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12.4 热机与社会发展
第十二章 内能与热机
知识点
热机
知1－讲
1
1. 定义
热机是将燃料燃烧产生的高温、高压燃气的内能转化为机械能的装置。
2. 热机工作原理
知1－讲
3. 常见的热机
蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机、火箭发动机。
知1－讲
知识关联
内燃机是燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机，常见的内燃机有汽油机和柴油机。
知1－练
例 1
如图1所示，取一只透明胶卷盒，底部钻一小孔，刚好能将电子式火花发生器的放电针管紧紧地塞进孔中，打开塑料盒盖，向盒中滴入数滴酒精，再将盒盖盖紧，然后按动电火花发生器的按钮。
解题秘方：从能量转化的角度分析热机的原理。
知1－练
解析：打开塑料盒盖，向盒中滴入数滴酒精，再将盒盖 盖紧，然后按动电火花发生器的按钮，观察到的现象是塑料盒盖飞出去。
(1)实验中，你将观察到的现象是__________________。
塑料盒盖飞出去了
知1－练
解析：酒精燃烧后产生的燃气对外做功，燃气的内能减少，转化为盒盖的机械能。
(2)在此过程中，酒精燃烧后的燃气对外做功，燃气的_______能减少，转化为盒盖的_______能。
内
机械
知1－练
1. [中考·无锡] 如图所示，在试管里装入一些水，用软木塞塞住试管口，将试管放在酒精灯上加热使水沸腾，水蒸气会把软木塞冲开，在这一过程中，水蒸气膨胀对软木塞______，水蒸气的一部分______能转化为
软木塞的______能，利用这一原理，可以
制成热机。
做功
内
机械
知2－讲
知识点
汽油机
2
1. 定义 用汽油做燃料，使汽油在气缸内燃烧，从而将内能转化为机械能的一种热机。
2. 结构 进气门、排气门、火花塞、气缸、活塞、连杆、曲轴、飞轮等。
知2－讲
模型图 主要部件 作用
气缸 汽油燃烧的场所
活塞 被高温、高压燃气推动，把内能转化为机械能
连杆和 曲轴 连杆跟活塞相连 ,曲轴通过传动装置(图中未画出)跟工作机相连，将活塞的动力传给工作机
火花塞 产生电火花使燃料混合物猛烈燃烧
知2－讲
3. 汽油机工作的四个冲程
吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
图示
知2－讲
续表：
吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
气门开闭 进气门打开 排气门关闭 进气门关闭 排气门关闭 进气门关闭 排气门关闭 进气门关闭
排气门打开
活塞 向下运动 向上运动 向下运动 向上运动
知2－讲
续表：
吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
主要过程 吸入汽油和空气的混合气体 压缩混合 气体 火花塞点火形成高温高压气体，推动活塞向下运动 排出废气
能量转换 无 机械能→内能 内能→机械能 无
知2－讲
总结：
①汽油机在开始工作时，要靠外力先使曲轴、连杆转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动以后，汽油机才能连续工作；
②在汽油机的一个工作循环中，包含4个冲程，活塞往复运动 2 次，曲轴转动2圈，对外做功1次。
知2－讲
释疑解难
1. 热机启动的动力：先靠外力使飞轮和曲轴转动起来，然后带动活塞运动。
2. 活塞向上运动的动力：如图2，在做功冲程中，气体迅速膨胀，推动活塞向下运动，并通过连杆
推动曲轴旋转，从而带动飞轮旋转。飞轮
旋转的惯性，会反过来带动曲轴旋转，实
现活塞的上下移动。
知2－讲
方法解读
运用对比法识别冲程：
