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(共32张PPT)
12.4 热机与社会发展
一、热机的定义：将内能转化为机械能的机器
在生活和生产中，我们经常需要将内能转化为机械能来驱动各种设备，例如汽车、火车、飞机、轮船等交通工具，以及各种工业用的发动机。能够实现这种能量转化的机器叫做热机。热机是利用燃料燃烧时释放的内能来做功，将内能转化为机械能的机器。
热机的工作过程离不开燃料的燃烧。燃料在热机内部燃烧，释放出大量的内能，这些内能通过一定的装置转化为机械能，从而驱动热机运转。例如，汽车发动机通过燃烧汽油或柴油，将燃料的化学能转化为内能，再通过活塞的运动将内能转化为机械能，使汽车前进。
二、热机的工作原理：能量的转化与转移
热机的种类很多，但它们的基本工作原理是相似的，都是通过燃料的燃烧获取内能，然后将内能转化为机械能。以常见的内燃机为例，其工作原理可以概括为以下几个步骤：
吸气冲程：内燃机的进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，将燃料和空气的混合物吸入气缸（汽油机）或吸入空气（柴油机）。
压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，将气缸内的燃料混合物或空气压缩，使其体积减小，温度升高，内能增加。在这个过程中，机械能转化为内能。
做功冲程：在压缩冲程结束时，火花塞点燃燃料混合物（汽油机）或喷油嘴向气缸内喷入柴油，柴油在高温高压的空气中自燃（柴油机）。燃料燃烧释放出大量的内能，使气缸内的气体温度升高，压强增大，推动活塞向下运动，通过连杆带动曲轴转动，对外做功。在这个过程中，内能转化为机械能。
排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，将燃烧后产生的废气排出气缸。
这样，内燃机通过吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环，实现了内能向机械能的持续转化。在这四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其他三个冲程都是辅助冲程，需要依靠飞轮的惯性来完成。
三、热机的分类：从蒸汽机到喷气发动机
根据燃料燃烧方式和结构特点的不同，热机可以分为多种类型，常见的有蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。
蒸汽机：蒸汽机是最早出现的热机之一，它通过燃烧燃料（如煤）加热水，产生高温高压的水蒸气，水蒸气推动活塞做功，将内能转化为机械能。蒸汽机的效率较低，但它的出现标志着工业革命的开始，极大地推动了社会生产力的发展。不过，由于蒸汽机体积庞大、效率低、启动慢等缺点，现在已逐渐被其他类型的热机所取代。
内燃机：内燃机是目前应用最广泛的热机之一，它的燃料直接在气缸内燃烧。根据使用燃料的不同，内燃机可分为汽油机和柴油机。汽油机通常用于汽车、摩托车等轻型交通工具；柴油机由于效率较高、动力较大，常用于卡车、拖拉机、轮船、发电机等重型设备。
汽轮机：汽轮机是一种旋转式蒸汽动力装置，它利用高温高压的水蒸气推动汽轮机的叶片旋转，将内能转化为机械能。汽轮机具有效率高、功率大、运转平稳等优点，广泛应用于火力发电厂、大型轮船等领域。
喷气发动机：喷气发动机是一种新型的热机，它通过燃烧燃料产生高温高压的燃气，燃气从发动机尾部高速喷出，根据反冲原理推动发动机向前运动。喷气发动机具有功率大、飞行速度快等优点，主要用于飞机、火箭等航空航天领域。
四、热机的效率：能量利用的有效程度
（一）热机效率的定义
热机工作时，燃料燃烧释放的内能并不能全部转化为机械能，其中有一部分能量会损失掉。热机效率是指热机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，用符号\( \eta \)表示。热机效率反映了热机对能量的利用效率，效率越高，说明热机对能量的利用越充分。
（二）热机效率的计算公式
热机效率的计算公式为：\(
\eta = \frac{W_{\text{ ¨}}}{Q_{\text{ }}} \times 100\%
\)
其中，\( W_{\text{ ¨}} \)是热机做的有用功，\( Q_{\text{ }} \)是燃料完全燃烧放出的热量。
（三）影响热机效率的因素
热机效率的高低受到多种因素的影响，主要包括：
燃料燃烧的充分程度：如果燃料燃烧不充分，会有一部分燃料没有被利用，白白浪费掉，从而降低热机效率。
热量的损失：热机工作过程中，会有大量的热量通过气缸壁、排气管等部件散失到空气中，这部分热量没有被用来做功，导致效率降低。
