第13讲 机械能与内能的相互转化教案（原卷版）

第13讲机械能与内能的相互转化

］学斗目标?

1.了解内能的利用在人类社会发展史上的重要意义，知道常见的热机一一内燃机工作过程及其在历史、现实生活

中的应用实例；

2.从能量转化的角度认识燃料的热值；

3.通过能量的转化和转移，进一步认识效率的概念。

鼻噩基础知识¥

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一、改变内能的另一种形式——做功

1.内能的改变：改变物体内能的方法有和;热传递是能量的,做功是能量的。这两

种方法对改变物体内能是等效的。

2.做功：外界对物体做功，物体的内能会（例如：摩擦生热）；物体对外做功，物体内能会（例如：

通过活塞向盛有水的烧瓶里打气，当活塞从瓶口跳起时，烧瓶中出现“白雾”）。实质：能量从一种形式的能（其它形

式的能）转化为另一种形式的能（内能）。

3.热传递：只要物体之间或同一-物体的不同部分间存在着,就会发生热传递，直到温度变得相同（即没

有温度差）为止。物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减小。

二、热机种类

热机：利用的机械叫热机。

1.热机的种类：分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。

2.内燃机：燃料直接在发动机勺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。

三、内燃机的工作原理

1.汽油机工作原理

①汽油机：四冲程汽油机的结构一汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞。

②内燃机活塞在汽缸内往复运动时，从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个O

四冲程内燃机包括四个冲程：冲程、压缩冲程、冲程、排气冲程。

吸气冲程一靠惯性运动，吸进汽油与空气的混合物；

压缩冲程一外界对做功，机械能转化为,气体温度:

做功冲程一化学能转化为,气体温度,气体做功，内能转化为:

排气冲程一靠惯性运动，排出废气。

③在单缸四冲程内燃机中，吸气、压缩、做功、排气四个冲程为一个工作循环，每个工作循环曲轴转2周，

活塞上下往复次，做功1次。

④在这四个冲程中只有冲程是燃气对活塞做功，而其它三个冲程（吸气冲程、压缩冲程和排气冲程）是依靠

飞轮的惯性来完成的。压缩冲程将机械能转化为内能。做功冲程是由内能转化为机械能。

2.柴油机工作原理

①柴油机：四冲程柴油机的结构一汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、喷油嘴。

②柴油机的工作过程与汽油机几乎•样，但有三个区别：1）吸气冲程：汽油机吸进的是汽油和空气的混合物，

柴油机吸进的仅仅是空气；2）压缩冲程：汽油机压缩的是汽油和空气的混合物，汽油机压缩的仅仅是空气；3）做功

冲程：

③汽油机用火花塞点火，柴油机用喷油嘴喷油。

四、热机的效率

I.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___,叫热机的效率。热机的效率是

热机性能的一个重要指标。公式：〃二以见二"幽

Q总qm

2.在热机的各种损失中，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。

注意：热机能量的损失：①燃料未完全燃烧（完全燃烧条件：充足空气，研磨成细颗粒）；②废气排出带走能量

（废气的利用）；③克服磨擦，消耗能量（使用润滑剂，减小摩擦）。

五、热值

1.热值（q）：1kg某种燃料完全燃烧放出的，叫热值：热值单位是：o

2.燃料燃烧放出热量：Q双=qm：（。依是燃料放出的热量，单位是J：夕是热值，单位是J/kg：是质量，单位是kg。）

对于热值的概念，要注重理解三个关犍词：“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。

3.热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃却燃烧过程中，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，只与燃料的种上类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关。

