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第十三章 内能与热机
一、内能基础
知识回顾：
动能：物体由于运动所具有的能量。动能大小与物体质量和运动速度大小有关；
重力势能：物体由于被举高所具有的能量。与物体质量和被举高度有关；
弹性势能：物体由于发生弹性形变所具有的能量。与材料性质和弹性形变程度有关。
总结：动能的产生的原因是物体的机械运动；
势能的产生与力和相对位置变化有关。
1、内能的相关概念
（1）分子动能
分子由于热运动所具有的能量叫做分子动能。
理解：①分子动能是专有名词，表示分子热运动的动能，不可以写成分子的动能；
②分子热运动的动能大小与分子种类和温度有关。
（2）分子势能
分子由于分子之间作用力所具有的能量叫做分子势能。
理解：①分子之间的作用力与弹簧弹力类似，所以分子会具有分子势能；
②分子势能大小与分子种类、分子间距离变化（物态变化）有关。
（3）内能
构成物质的所有分子，其热运动的动能与分子势能的总和，叫做物体的内能。
（4）内能的影响因素
①物体质量：在其他条件相同情况下，物体质量越大，内能越大。（质量决定分子个数）
②温度：在其他条件相同情况下，物体温度越高，内能越大。（温度影响分子热运动）
③物质状态：在其他条件相同情况下，物质状态不同，内能也不同。（物质状态改变时一定要吸放热）
④物质种类：在其他条件相同情况下，物质种类不同，内能也不同，无法比较大小。（物质种类不同，分子也不同）
（5）特点
①内能是能量的一种形式。可以光能、机械能、电能之间互相转化。
②一切物体，任何情况下都具有内能。（内能不可以为零）
③内能与物体的机械运动、物体的位置高低无关。
2、改变内能的方式
做功与热传递在改变内能效果上是等效的。
（1）做功
①实质：不同能量之间的转化。
②在其他条件不变的情况下，物体对外做功则物体内能减小，外界对物体做功则物体内能增加。
③典例：
压缩气体——气体内能增加（机械能转化为内能）
气体膨胀对外做功——内能减小（内能转化为机械能）
摩擦、锻打、弯折——内能增加（机械能转化为内能）
通电发热——内能增加（电能转化为内能）
（2）热传递
①实质：不同物体或同一物体不同部分之间内能的转移。发生热传递时，温度低的物体内能增大，温度高的物体内能减小。
②前提：热传递的前提条件是存在温度差。内能一定是从温度高的物体传递给温度低的物体。温度相同则不会发生热传递。（不是从内能大的物体传给内能小的物体）
③分类
a.传导：暖宝宝暖手、冬天摸铁窗感觉很冷、淬火
b.对流：冷热水混合变成温水、冷热空气对流（空调）
c.辐射：晒太阳、烤火、微波炉
④热量：在热传递过程中，内能的改变量叫做热量。
3、温度、内能、热量、热辨析
（1）热量、内能的单位都是焦耳。区别在于，内能是能量的一种形式，是状态量；热量表示内能的改变，对应热传递的过程，是过程量。
常见语言表述方式：物体“具有内能……”、物体“吸收/放出热量……”、不可以说“具有……热量”
（2）温度，是状态量，描述物体冷热程度，不能传递。
（3）“热”，有时候表示“热量”，例如：吸热、放热、
有时候表示“温度”，例如：夏天天气很热、
有时候表示“内能”，例如：摩擦生热
4、常见辨析
语言表述 解释
①热传递过程中，热量有可能从内能大的物体转移到内能小的物体。热量一定是从温度高的物体传递给温度低的物体 热传递，热量传递方向，只看温度高低，不看内能大小。热量一定是从温度高的物体传递到温度低的物体。 由于决定内能大小因素较多：温度、质量、状态、物质种类。所以，温度高的物体，有可能内能较小（比如质量特别小）
②做功与热传递在改变内能效果上是一致的 做功和热传递都可以使得物体内能改变。当物体内能发生改变时，有可能是做功造成的，有可能是热传递造成的。
③物体内能增加，温度不一定升高； 物体内能减小，温度不一定降低。 例如，冰熔化过程中，吸收热量，内能增大，温度不变； 水凝固过程中，放出热量，内能减小，温度不变。 （分子动能不变，分子势能发生改变）
④温度高的物体，内能不一定大； 温度低的物体，内能不一定小。 意识是不同的物体进行对比。一般来说，在其他条件相同的情况下，温度高，内能大。但是物体内能大小是由温度、质量、状态等多个因素综合决定的。温度高的物体，没有说明其他条件情况，如果质量特别小，也有可能会导致内能小。
⑤物体温度升高，内能一定增大； 物体温度降低，内能一定减小。 意识是同一个物体，在温度发生变化前后两个状态进行对比。同一个物体，除了温度变化，其他影响内能的因素（质量、状态……）都相同，则温度升高，内能一定增大，温度降低，内能一定减小。
⑥物体内能增大，不一定是吸收了热量； 物体内能减小，不一定是放出了热量。 物体内能发生改变，不一定由于发生了热传递，有可能是做功。
⑦物体对外做功，内能不一定减小 对外做功的同时可能在吸收热量
⑧物体吸收热量，内能不一定增大 吸收热量的同时可能会对外做功
二、比热容
1、探究物质吸热能力实验
（1）实验方法
①控制变量法：液体质量和加热器规格都完全相同。
加热器规格相同 相同时间放出的热量相同 相同时间内两种物质吸收的热量相同。
②转换法：加热相同时间，升高的温度越多，吸热能力越弱；
升高相同的温度，加热时间越长，吸热能力越强。
（2）实验结论：
水的吸热能力比煤油吸热能力强。
2、比热容基本概念
（1）定义
