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第19课时　
内能的利用　能源与可持续发展
一、热机(内燃机)
1．原理：燃料在汽缸内燃烧，产生高温高压的燃气，把 转化为 ；然后燃气推动活塞做功，把 转化为 ．
2．分类： 机和 机．
3．汽油机工作示意图．
化学能
内能
内能
机械能
汽油
柴油
4．工作过程：由 、 、 和 四个冲程组成的；四个冲程叫一个工作循环，每一个工作循环曲轴和飞轮转动 周，活塞往复运动 次，对外做功 次．吸气、压缩和排气冲程是依靠飞轮的 来完成的， 冲程是唯一对外做功的冲程．
5．能量转化：在压缩冲程中， 转化为 ；在做功冲程中， 转化为 ．
6．汽油机和柴油机区别：汽油机顶部有 ，而柴油机顶部有 ；汽油机吸入的物质是 ，而柴油机吸入的是 ；另外，二者点火方式不同，汽油机是 ，柴油机是 ．
吸气
压缩
做功
排气
2
2
1
惯性
做功
机械能
内能
内能
机械能
火花塞
喷油嘴
汽油与空气的混合物
空气
点燃式
压燃式
二、热机的效率
1．热值(q)
(1)定义：某种燃料 放出的热量与所用燃料质量(或体积)的 ，叫做这种燃料的热值．
(2)物理意义：表示燃料燃烧时 的物理量，与燃料 有关；同种燃料，热值 ．热值与燃料燃烧放热、质量 ．
(3)q氢＝1.4×108 J/kg，它的物理意义： ．氢的热值 ，应用：航天器用液氢作燃料．
(4)公式：固体、液体燃料：Q＝ ；气体燃料：Q＝ (根据q的单位选公式)．
q为燃料的热值，m为燃料的质量，V为燃料的体积．
完全燃烧
比值
放热本领
种类
不变
无关
1kg氢完全燃烧放热是1.4×108J
大
qm
qv
(5)单位： ．
2．热机的效率(η)
(1)定义：热机用来做 的那部分能量与燃料完全燃烧放出的 之比叫热机的效率．
(2)公式：η＝ ，固体、液体燃料η＝ ，气体燃料η＝ ．
(3)提高热机效率的途径：①使燃料充分 ；②减小热量的 ；③设法利用 的能量．
(4)效率的计算
①煤炉：
焦每千克(J/kg)；焦每立方米(J/m3)
有用功
能量
燃烧
损失
废气
三、能量的转化和守恒
1．能的转化：各种形式的能量都可以在一定条件下相互 ．
2．能量守恒定律：能量既不会凭空 ，也不会凭空 ，它只会从一种形式 为其他形式，或者从一个物体 到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持 ．
转化
消灭
产生
转化
转移
不变
1．2020年11月24日我国在文昌发射中心用长征五号运载火箭将嫦娥五号发射升空，如图所示，下列说法正确的是( )
A．用液态氢作燃料是因为氢的热值大
B．火箭离开大气层后，外壳的内能增大
C．火箭发射时将机械能转化为内能
D．火箭加速升空、机械能守恒
A
2．如图所示，关于能量转化图的说法不正确的是( )
A．摩擦生热，机械能转化为内能
B．能量转化是非常普遍的现象，但是各种形式的能量之间不能自由的相互转化
C．随着技术的发展，电灯通电后可以全部转化为光能
D．燃料燃烧时，将化学能转化为光能和内能
C
热机(内燃机)(10年3考)
1．(2021·湘西州)随着人民生活水平的不断提高，小汽车已进入了千家万户，小汽车的发动机一般都是四冲程汽油机．以下4个图是四冲程汽油机工作示意图，其中做功冲程是( )
C
2．(2021·枣庄)如图是四冲程汽油机的某个冲程，由图可看出它正处于 冲程，该冲程将机械能转化为 能，若该汽油机飞轮的转速是60 r/s，则汽油机每秒对外做功 次．
压缩
内
30
汽油机四个冲程叫一个工作循环，每一个工作循环曲轴和飞轮转动2周，活塞往复运动2次，对外做功1次．存在能量转化有两个冲程，分别是压缩冲程(机→内)和做功冲程(内→机)，做功冲程产生电火花，是唯一对外做功的冲程．
方法点拨
热机的效率(10年6考)
3．(2022·宜昌)关于燃料及其热值，下列说法中正确的是( )
A．没有燃烧的燃料，热值等于零
B．燃料完全燃烧时，它的热值最大
C．燃料的热值与质量和燃烧状态无关
D．燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多
C
4．(2022版课标新增)下表列出了几种燃料的热值，单位是J/kg.