(1)区分吸气冲程与排气冲程：只需看打开哪个气门。
(2)识别做功冲程与压缩冲程：在确定两个气门都关闭的前提下，只需看活塞的运动情况，活塞向上运动为压缩冲程，活塞向下运动为做功冲程。
知2－练
[中考·绥化] 如图是四冲程汽油机的工作示意图。从能量转化的角度看，机械能转化为内能的冲程是(　　)
例 2
知2－练
解题秘方：通过气门的关闭情况和活塞的运动情况来判断是哪一个冲程。
知2－练
答案：A
解析：图A中的两个气门都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程，是机械能转化为内能；图B中的一个气门打开，活塞向下运动，所以为吸气冲程；图C中的一个气门打开，活塞向上运动，所以为排气冲程；图D中的两个气门都关闭，活塞向下运动，所以为做功冲程，是内能转化为机械能。
知2－练
2. [中考·玉林]如图所示是一台四冲程汽油机的______ (填“压缩 ”或“做功”)冲程，这个冲程是通过______(填“做功”或“热传递”)的方式改变气缸内气体的内能。
压缩
做功
知3－讲
知识点
柴油机
3
1. 主要结构 进气门、排气门、喷油嘴、气缸、活塞、连杆、曲轴、飞轮等。
知3－讲
2. 利用对比法分析柴油机和汽油机的不同点
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
知3－讲
续表：
机种 项目 汽油机 柴油机
工 作 过 程 吸气 冲程 吸进汽油和空气的混合物 吸进空气
压缩 冲程 混合物被压缩后，压强达 6~15 atm， 温度达250~300 ℃ 空气被压缩后，压强达 35~45 atm，温度达 500~700 ℃
做功 冲程 火花塞点火，燃料燃烧，即点燃式 喷油嘴喷出雾状柴油，遇高温空气燃烧，即压燃式
知3－讲
续表：
机种 项目 汽油机 柴油机
用途 轻巧、体积小，常用于汽车、轻型飞机等 笨重、功率大，主要用于载重汽车、轮船、坦克、带动发电机发电等
知3－讲
深度理解
汽油机和柴油机的辨析：
和汽油机相比，柴油机的压缩冲程更充分，压缩冲程末气缸内的压强更大，温度更高，已超过了柴油的着火点，此时喷油嘴喷出雾状柴油，燃料燃烧更充分，通过做功获得的动力更大。
知3－练
汽油机和柴油机的主要不同是( )
A. 在构造上汽油机气缸顶部有喷油嘴，而柴油机的气缸顶部有火花塞
B. 在吸气冲程中汽油机吸入气缸的是汽油，柴油机吸入气缸的是柴油
C. 汽油机采用的是点燃式点火，而柴油机采用的是压燃式 点火
D. 在压缩冲程中汽油机气缸里的温度和压强比柴油机里的高
例 3
知3－练
解题秘方：用对比法区别两种内燃机，要能找出两种内燃机的主要不同点。
解析：汽油机气缸顶部是一个火花塞，而柴油机气缸顶部是一个喷油嘴，这是汽油机和柴油机在构造上的区别。此外，汽油机和柴油机吸气冲程时吸入的工作物质、压缩冲程时的压缩程度及点火方式都有所不同。
答案：C
知3－练
3. 下列关于汽油机与柴油机的说法错误的是(　　)
A. 汽油机和柴油机都属于内燃机
B. 汽油机适用于小型汽车，柴油机适用于载重汽车
C. 柴油机与汽油机除使用的燃料不同外，在构造上完全相同
D. 在压缩冲程中，柴油机气缸内气体被压缩程度更大
C
知4－讲
知识点
热机的效率
4
1. 定义
热机工作时 , 用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比 , 叫做热机的效率。
2. 公式
知4－讲
3. 提高热机效率的途径
(1)改善燃烧条件，使燃料尽可能充分燃烧。
(2)减少热机工作过程中与外界的热传递损失。
(3)简化机械传动部分，选用优良的润滑材料减小机械摩擦，以减少能量损失。
知4－讲
4. 常见热机的效率
知4－讲
释疑解难
利用公式理解减少能量损失可以提高热机效率：
η＝＝＝1－。
知4－讲
易错提醒