一定质量的某种物质，在温度升高时吸收的热量与他的质量和升高温度乘积之比，叫做这种物质的比热容。
符号c
注意：①比热容是物质的特性，不同的物质比热容一般不同。
②比热容与物质的状态有关。
（即比热容与物质的种类和物质状态有关）
（2）公式
单位J/(kg·℃) 读作：焦每千克摄氏度
（其中表示“变化量”，表示过程中温度的变化量）
常见物质的比热容
（3）物理意义
表示物质的吸热能力，比热容大表示物质的吸热能力强。
1kg的某种物质，温度每升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量。
例表示1kg的水温度每升高1℃要吸收的热量。（注意此处的单位是焦耳）
3、比热容的计算
（1）简单计算
在平时的计算中，物质的比热容一般是已知量，要求我们通过物质的比热容去求吸收（放出）的热量、升高（降低）的温度、初温（末温）或者物质的质量。
公式变形如下：
吸热时 （）
放热时 （） 计算时保证是正值即可
根据可求初温或者末温。在求液体温度时要注意液体是否达到沸点。
求质量
（2）热平衡方程
两个物体在热传递过程中如果不计热量损失
并且最终两物体温度相等。
4、比热容的应用和现象
（1）热水袋
由于水具有很大的比热容，所以是良好的储热媒介。
与此类似的还有中国北方的暖气管道中用热水作为媒介。
（2）海陆风
由于海面与陆地比热容不同，
白天在相同光照情况下陆地温度高，海面温度低；
夜晚散热时海面温度降低较少，陆地温度降低较多。
城市热岛效应也会受到比热容影响。
（3）沙漠地区温差大
沙漠地区比热容小，白天有阳光照射温度高，夜晚散热温度低。
（早穿皮袄午穿纱，围着火炉吃西瓜）
（4）制冷剂
常利用水给热机散热降温。
内能的利用
一、内燃机
1、基本概念
（1）定义
利用内能做功的机械叫做热机。
（2）原理
燃料燃烧释放化学能产生高温高压气体，推动活塞对外做功转化成机械能。
能量转化过程：
（3）内燃机
热机的种类有很多，例如蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气式发动机等。其中燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机。
2、汽油机
（1）结构
进气门：通过进气门吸入汽油与空气混合物
排气门：通过排气门排出废气
气缸：燃料燃烧的场所
火花塞：产生火花
活塞：可由高压气体推动或者连杆带动上下往复运动
连杆：连接曲轴与活塞
曲轴：汽油机通过曲轴与外部机械连接实现机械能的传递
（2）工作循环
冲程：活塞从气缸的一端运动到另一端的过程。一个冲程对应曲轴转动半圈。
为了使内燃机连续工作，活塞必须在气缸内循环往复运动。根据活塞的运动特点及作用不同，将冲程分为四种。
①吸气冲程：进气门开，排气门关。活塞依靠惯性往下运动，吸入汽油与空气的混合物。
②压缩冲程：进气门关，排气门关。活塞依靠惯性往上运动，压缩内部气体，对气体做功，使气体温度升高。
③做功冲程：进气门关，排气门关。在压缩冲程末，做功冲程初火花塞点火，内部气体燃烧产生高温高压气体。高温高压气体对活塞做功，使往下运动，进而实现对外做功。
④排气冲程：进气门关，排气门开。活塞依靠惯性往上运动，排出内部高温气体。（然后进入吸气冲程）
（3）比例关系
1个工作循环由4个冲程组成，曲轴要转2圈，对外做功1次
3、柴油机与汽油机的异同
在记忆柴油机与汽油机区别时，注意从结构特点出发进行记忆。
例：火花塞（点火）→点燃式→吸入空气汽油混合物
喷油嘴（不点火）→压燃式→只吸入空气
机种 项目 汽油机 柴油机
构造 气缸顶部有火花塞 气缸顶部有喷油嘴
燃料 汽油 柴油
点燃方式 点燃式 压燃式
工作过程 吸气冲程 吸入汽油与空气的混合物 只吸入空气
压缩冲程 燃料被压缩后，缸内压强较高 空气被压缩后，缸内压强很高
做功冲程 压缩冲程末火花塞点火 压缩冲程末喷油嘴喷出雾状柴油
效率 20%—30% 30%—45%
用途 轻巧、体积小，常用于小型汽车、飞机和小型农业器械 笨重、经济、功率大，主要用于载重汽车、轮船、坦克
二、热值与热机的效率
1、热值
（1）定义
某种燃料完全燃烧放出热量与质量之比。符号q
注意：热值是燃料的特性，不同的燃料热值一般不同。热值与燃料是否完全燃烧无关。
（2）公式
（或） 单位：（或）
常见燃料的热值
（3）物理意义
表示燃料的放热能力。
单位质量的某种燃料完全燃烧释放的热量。
例：表示1kg的煤完全燃烧释放的热量为。（注意：单位为焦耳）
（4）计算
在今后的计算中，热值一般为已知量，需要通过公式求解放出的热量或者燃料的质量。往往与比热容结合考查。
求放出热量：
求燃料质量：
2、效率
（1）概念
对于热机而言，燃料释放的热量只有一部分用来做有用功，还有相当一部分能量散失了。用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比。通常用百分数表示，符号。
（2）表达式
或
由于在热机工作过程中一定伴随着化学能转化为其他形式的能量，也就是说化学能不能完全转化为有用机械能，所以
在很多题型中，往往通过比热容计算，用热值计算。
（3）提高热机效率的方法
①使燃料尽可能完全燃烧 ②减少热量的损失
③减少机械摩擦（增加润滑） ④废气利用
2

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