由表可知，完全燃烧1 g的酒精，可放出热量 J；放出相同的热量，完全燃烧干木柴与液态氢的质量比是 ．
3×104
35∶3
热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等均无关；热值的计算要会选择公式：固体、液体燃料选择Q＝qm；气体燃料选择Q＝qV(根据q的单位选公式)．
方法点拨
5．(2022版课标新增)下列有关能源、信息、材料的说法，不正确的是( )
A．太阳能热水器是将太阳能转化为内能的装置
B．核电站发电的过程是核能转化为电能的过程
C．能量的转化和转移具有方向性，是可逆的
D．太阳能电池板由晶体硅制成，晶体硅是一种半导体材料
能量的转化和守恒(10年4考)
C
6．(科学热点)(2022·长春模拟)目前有一种备受关注的喷气飞行背包，人背上后能通过该设备获得动力，实现人类自由单人飞翔的梦想．该背包发动机将汽油燃烧后的气体通过喷气孔喷出，使人获得飞行动力．该背包每小时消耗5 kg汽油，这些汽油完全燃烧放出的热量为 J.汽油燃烧将化学能转化为内能，用来对人和飞行背包做功，还有部分内能散失到空气中，但这些内能却无法再被利用来对人和飞行背包做功，说明能量的转移和转化具有 ．(q汽油＝4.6×107 J/kg)
2.3×108
方向性
(1)能量的转化：能量由一种形式转化为另一种形式．能量的转移：能量不经过变化，直接由一个物体转移到另一个物体．能量转化和转移是有方向性的．
(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．
方法点拨
热量的计算
7．(2021·鄂州)合理分类和利用垃圾可以变废为宝，在一定条件下，1 kg垃圾能“榨”出0.17 kg燃料油，若燃料油的热值为4.0×107 J/kg，则这些燃料油完全燃烧释放出的热量为 J，燃烧时燃料油的化学能转化为 能；如果这些热量的42%被水吸收，则可以使 kg的水温度从20 ℃升高到100 ℃，这是通过 的方式改变水的内能．[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)]
6.8×106
内
8.5
热传递
8．(2021·宜昌)小明学习了燃料的热值后，很想知道家中使用的天然气的热值是多少，但在教材的燃料热值表中没有查阅到．于是，他在家里将装有2 kg水的水壶放到天然气灶上去烧，如图所示，用温度计测量水从20 ℃加热至80 ℃的过程中，观察到天然气表的数字变化了0.035 m3.他通过上网查阅得知天然气灶的效率约为36%，已知水的比热容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)．求：
(1)在这个过程中水吸收了多少热量？
(2)请你帮小明算出天然气的热值．
解：(1)在这个过程中水吸收的热量Q吸＝c水m水(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×
2 kg×(80 ℃－20 ℃)＝5.04×105 J；
(2)天然气完全燃烧放出的热量Q放＝ ＝1.4×106 J，
天然气的热值q天然气＝ ＝4×107 J/m3
热值的计算要会选择公式：固体、液体燃料选择Q＝qm；气体燃料选择Q＝qV(根据q的单位选公式)，利用热机的效率η＝ 进行计算时，要区分谁是有用功，谁是有总功．
方法点拨
【实验装置】
1．如图所示：
2．实验器材： ．
探究燃料的热值(常规实验)
两个相同的烧杯、水、煤油、花生油、天平、温度计
【设计和进行实验】
3．两灯具内盛有 相同的煤油和花生油作为燃料．
4．在两只相同的烧杯内，分别倒入 和质量相同的水．
5．分别用煤油和花生油加热，使燃料 ，记下水的末温分别为t1和t2.