1. 热机效率是一个比值，与功率大小、消耗燃料多少、转速快慢等因素无关。
2. 热机的效率越高意味着消耗相同质量的燃料输出的有用功越多。
知4－练
[淮安期末] 无人驾驶汽车是一种智能汽车，也可称之为轮式移动机器人，主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶。如图5所示为某款无人驾驶汽车，该车以72 km/h 的速度在一段平直的公路上匀速行驶了8 km，消耗汽油1.2 kg。假设汽油完全燃烧，汽油机的效率为30%，
那么，在这段运动过程中，求：
(汽油的热值为4.5×107 J/kg)
例 4
知4－练
解题秘方：掌握和熟练运用燃料完全燃 烧的放热公式Q放＝qm、热机效率公式η＝×100%和功率的公式 P＝是解答本题的关键。
知4－练
(1)1.2 kg 汽油完全燃烧产生的热量。
解：消耗的汽油完全燃烧放出的热量Q放＝qm＝4.5×
107 J/kg×1.2 kg＝5.4×107 J。
知4－练
(2)该汽车所受的阻力。
解：该汽车发动机做的有用功W＝Q放η＝5.4×107 J× 30%＝1.62×107 J，汽 车行驶的速度v＝72 km/h＝ 20 m/s，行驶的路程 s＝8 km＝8 000 m ，则行驶的时间 t＝＝＝400 s ，
知4－练
该汽车的输出功率P＝＝＝4.05×104 W，汽车所受的牵引力 F＝＝＝2.025×103 N，汽 车做匀速直线运动，汽车所受的阻力与牵引力是一对平衡力，则汽车所受的阻力 f＝F＝2.025×103 N。
知4－练
4. [中考·南充] 某单缸四冲程汽油机，飞轮每分钟转 3 000 转，则每秒对外做功 _______次， 每次对外做功 115 J，该汽油机的效率为 25%，连续工作 1 h 需消耗汽油_______kg。(q汽油＝4.6×107 J/kg)
25
0.9
知5－讲
知识点
热机与环境
5
现代热机的出现，极大地改进了人类的工作方式和生活条件。但是，所有热机工作时都要排放废气。热机排岀的废气不仅温度高于环境温度，而且还含有一氧化碳、二氧化氮、微粒等各种对人体有害的物质，对环境造成污染，影响人们的身体健康和动植物的生存。
减少热机排放出的有害物质，控制废气的排放总量，已成为热机发展与环境保护的重要举措。
知5－讲
深度理解
在热机的能量损失中，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之一。
知5－练
[中考·衡阳] 汽车的发动机大多数是内燃机，内燃机是热机的一种，下列关于热机和环境保护的说法，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. 热机的大量使用会造成环境污染
D. 汽油机的做功冲程是将机械能转化成内能
例 5
知5－练
解题秘方：热机工作时，排放的尾气中有一氧化碳、二氧化氮、微粒等，会形成酸雨，危害植物，污染环境。
知5－练
解析：热机工作时，排出的尾气带走了大部分内能，故 A 错误；热机工作时由于要克服机械间的摩擦做额外功，同时也存在热散失，并且废气带走大部分能量，所以热机的效率很低，不能达到100%，故 B 错 误；热机工作时，燃料燃烧放出的废气会造成环境污染，所以热机的大量使用会造成环境污染，故 C 正确；汽油机的做功冲程中高温高压燃气推动活塞做功，将内能转化为机械能，故 D 错误。
答案：C
知5－练
5. 下列关于热机和环境保护的说法中正确的是(　　)
A. 所有的热机都是用汽油作为燃料
B. 汽车排出的尾气都是有毒气体
C. 使燃料燃烧更充分可以提高热机效率
D. 热机所产生的噪声，可以被消声器完全消除
C
热机与社会发展
热机
热机效率
其他热机
内燃机
柴油机
汽油机
结构
工作原理、过程

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