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12.4 机械能与内能的相互转化
【学习目标】
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——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．知道能量守恒定律，并能用能量转化与守恒的观点分析物理现象；
4．通过能量的转化和转移，进一步认识效率的概念。
【知识梳理】
一、热机
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。
柴油机 汽油机
（3）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）构造基本相同都是燃料在气缸内燃烧，都是内燃机。
（2）都将内能转化为机械能。
（3）每一个工作循环都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。
构造 气缸顶部有火花塞 气缸顶部有喷油嘴
点火方式 压缩冲程末由火花塞放出电火花点燃，称点燃式 压缩冲程末由喷油嘴向气缸内喷雾状柴油遇到高温高压的空气自动燃烧，称压燃式
燃料 汽油、吸气冲程吸进汽油和空气混合物 柴油、吸气冲程吸进气缸的只是空气
压缩比 压缩冲程末气体体积被压缩为吸进体积的1／9至1／6 压缩冲程末气体体积被压缩为吸进体积的1／22至1／16
做功 做功冲程初燃气压强为30至50个大气压，温度2000℃至2500℃，高温高压的气体推动活塞做功 做功冲程初燃气压强为50至100个大气压，温度1700℃至2000℃，高温高压的气体推动活塞做功
效率 效率较低20％至30％ 效率较高30％至45％
用途 轻便，多用于汽车、飞机、小型农机具 笨重，多用于拖拉机、载重汽车、轮船等重型机械
二、热值
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/㎏。
（1）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。
（2）燃料完全燃烧放出热量的计算公式：Q放=mq。其中m为燃料的质量，q为燃料的热值。
三、热机的效率
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。
（1）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）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。
③充分利用废气带走的能量。
四、能量的转化和守恒
1．常见的能量形式有：机械能、内能、电能、光能、化学能等。这些不同形式的能在一定的条件下可以相互转化。如摩擦生热是机械能转化为内能；水电站里的水轮机带动发电机发电是机械能转化为电能。
2．能量的转化和守恒定律：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。
3.理解：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。
【典型例题】
【例1】（多选）下列现象中利用内能加热的是（　 ）
A、晾晒稻谷　 　　　　B、喷气式飞机在空中飞行　
C、用高炉熔化铁　 　　D、燃气推动发动机叶轮
【例2】柴油机工作一个循环需四个冲程，其中由机械能转化为内能的是（　　）
A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程
【例3】单缸四冲程内燃机工作时，依靠飞轮的惯性来完成的冲程有（　 ）
A、吸气、做功和排气冲程
B、吸气、压缩和做功冲程
C、压缩、做功和排气冲程
D、吸气、压缩和排气冲程
【例4】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，如图是四冲程汽油机的工作循环示意图，下列说法中不正确的是（　　）
A、甲冲程是把机械能转化为内能
B、乙冲程是排气冲程
C、丙冲程是把机械能转化为内能
D、丁冲程是吸气冲程