六、能量守恒定律：

1.能量既不会____,也不会______，它只会从一种形式转化为另一种,或者从一个物体转移到另一

个,而在转化和转移过程中，能量的总量__________。

2.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。

jQ考点剖析1

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知识点一：改变内能的方式：做功

【探究重点】

1.改变物体的内能的方式：做功和热传递。

2.做功可分为两种情况，一是物体对外做功，物体自身的内能会减少。如为药爆炸后产生的燃气将子弹推出后，

燃气的内能会减少，将内能转化为机械能；二是外界对物体做功，物体自身的内能会增加，如压缩空气后，空气的

温度会升高，将机械能转化为内能。常见现象有：冬天搓手取暖、用砂轮磨刀、太空中的星体碎片坠入大气层成

为流星、用打气筒给轮胎打气、反复弯折铁丝弯折处变热、汽缸内气体被压缩温度升高；钻木取火、水蒸汽对壶盖

做功导致水的内能减小等。

3.热传递改变物体的内能。如将手放在暖气片上，手会觉得暖和；用热水袋焙手；晒太阳觉得暖和；将水烧热；

铁锅烫手；将食物放入入冰箱内冷却；太阳将棉被晒得暖乎乎的等。

【例题精讲】

1.（2022•江苏•创新外国语学校一模）在玻璃瓶内装入约半瓶细沙，盖上瓶盖，包裹一层泡沫塑料，迅速振动瓶子

儿十次，细沙温度升高，这是用方法使沙子内能增大，泡沫瞿料的作用是,如果换成水做该实验，

升温不明显是因为水的大。

【巩固训练】

2.（2022•江苏南通•三模）用酒精灯给试管内的水加热至一定程度，发现塞在试管口的木塞被冲出，如图所示。下

列描述正确的是（）

A.试管中的水是靠做功的方式增加内能的B.水蒸气对木塞做功，把机械能转化为内能

C.水袤气对木塞做功，与汽油机做功冲程的原理相同D.水蒸气对木塞做功，水蒸气内能增加

知识点二：内燃机

利用燃料燃烧释放出能量做功的机械，叫做热机。常见的热机有：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。

1.内能利用的两种方式：加热、做功。

2.内燃机及其工作原理：

①内燃机：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机。内燃机分为汽油机和柴油机，它们分别

用汽油和柴油作为燃料。

②内燃机的工作原理：汽油或柴油在气缸里燃烧时生成高温高压的燃气，用来推动活塞做功。活塞通过连杆使内

燃机的飞轮转动，从而带动其他机械转动。

3.内燃机的四个冲程：

活塞在气缸内往复运动，从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程，汽油机是由吸气、压缩、做功、排气

四个冲程的不断循环来保证连续工作的。在一个工作循环中，汽缸内的活塞往复两次，曲轴转动两周。四个冲程中

只有做功冲程燃气对外做功，其他三个冲程都是靠飞轮惯性完成的.一个工作循环有两次能量转化，在压缩过程中，

机械能转化为内能，在做功过程中，内能转化为机械能。

【探究重点】

汽油机和柴油机的异同点：

不同点相同点

项目汽油机柴油机（1）构造基本相同

C.做功冲程中,燃料释放的能量绝大部分转化为机械能

D.排气冲程中，废气带走了燃料释放的能量的极少部分

知识点三：热值

1.我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。单位是：J/kg。

2.燃料燃烧放出的热量与哪些因素有关：

①燃料的种类；

②燃料的质量；

③燃料是否充分燃烧。

3.燃料完全燃烧放出热景的计算公式：Q敏=mq,其中m为燃料的质豉，q为燃料的热值。

【探究重点】

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“lkg〃，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。

4.燃料燃烧放出的热量的计算：•定质量m的燃料完全燃烧，所放出的热量为：Q=mq,式中，q表示燃料的热值，

单位是J/kg；m表示燃料的质量，单位是kg；Q表示燃烧放出的热量，单位是J。

5.若燃料是气体燃料，一定体积V的燃料完全燃烧，所放出的热量为：Q=qv,式中，q表示燃料的热值，单位是

J/m3；V表示燃料的体积，单位是n?；Q表示燃烧放出的热量，单位是J。

【例题精讲】

5.（2022•江苏盐城•模拟预测）如图为火箭发射的场景，火箭的燃料使用了液态氢，主要是因为它的大，火

箭发射升空时，燃料的化学能转化为能，再转化为火箭的机械能，这个过程中火箭的机械能（选填“守

恒"或"不守恒"）。

【巩固训练】

6.“可燃冰”主要成分是甲烷，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何,残渣，所以“可燃冰”是一种新型清洁能源。其中

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甲烷的热值为q.|.R=4,2X10J/m,其物理意义是（）

A.1J的甲烷完全燃烧能产生4.2x107m3热量。B.4.2X107J的甲烷完全燃烧能产生lm3热量。

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C.lm甲烷完全燃烧能产生4.2x107j热量。D.4.2xl0m的甲烷完全燃烧能产生1J热量。

知识点四：热机的效率

1.热机工作时，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫做热机的效率。

2.热机的效率是热机性能的一个重要指标，热机的效率越高，它的机械性能就越好。

3.（提高热机效率的途径：

①在设计和制造上，要不断改进和革新，以减少各种能量损失，提高效率。

②在使用上，要正确使用，注意保养。例如加润滑剂以保证良好的润滑，减小摩擦；运动零件之间的间隙要调整

得当，戒小摩擦和防止漏气。

③充分利用废气带走的能量。例如热电站就是利用废气来供热的，这种既供电又供热的热电站，比一般的火电站，

燃料的利用率将大大提高。

【探究重点】

1.燃料在热机中燃烧时，总有一小部分燃料不能完全燃烧而损失掉，燃料释放出的内能只有一部分用来推动热机

的运动，即转化为热机的机械能，其余的能量在废气、散热、机械摩擦中损失掉了，其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重要措施。热机的效率是热机性能的一个重要指标，热机的效率越高，

