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内能的利用
第十四章
知识点1 热机
验证实验1：
思考：18世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有数千米每小时，而目前最快的汽车速度已经超过了声速。那么汽车是如何获得机械能的呢？
如图所示，在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间，观察发现塞子飞出并且在管口出现白雾。
结论：在这个实验过程中，燃料燃烧时产生的热量传给水和水蒸气；塞子受到水蒸气的压力而冲出去，水蒸气的内能转化为塞子的动能。
能量转化：燃料燃烧的化学能→水蒸气的内能→塞子运动的机械能
知识补充：
1、管口出现白雾是因为在管口发生了物态变化，水蒸气放热液化，所以产生了白雾。
2、这个简单的实验，基本上展示了蒸汽机的工作原理。
热机的概念：人们发现内能可以做功，于是制造了各种利用内能做功的机械，称之为热机。
热机的种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等
蒸汽机：是将蒸汽机的能量转换为机械功的往复式动力机械。
汽轮机：汽轮机是能将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械。
喷气发动机：是一种通过喷气产生推力的反作用式发动机。
内燃机：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机。
知识点2 内燃机的分类
汽油机工作过程：
甲 吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物进入汽缸。
乙 压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩。机械能转化为内能。
丙 做功冲程：在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。内能转化为机械能。
丁 排气冲程：进气门保持关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸。
柴油机的工作过程：
1 吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，新鲜空气进入汽缸。
2 压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，对空气进行压缩。机械能→内能
3 做功冲程：在压缩冲程结束时，喷油器开始将定量的燃油喷入气缸，在经过短暂的混合准备之后迅速着火燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。内能→机械能。
4 排气冲程：进气门保持关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸。
注意事项：
1、内燃机四冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程
2、在单杠四冲程内燃机中，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，曲轴转两周，活塞上下反复2次，做功1次。
3、在这四个冲程中只有做功冲程是燃气对活塞做功，而其他三个冲程（吸气冲程、压缩冲程、排气冲程）都是依靠飞轮的惯性完成的。
4、压缩冲程将机械能转化为内能，做功冲程将内能转化为机械能。
5、柴油机和汽油机的比较：
汽油机的顶部是火花塞，柴油机的汽缸顶部是喷油嘴；
汽油机吸气冲程吸入汽缸的是汽油和空气的混合物，柴油机吸气冲程吸入汽缸的是空气；
汽油机做功冲程的点火方式是点燃式，柴油机做功冲程的点火方式是压燃式；
柴油机比汽油机的效率高，但是柴油机比较笨重，有噪音，所以小汽车选择汽油机；
汽油机和柴油机在运转之前都要靠外力辅助启动。
习题演练：
汽车已经成为现代生活不可缺少的一部分，汽车多数采用汽油机作为发动机。如图是汽油机工作中的一个冲程，关于该冲程说法错误的是（　　）
A、依靠飞轮惯性来完成，属于辅助冲程
B、活塞的机械能转化为气体的内能
C、气缸内气体的内能增加、温度升高
D、活塞向下运动，将汽油吸入汽缸
知识点3 热值
实验案例：
燃料的种类有很多种，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、酒精等，气体燃料有煤气、天然气等。根据生活经验可知，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不相同的。例如：燃烧1Kg煤放出的热量，是燃烧1Kg木柴放出热量的两倍多。
热值的概念：
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。用符号q表示。
热值在数值上等于1Kg某种燃料完全燃烧放出的热量。热值的单位是焦每千克，符号是J/Kg。热值的公式：q=Q/m
补充知识：
对某些气体燃料，热值在数值上等于在标准状态下1m 燃料完全燃烧放出的热量，单位是焦每立方米，符号是J/m 。
注意：热值只跟燃料的种类有关
习题演练：
1、科技人员研发了采用氢能源系统的“未来汽车”，此氢能源汽车充氢气3分钟可续航650公里，它采用氢气作为燃料主要是因为氢气具有（）
A、较小的密度 B、较低的沸点 C、较高的热值 D、较大的比热容
2、（多选题）下列说法正确的是（）
A、燃料的热值越高，燃烧时释放出的热量越多
B、燃料的热值与燃料是否燃烧、燃烧充分不充分都无关、
C、物体吸收热量内能不一定增加
D、燃料燃烧的越充分，热值越大
知识点4 热机的效率
生活经验：
我们都知道，现实生活中燃料是很难完全燃烧的，放出的热量往往比按热值计算出的要小，而且有效利用的热量又比放出的热量要小。比如：用煤烧水，有效利用的热量只是被水吸收的热量，高温的烟气带走了相当一部分热量，还有一部分热量直接散失掉了。
热机效率的概念：
用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出来的能量之比，叫做热机的效率。
热机效率公式：η=W有用功/W总功
补充知识：
热机能量损失的因素：
1、燃料很难完全燃烧
2、排出的废气会带走一部分能量
3、热机的不见散热散发掉的能量
4、克服热机运动机件之间摩擦所消耗的能量
注意：
蒸汽机的效率：6%~15%
汽油机的效率：20%~30%
柴油机的效率：30%~45%
习题演练：
1、甲、乙两台汽油机，甲的效率比乙高，那么（）
A、甲消耗的汽油比乙消耗的汽油少
B、甲每秒钟做的功比乙每秒钟做的功多
C、做同样多的有用功，甲消耗的汽油比乙消耗的汽油多
D、消耗同样多的汽油，甲做的有用功比乙做的有用功多
2、甲乙两台柴油机，甲的效率低于乙的效率，意义是（）
A、工作相同时间，甲消耗的燃料一定比乙少
B、乙将燃料燃烧放出的能变成有效功的那部分能的比例比甲大
C、甲的功率大于乙的功率
D、甲消耗的燃料多余乙消耗的燃料
知识点5 能量的转化和守恒
生活经验：
能量转化是非常普遍的，在一定条件下，各种形式的能量是可以相互转化的：摩擦生热，机械能转化为内能；水电站里水轮机带动发电机发电，机械能转化为电能；电动机带动水泵把水送到高处，电能转化为机械能；植物吸收太阳光进行光合作用，光能转化为化学能；燃料燃烧时发热，化学能转化为内能等。
能量守恒定律：
能量即不会凭空消灭，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。
举例说明：
在行驶的汽车中，燃料的化学能通过燃烧转化为燃气的内能，再通过热机做功把内能转化为机械能。
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