哪些物理量，要得到这些物理量，又需要什么，逐步由前往后推导。【典例三】质量为1.4kg的干木柴完全燃烧，所放出的热量为______J，木材燃烧后通过______方式将水加热，如果这些热量的50%被质量为50kg的水吸收，则水的温度升高______℃（已知：干木柴的热值为1.2×107J/kg，水的比热4.2×103J/（kg•℃）【答案】1.68×107；热传递；40。【解析】[1][2]干木柴放出的热量为Q放＝m干木柴q＝1.4kg×1.2×107J/kg＝1.68×107J水吸收热量，是通过热传递的方式将水加热。[3]由得，水吸收的热量为Q吸＝Q放η＝1.68×107J×50%＝8.4×106J由得，水升高温度为。七、【单元训练】一、选择题1．如图所示，将铁丝快速弯折十余次，弯折处温度升高，该过程与四冲程汽油机哪一个冲程能量转化相同？（）A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程【答案】B【解析】将铁丝快速弯折十余次，弯折处温度升高，该过程属于机械能转化为内能，吸气冲程和排气冲程不涉及能量转化，压缩冲程为机械能转化为内能，做功冲程为内能转化为机械能，故B符合题意，ACD不符合题意。故选B。2.下列有关热现象，说法正确的是（）。A．1kg酒精比1g酒精的热值大；B．夏日荷塘里荷花盛开，花香四溢说明分子在不停地做无规则运动；C．用锯条锯木板，锯条的温度升高是由于锯条从木板中吸收了热量；D．用水作为汽车发动机散热器的冷却剂，其主要原因是水的比热容较小【答案】B。【解析】A．1kg酒精和1g酒精虽然质量不同，但是同一种燃料，所以热值相同，故A错误；B．我们闻到花香，是发生了扩散现象，说明分子在不停地做无规则运动，故B正确；C．用锯条锯木板，对锯条做功，机械能转化为内能，锯条的温度升高，是通过做功的方式增加了内能，故C错误；D．用水作汽车发动机的冷却剂，是因为水的比热容大，与其它液体相比较，相同条件下水带走的热量最多，致冷效果最好，故D错误。3.下列流程图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及到的主要能量转化情况．关于对图中①②③④的补充正确的是（）。A.①做功冲程②内能转化为机械能③压缩冲程④机械能转化为内能；B.①压缩冲程②内能转化为机械能③做功冲程④机械能转化为内能；C.①压缩冲程②机械能转化为内能③做功冲程④内能转化为机械能；D.①做功冲程②机械能转化为内能③压缩冲程④内能转化为机械能【答案】C。【解析】汽油机的四个冲程分别是吸气冲程，压缩冲程，做功冲程和排气冲程，所以①压缩冲程，把机械能转化为内能，也就是压缩对气体做功使其内能增大温度升高③是做功冲程，把内能转化为机械能。对照答案C对。4.列关于内燃机说法正确的是(

)。A.柴油机吸气冲程吸入的是柴油和空气的混合物；B.汽油机气缸顶部有喷油嘴；C.做功冲程中内能转化为机械能；D.内燃机功率越大，效率越高【答案】C。【解析】A．柴油机在吸气冲程中，吸入气缸的是空气，故A错误；B．柴油机气缸顶部有喷油嘴，汽油机气缸顶部有火花塞，故B错误；C．内燃机的做功冲程中，内能转化成了机械能，对外做功，故C正确；D．功率表示做功的快慢，与热机效率是两个不同的概念，两者没有关系，故D错误。5.如图是四冲程汽油机一个工作循环中的两个冲程，下列判断正确的是（）。A.甲图为吸气冲程，燃气的内能转化为活塞的机械能；B.乙图为压缩冲程，活塞的机械能转化为燃气的内能；C.甲图为做功冲程，活塞的机械能转化为燃气的内能；D.乙图为排气冲程，燃气的内能转化为活塞的机械能【答案】B。【解析】由图甲知道，两气门都关闭，活塞下行，火花塞喷出电火花，所以是做功冲程，此过程将内能转化为机械能；由图乙知道，两气门都关闭，活塞向上运动，所以是压缩冲程，此过程将机械能转化为内能，故只有B正确，故选B。6.下列关于热机的说法中，正确的是（）。A．加润滑油减少机器各部件之间的摩擦，可以使热机效率大于1；B．柴油机工作时，将内能转化为机械能的是做功冲程；C．四冲程汽油机有两个冲程是对外做功的；D．热机不属于大气污染的主要来源【答案】B。【解析】A、减少各种热损失、加润滑油减少机器各部件之间的摩擦、充分利用废气的能量，提高热机的效率，但不能消除额外功，机械效率总小于1，故A错误；B、柴油机工作时，做功冲程将内