【例5】家用轿车四冲程汽油机工作时为轿车提供动力的冲程是（　　）
A、吸气冲程 B、压缩冲程 C、做功冲程 D、排气冲程
【例6】无烟煤的热值大于干木柴的热值，则（ ）
A、烧无烟煤比烧干木柴产生的热量多
B、要使它们放出同样多的热量，完全燃烧的无烟煤的质量小于完全燃烧的干木柴的质量
C、烧无烟煤比烧干木柴产生的烟尘多
D、煤比木柴含有的热量多
【例7】做同样多的功，甲柴油机用3小时，消耗2千克柴油，乙柴油机用2小时，消耗了3千克柴油，则（　 ）
A、甲的功率大，效率高　　 B、甲的功率大，效率低　
C、乙的功率大，效率高　　 D、乙的功率大，效率低
【例8】下列对能量转化分析错误的是（ ）
A、水电站主要将机械能转化为电能
B、核电站主要将核能转化为电能
C、太阳能热水器主要将太阳能转化为内能
D、热机主要将机械能转化为电能
【例9】指出下列现象中能量的转化或转移情况
　　(1)植物的光合作用；
　　(2)雨天时发生雷电；
　　(3)人在跑步时，身体发热出汗；
　　(4)手摇发电机发电使灯泡发光；
　　(5)风吹动帆船前进。
【例10】质量是500g的铁壶内装有2kg 15℃的水，把这壶水加热到100℃，共需要吸收多少焦耳的热量？如果这些热量全部由木炭的燃烧来提供，需要完全燃烧多少g的木炭？（ ，木炭的燃烧值）
【例11】一辆汽车的发动机输出功率为66.15kw，每小时耗柴油14kg，请计算发动机的效率（柴油的燃烧值为4.3×107J/kg）
【巩固练习】
1、如图所示，一支蜡烛正在燃烧，下列关于蜡烛的说法正确的是 ( )
A．质量变小，热值变小 B．质量不变，热值不变
C．质量不变，热值变小 D．质量变小，热值不变
2、汽油机和柴油机相比较，其中正确的是（　 ）
　　A．汽油机顶部有喷油嘴，吸入的是空气，效率高
　　B．汽油机顶部有火花塞，吸入的是汽油和空气的混合物，效率高
　　C．柴油机顶部有火花塞，吸入的是柴油和空气的混合物，效率高
　　D．柴油机顶部有喷油嘴，吸入的是空气，效率高
3、关于燃料的热值，下列说法正确的是（　 ）
　　A．燃料的热值越大，燃烧时达到的温度就越高　
　　B．燃料的热值越大，燃烧时放出的热量就越多
　　C．燃料燃烧越充分，则燃料的热值就越大　
　　D．燃料的热值与燃料的质量及燃烧情况无关
4、两台柴油机，若甲柴油机的效率低于乙柴油机，则（　　）
A．在输出功相同的情况下，甲柴油机消耗的柴油多于乙柴油机消耗的柴油
B．甲柴油机的功率小于乙柴油机的功率
C．甲柴油机消耗的柴油多于乙柴油机消耗的柴油
D．在功率相同的情况下，甲柴油机消耗的柴油少于乙柴油机消耗的柴油
5、下列关于热机和环境保护的说法中，正确的是（　　）
　 A． 热机排出的尾气没有内能
　 B． 热机的效率能达到100%
　 C． 热机都是使用汽油作燃料
　 D． 热机的大量使用会造成环境污染
6、当小四轮拖拉机的柴油机出现故障而使转速急骤增加时，正常操作已不能使它停转，可以用下面那种应急措施（　 ）
　　A．捂住进气口　 　 　B．立即找一个隔热物体捂住排气口
　　C．脚踏刹车板，同时手拉制动器　 　D．让它空转，等油全部耗完停下
7、为节约能源，需提高热机的效率，下列措施中不能提高热机效率的是（　　）
　 A．尽量使燃料充分燃烧 B．尽量减少热机部件间的摩擦
　 C．尽量减少废气带走的热量 D．尽量增加热机的工作时间
8、汽油机飞轮的转速是3000 r/min，则可知每分钟内一个汽缸里燃气推动活塞做功的次数是( )
A．1500次 B．3000次 C．6 000次 D．750次
9、电动机通电后带动其他机器运转，一段时间后，电动机的外壳就会变得烫手，则下列关于能的转化和守恒的说法中正确的是( )
A．电能全部转化为机械能，总的能量守恒
B．电能一部分转化为机械能，另一部分转化为内能，总的能量守恒
C．电能全部转化为内能，内能守恒
D．电能转化为机械能和内能，机械能守恒
10．如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同，燃料的质量相同，烧杯内的液体质量也相同，下列说法正确的是（　　）
A．比较不同液体的比热容，可以选择甲、乙两图
B．比较不同液体的比热容，可以选择乙、丙两图
C．比较不同燃料的热值，可以选择乙、丙两图
D．比较不同燃料的热值，可以选择甲、乙两图