它的机械性能就越好。

2.定律中能的转化，是指通过做功，能的形式发生了变化，一种形式的能转化为另一种形式的能。如钻木取火，

就是通过克服摩擦做功，使机械能转化为内能。能的转移，是指同一种能从一个物体转移到另一个物体上，能的形

式没有变化，如热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体。

【例题精讲】

7.（2022•江苏•苏州市振华中学校模拟预测）生活垃圾的热值为3xl06j/kg,位于武进区遥观镇的垃圾焚烧发电厂每

天完全燃烧800t生活垃圾，放出热量J,放出热量的30%用来发电，每天可发电kWh

放出热量的42%用来加热水供给附近小区，1标准大气压下，每天可将kg的水由20团恰好加热至沸腾。

[c^=4.2xlO3J/（kg-0）]

【巩固训练】

8.（2021・江苏中考真题）小明一家驾车旅行，（1）加油时，闻到汽油味，说明分子在;（2）图示为车发动机的一

个冲程，其能量转化情况是;（3）若车的总质量为1.53匀速直线行驶9km,所受阻力为车重的0.1倍，完全

燃烧汽油1L,则1L汽油完全燃烧放出的热量是J,车所受牵引力是N,车的工作效率是%。（p汽

油=0.8X103kg/m3：q汽油=4.5X107J/kg；g取10N/kg）

\x/

W13sxiO'I

n=—xlOO%=-----—xlOO%=37.5%

Q3.6X107J

真题演练

■UMiiniiiiiuiiiiMiimaiiutuiiMiai.