机械摩擦：热机内部的机械部件之间存在摩擦，克服摩擦需要消耗一部分能量，这也会降低热机效率。
目前，汽油机的效率一般在 20% - 30% 之间，柴油机的效率一般在 30% - 45% 之间，汽轮机的效率相对较高，可达 40% - 60%。提高热机效率对于节约能源、减少污染具有重要意义。
（四）提高热机效率的途径
使燃料充分燃烧：通过改进燃烧装置和进气方式，保证燃料在气缸内充分燃烧，减少燃料的浪费。
减少热量损失：采用隔热性能好的材料制作气缸和排气管，减少热量的散失；利用废气的余热加热空气或水，提高能量的利用率。
减小机械摩擦：对热机内部的机械部件进行润滑和改进，减小摩擦阻力，降低能量消耗。
改进热机的结构：通过优化热机的设计，提高热机的工作性能，减少能量损失。
五、热机与社会发展：推动进步的 “引擎”
（一）热机对工业革命的推动
18 世纪末，蒸汽机的发明和应用标志着第一次工业革命的开始。蒸汽机的出现使得工厂摆脱了对水力、风力等自然能源的依赖，能够集中在城市进行生产，极大地提高了生产效率。蒸汽机还被应用于火车、轮船等交通工具，改变了传统的运输方式，扩大了商品的流通范围，促进了国际贸易的发展。
（二）热机对现代交通的影响
内燃机的发明和普及使得汽车、飞机等现代交通工具得到了飞速发展。汽车的普及改变了人们的出行方式，提高了出行效率，扩大了人们的活动范围；飞机的出现实现了远距离的快速运输，缩短了世界各地的距离，促进了文化交流和经济合作。如今，各种交通工具已经成为现代社会不可或缺的一部分，而这些交通工具的核心动力装置都是热机。
（三）热机在能源利用中的作用
热机在能源利用中发挥着重要作用，火力发电厂利用汽轮机将煤炭、石油、天然气等燃料的化学能转化为电能，为工业生产和居民生活提供了充足的电力；农业生产中使用的拖拉机、收割机等农业机械，也是依靠内燃机来驱动的，提高了农业生产效率。
六、热机带来的问题：环境污染与能源消耗
（一）环境污染
热机在工作过程中会产生大量的废气，如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、颗粒物等。这些废气排放到空气中，会造成空气污染，危害人体健康；二氧化碳等温室气体的大量排放还会导致全球气候变暖，引发一系列环境问题。此外，热机工作时还会产生噪声污染，影响人们的生活环境。
（二）能源消耗
热机主要依靠化石燃料（如煤、石油、天然气）来提供能量，而化石燃料是不可再生能源，储量有限。随着热机的广泛应用，对化石燃料的需求量不断增加，导致能源短缺问题日益严重。如果不加以控制，化石燃料的过度消耗将会对人类的可持续发展造成严重威胁。
七、热机的未来发展：绿色与高效
为了应对热机带来的环境污染和能源消耗问题，人们正在不断探索热机的未来发展方向，主要包括以下几个方面：
开发新能源热机：研究和开发以清洁能源（如氢气、生物燃料、太阳能等）为动力的热机，减少对化石燃料的依赖，降低环境污染。例如，氢燃料发动机以氢气为燃料，燃烧后只产生水，不会对环境造成污染。
提高热机效率：通过不断改进热机的结构和工作原理，提高热机的效率，减少能源消耗。例如，采用涡轮增压技术、可变气门正时技术等，可以提高内燃机的燃烧效率。
发展混合动力技术：混合动力汽车结合了内燃机和电动机的优点，在行驶过程中可以根据工况自动切换动力来源，提高能源利用率，减少废气排放。
推广电动技术：电动汽车以电能为动力，不产生废气排放，是一种环保的交通工具。随着电池技术的不断发展，电动汽车的续航里程和性能不断提高，有望在未来逐渐取代传统的内燃机汽车。
八、课堂小结
热机的定义：利用燃料燃烧释放的内能做功，将内能转化为机械能的机器。
热机的工作原理：以四冲程内燃机为例，通过吸气、压缩、做功、排气四个冲程循环工作，其中做功冲程实现内能向机械能的转化。
热机的分类：包括蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等，内燃机应用最为广泛。
热机效率：有用功与燃料完全燃烧放出热量的比值，\( \eta = \frac{W_{\text{ ¨}}}{Q_{\text{ }}} \times 100\% \)，受燃料燃烧充分程度、热量损失、机械摩擦等因素影响。
热机与社会发展：推动了工业革命和现代交通的发展，在能源利用中发挥重要作用，但也带来了环境污染和能源消耗问题。
热机的未来：向新能源化、高效化、绿色化发展，如开发新能源热机、提高效率、发展混合动力和电动技术。
九、课堂练习
热机是将______能转化为______能的机器，它的工作离不开燃料的______。
四冲程内燃机的工作过程包括吸气、______、______和排气四个冲程，其中______冲程实现了内能向机械能的转化。
关于热机效率，下列说法正确的是（ ）
A. 热机效率越高，说明热机做的有用功越多 B. 热机效率越高，说明燃料消耗得越少