6．实验数据表格：
质量
初温
燃尽
【数据处理和分析】
7．分析表格数据，通过观察水温的变化，由此判断两种燃料的热值大小．
当两灯的燃料完全燃烧后，甲装置中水温度为48 ℃，乙装置中水温度为38 ℃，由此可以初步判断 (选填“花生油”或“煤油”)的热值更大一些．
【实验结论】
8． 相同的不同燃料完全燃烧时，放出热量 的其热值 ．
【交流与反思】
9．组装如图甲、乙所示的两套装置时，正确的顺序是 ．(选填“自上而下”或“自下而上”)
煤油
质量
越多
越大
自下而上
10．为了保证实验结论的可靠性，实验时应控制两灯具内所盛煤油和花生油的
相同、两个相同的烧杯内盛有水的 和 相同，这用到的实验法是 ．
11．加热同一种液体，通过 得出吸热多少，进而判断热值大小．
12．根据Q吸＝cmΔt计算出水吸收的热量，再根据Q＝mq计算出煤油的热值，发现结果与资料中给出的煤油热值相比 (选填“偏大”或“偏小”)，结合实验，分析原因可能是：有 ．
初温
质量
质量
控制变量法
偏小
有热量损失(或煤油燃烧不充分等)
温度计的示数高低
【实验过关】
例　(2021·雁山区期末)如图所示，甲、乙、丙三个实验装置完全相同，燃料的质量均为10 g，烧杯内液体的质量都相同．
(1)若比较不同燃料的热值应选择 两个装置；比较不同物质的比热容应选择 两个装置；(选填装置序号：甲、乙、丙)
(2)在“比较不同燃料的热值”的实验中，通过观察 比较燃料燃烧放出热量的多少；
(3)实验中需要的测量工具有温度计、秒表和 ；
(4)不同物质吸热的多少是通过 (选填“温度计示数变化”或“加热时间”)来反映的，这种研究方法是 ；
(5)实验中，发现液体a加热相同时间温度上升得较多，由此可以判断： (选填“a”或“b”)物质的吸热能力较强．
乙、丙
甲、乙
温度计示数的变化
天平
加热时间
转换法
b
1．(2021·广东)关于四冲程汽油机的工作过程，下列说法正确的是( )
A．吸气冲程：只吸入空气　　　　　　　 B．压缩冲程：缸内温度降低
C．做功冲程：气体推动活塞做功　　　　 D．排气冲程：内能转化为机械能
2．(2022·广东)班级厨艺展示活动中，用煤气炉烹饪食物主要是通过 (选填“做功”或“热传递”)的方式增大食物的内能；现场香气四溢属于 现象，表明分子在不停地做无规则的运动．活动结束，剩余煤气的热值 (选填“变大”“变小”或“不变”)．
C
热传递
扩散
不变
3．(2021·广东)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”)．
4．(2019·广东)某汽油机工作过程有吸气、压缩、做功和排气四个冲程．如图为 冲程工作示意图，活塞向 运动，燃料混合物被压缩，在这个过程中机械能转化为 ．
5．(2018·广东)长征七号火箭所搭载的“天舟一号”货运飞船在上升过程中的机械能不断
(选填“变大”“变小”或“不变”)，长征七号火箭燃料的 能燃烧时转化为内能．
热值
机械
不守恒
压缩
上
内能
变大
化学
(航天热点)(2021·金安区期末)中国首次火星探索任务“天问一号”探测器的成功发射，是我国综合国力和创新能力提升的重要标志，如图所示是某火箭发射时的场景，目前运载火箭一般使用液体氢作为燃料，液态氧作为助燃剂，氢的热值为1.4×108 J/kg.
(1)某火箭发射时携带6×104 kg液态氢燃料，这些燃料完全燃烧最多能将
多少千克初温为20 ℃的水加热至沸腾？[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，当地大
气压为标准大气压]
(2)氢能源车的发动机工作时将液态氢转化为氢气在汽缸中燃烧，某次测试中，一辆氢能源车以70 kW的功率匀速行驶20 min，消耗了2 kg燃料，求该发动机的效率．
解：(1)6×104 kg液态氢完全燃烧释放的热量：Q＝mq＝6×104 kg×1.4×108 J/kg＝8.4×1012 J，
一标准大气压下水的沸点为100 ℃，
由Q＝cmΔt可知，水的质量为：
m＝ ＝2.5×107 kg；
(2)氢能源车所做的功为：W＝Pt＝70 000 W×20×60 s＝8.4×107 J，2 kg燃料完全燃烧释放的热量：Q′＝m′q＝2 kg×1.4×108 J/kg＝2.8×108 J，
该发动机的效率为：η＝ ×100%＝30%.

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