1.（2020江西）下列说法中正确的是（）

A.敲碎煤块使煤充分燃烧能提高煤的热值

B.汽车在减速过程中，惯性减小，动能减小

C.当仅有热传递时，物体吸收热量时内能增加，放出热量时内能减小

D.与丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，是因为丝绸的正电荷转移到玻璃棒.上

2.（2021•青海中考真题）下列实例，通过做功改变物体内能的是（Io

A.晒太阳B,搓手取暖C.用电褥子取暖D.向双手哈气取暖

3.（2020呼伦贝尔）西昌卫星发射中心用长征三号运载火箭，于2019年4月20日将第44颗北斗导航卫星成功送上

太空。下列说法中正确的是（）

A.火箭升空过程中，将机械能转化为内能

B.燃料燃烧时将内能转化为化学能

C.火苗使用液氢燃料，主要是因为液氢的比热容较大

D.火箭使用液氢燃料，主要是因为液氢的热值较大

4.（2020衡阳）如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下列说法正确的是（）

A.一个工作循环的正确顺序是：甲乙丙丁

B.乙图冲程能获得动力

C.丁图冲程有明显机械能转化为内能的过程

D.丙图冲程存在化学能转化为内能的过程

5.（2020宜昌）下列通过做功方式改变物体内能的是

A.双手互搓手掌变热B.烤火时手掌变热

C.用热水洗手时手掌变热D.抱热水袋手掌变热

6.（2021•黑龙江中考真题）下列说法正确的是（）。

A.内燃机消耗的燃料越多，其效率越高；

B.物体吸收热量，其温度一定升高；

C.外界对物体做功，物体内能可能增加；

D.在热传递过程中，热量只能自发地从高温物体转移到低温物体

7.（2020绵阳）周末，小明同学在家与父母一起做清洁卫生，美化家居环境。小明用扫帚扫动地面上一小块果皮的过

程中

A.扫帚对果皮做功改变了果皮的内能

B.扫帚对果皮做功消耗了扫帚的内能

C.小明对扫帚做功改变了扫帚的内能

D.小明对扫帚做功消耗了体内的化学能

8.（2021•湖南邵阳市•中考真题）小汽车己成为大多数家庭出行代步的工具，其发动机大多数为汽油机，下列有关汽

油机的说法正确的是（）

A.汽油机的吸气冲程吸入的是空气B.汽油机的效率一般比柴油机的效率高

C.汽泊机的点火方式是压燃式D.汽油机的压缩冲程是把机械能转化为内能

9.（2。20齐齐哈尔）小丰用燃气灶烧水时，进行了如下思考，小丰的想法正确的是（）

A.烧水是通过做功的方式改变水的内能

B.壶内水温度升高的过程中，内能增大

C.水壶的壶嘴和壶身构成连通器

D.壶内水沸腾时，水吸收热量，温度升高

10.（2020淄博）面点师傅炸油条时:用天然气将油加热至沸腾，把和好的面拉成长条放入油中炸至金黄。关于涉及

的物理知识，下列说法正确的是（）

A.油沸腾过程中继续加热，内能不变，温度升高

B,面被拉长未断，说明分子间存在引力

C.刚出锅的油条烫手，是由于油条含有的热量多

D.天然气燃烧越充分，放出的热量越多，热值越大

11.（2021•陕西中考真题）2021年1月，使用中国自主研发核电技术的“华龙一号”5号机组正式投入孟行。核反应堆

内发生核反应后产生大量的热，使第一回路中的水成为高温高压水后进入蒸汽发牛.器，在其中将第二回路中的水加

热成为高温高压水蒸气，驱动汽轮机运转，汽轮机带动发电机发电。下列说法不正确的是（）。

A.核反应堆是利用核裂变产生核能的B.蒸汽发生器内通过热传递改变水的内能

C.汽轮机工作时将机械能转化为内能D.发电机的工作原理是电磁感应

12.（2020盐城）燃油汽车的核心部件是热机，通过_____冲程将废气排出气缸，造成大气污染，电动汽车正逐步替

代燃油汽车。一辆电动汽车在平直的公路上以54km/h的速度匀速行驶lOmin,通过的路程是km.关闭电源

后，由于电动汽车还要继续向前滑行一段距离。

13.（2020巴中）一台汽油机飞轮的转速为3600r/min,在1s内汽油机对外做了次功。如果汽油机在一段时

间内消耗了0.5kg汽油，若这些汽油完全燃烧，可放出热量Jo汽油机用水作冷却液，是利用水的大

的特点？（q汽油=4.6xl07j/kg）

14.（2020眉山）完全燃烧20目热值为2b107〃|^的某种燃料，放出的热量可以使质量10kg,温度25c的水，温度升

高四冲程汽油机，把机械能转化成内能的是冲程。［水的比热容。水=4.2xl03j/（kg「c）］

15.（2021•江西中考真题）厉害了，我的国！2020年我国开启了航天新征程，嫦娥五号成功登月并顺利取回1731g月

壤样品，样品的质量不会随它的形状、状态、温度和的改变而改变；如图所示，返回舱穿越大气层时

温度升高，这是通过的方式使其内能增加而导致的。

16.（2021・四川南充市・中考真题）汽油机在工作过程中将机械能转化为内能的冲程是;汽油的热值是

4.6x1。3/kg,完全燃烧40g的汽油所释放的热量为Jo

17.（1）究全燃烧1.4g酒精释放的热量是完全燃烧0.7g酒精释放热量的倍。0.7g酒精

全燃烧释放的热量是2.1x10%这些热量全部被100g的液体A吸收，液体的温度升高了500；完全燃烧1.4g酒精释

放的热量全部被200g的液体A吸收，液体的温度升高了仅=—团（不考虑散热）。

⑵现用如图所示装置加热200g的液体A,燃烧了1.4g酒精，液体升高的温度小于回，有哪些原因会导致这个结果？

过关检测

1.（2021•广东中考真题）下列说法正确的是（）

A.在压缩冲程中，柴油机比汽油机压缩程度高

B.同一种物体比热容一定相同

C.物体吸热时，温度不一定升高

D.燃料的热值越大，热量越多

2.（2020贵港）下列实例中,改变物体内能的途径与其他二个不同的是（）

A.用力搓手，手会发热

B.把以冷的手放到嘴边哈气，手会变暖

C.用锯条木头，锯条温度升高

D.用手反复弯折铁丝，铁丝弯折处会发热

3.（2021•四川内江市•中考真题）小丹同学在笔记本上记录了以下四条结论，其中错误的是（）。

A.煤油温度计是根据液体热胀冷缩的性质制成的；

B.家用洗衣机是典型的热机：

C.受到平衡力作用的物体一定保持静止状态或匀速直线运动状态；

D.物体是由大量分子组成的

4.（2020吉林）如图是小明同学设计的简易实验装置，用手握住烧瓶的外壁，会看到液柱向左移动。这是因为空气受

热膨胀对液柱做功，将能转化为机械能，此时瓶中空气的密度。

5.（2021•山东济宁市・中考真题）完全燃烧140g焦炭所放出的热量有60%被初始温度是10℃、质量为10kg的水吸收,

则水吸收的热量为J,水温将升高到（［题炭=3.0xl（）7J/kg,。水=C2xl（）3j/（kg・？）］,在1

个标准大气压下）

6.（202二•湖南怀化市・中考真题）安全、清洁、方便的太阳能越来越受到人们的重视和广泛利用。某太阳能热水器内装

有质量为100kg、温度为20℃的水，在太阳照射一段时间后，水温升高到60℃,则水吸收的热量是J,这些

能量相当于完全燃烧m3天然气放出的热量。［%=4.2xlO3J/（kg-℃）,4天然气=4.2xlO7J/m3］

7.（2021•甘肃武威市中考真题）如图