11、如图是“探究不同物质吸热升温的现象”和“比较不同燃料燃烧时放出的热量”的甲、乙两组实验装置。下列关于该两组实验的说法正确的是（　　）
A．每组实验中，燃料的质量均应相等
B．每组实验中，杯中物质的质量均应相等
C．甲组实验中，可以根据温度计示数的变化来比较吸热的多少
D．乙组实验中，可以根据加热时间的长短来比较吸热的多少
12、柴油机和汽油机在构造上的主要区别是：柴油机气缸顶部有 ，汽油机气缸顶部有 ，在吸气冲程中的不同是：汽油机吸入气缸里的是 ，柴油机吸入气缸里的是 。
13、如图所示是飞轮转速为1800r/min四冲程汽油机工作状态示意图，由图可以看出，此时它正处在 　 　冲程，在这个冲程中它会将某种能量转化为 　 　能，此汽油机1s对外做 　 　次功。
14、“可燃冰”作为新型能源，有着巨大的开发使用潜力，同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍，说明“可燃冰”的________很大。
15、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 为其他形式，或者从一个物体 到其他物体，而在这两个过程中，能量的总量保持不变。
16、汽油的热值是4.6×107J/kg，它的物理意义是_______汽油完全燃烧，放出的热量是________J。要想得9.2×107J的热量，至少要燃烧________kg汽油。
17、有10g煤油，其中一半完全燃烧，放出的热量是2.3×105J，余下的煤油的热值是________J/kg。上述热量若全部被水吸收，可使________kg水的温度从15℃升高到65℃(保留一位小数)。
18、汽油发动机工作时，汽油必须和吸进的空气成适当的比例，才能形成可以有效燃烧的混合气，这就是空燃比（可燃混合气中空气质量与燃油质量之比），某总排量为2.0L的发动机的空燃比为22：1，混合燃气的密度为1.5kg/m3，则发动机做一次功，燃料燃烧产生的热量为　 　J，当发动机曲轴每分钟转速为3000转时，此时汽车输出的机械功率为90kW．则该发动机每秒钟做功　 　次，此时该发动机的效率是　 　%（汽油的热值为4.6×107J/kg）
19、普通汽车行驶时，发动机将燃料燃烧产生的内能转变为机械能。如图所示是某型号的普通汽车发动机的能量流向图，依据图中提供的信息，计算该汽车发动机的效率为________。
20、下面是小敏在题为《能源的利用》的探究性学习中收集到的有关太阳能的资料：
　　太阳能是人类最基本的能源，它无污染、免费、还可再生，这种能源的使用期和太阳本身的寿命一样长。当太阳光照射地面时，1平方米地面上在1秒内平均得到的太阳能约为1.0×103J,太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置，目前已经逐渐出现在我们的生活中恰好，小敏同学家最近想买一台太阳能热水器，在参考了以上资料后，她又在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告：
容积 100L
集热管的采光面积（S） 1.5m2
效率 40%
使用年限 15年
（1） 小敏家每天大约需要100kg热水，用这种热水器将这些水从25摄氏度加热到45摄氏度需要多少时间？
（2） 对比效率为80%的电热水器，小敏家每天可节约多少电能？
21、某家庭用燃气热水器将质量为100kg，温度为20℃的自来水加热到50℃，消耗的天然气体积为1m3（假设天然气完全燃烧）。已知水的比热容为4.2×103J/（kg ℃），天然气的热值为3.2×107J/m3。求：
（1）天然气完全燃烧放出的热量；
（2）水吸收的热量；
（3）该热水器工作时的效率。
22、五一期间，小明爸爸利用家中汽车进行了自驾旅游，小汽车以120km/h速度行驶了2h，从油量指示表上估计出消耗汽油约16L．汽油密度ρ＝0.75×103kg/m3，汽油热值q＝4.5×107J/kg。小明从物理书上了解到汽油机的效率约为30%．求：
（1）16L汽油完全燃烧放出的热量；
（2）汽车发动机输出的有用功；
（3）汽车匀速行驶过程中所受的阻力。

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