C. 热机效率越高，说明能量的利用率越高 D. 热机效率可以达到 100%
为什么热机工作时会对环境造成污染？如何减少热机对环境的污染？
十、课后作业
完成课本上的相关练习题，巩固热机的工作原理和效率的计算方法。
查阅资料，了解不同类型热机的效率范围，并分析影响它们效率的主要因素。
结合实际生活，谈谈热机的发明和发展对人类社会的影响，包括积极影响和消极影响。
展望未来，你认为热机在哪些方面还有待改进和发展？写出你的想法和建议。
2024沪粤版物理九年级上册
12.4 热机与社会发展
第十二章 内能与热机
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
1.知道热机工作过程中的能量转化过程。
2.了解内燃机工作的四个冲程。
3.知道提高热机效率的途径。
4.知道热机与环境的关系。
学习目标
热机推动人类进步
(a)从镰刀到收割机 (b)从马车到列车 (c)从木帆船到远洋巨轮
观察与思考
蒸汽机
汽油机
柴油机
燃气轮机
喷气发动机
火箭发动机
化学
燃料
高温气体
燃烧
推动
机械
运动
共同特点：
各种各样的热机：
一、热机
观察与思考
热机中能量的转化
（做功）
化学能
热机是一种将燃料的化学能通过燃烧转化为内能，然后通过做功，把内能转化为机械能的机械。
机械能
（燃烧）
内能
汽油机是用汽油作燃料，使汽油在机器内部燃烧，将内能转化为机械能的一种热机。
二、汽油机
(a)单缸汽油机
(b)四缸汽油机
汽油机的构造
火花塞
气缸
进气门
活塞
连杆
排气门
曲轴
汽油机四冲程的特点
冲程名称 进气门 排气门 活塞运动方向 作用 能量
的转化
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
排气冲程
开
关
向下
吸入汽油和空气的混合气
无
关
关
向上
压缩气体
提高温度
关
关
向下
高温气体膨胀推动活塞做功
关
开
向上
排出废气
无
机械能转
化为内能
内能转化
为机械能
汽油机四冲程的特点
一个工作循环里，活塞往返 次，曲轴转动 周。 冲程是燃气对外做功，其他三个冲程是靠 来完成。
两
做功
两
飞轮的惯性
柴油机结构和汽油机相似，它们的主要区别是：柴油机通过压缩空气直接点燃柴油。柴油机的汽缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴。吸入的物质也只有空气，在压缩冲程结束时，压缩空气的温度已经超过柴油的燃点，此时从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气就立刻燃烧起来
了解柴油机
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。
蒸汽机的效率很低，只有6%~15%。内燃机的效率较高，如汽油机的效率为20%~30%，柴油机的效率可达45%左右。
三、热机的效率
请思考汽油机的运转过程中，燃料放出的能量是否全部用来对外作功了？
E1
E2
E3
E4
废气损失
散热损失
机械损失
1.尽可能使燃料充分燃烧；
2.尽量减小各种热量损失；
3.机件间保持良好的润滑以减小摩擦。
提高热机效率的主要途径：
观察与思考
1.热机的利用带来的环境污染
2.怎样控制热机对环境造成的污染
(1)排出的废气温度较高
(2)废气中含有各种有害的气体和粉尘
(1)改进燃烧设备
(2)充分利用污染少的能源
(3)在排气管上安装消声器，以减少噪声污染
四、热机与环境
热机
1. 飞船喷吐烈焰飞行在茫茫太空中，飞船上的发动机
(填“属于”或“不属于”)热机，理由是它工作时
将 能转化为机械能。
属
于　
内　
2
3
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8
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15
1
2. 下列机器中，不属于热机的是(　C　)
A. 汽油机 B. 柴油机
C. 洗衣机 D. 蒸汽机
C
2
3
4
5
6
7
8
9
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1
汽油机
3. 如图所示为四冲程汽油机工作时的示意图，一个工作循环
的正确顺序为 。
甲、丁、乙、丙　
2
3
4
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6
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8
9
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1
【补充设问】
(1)属于机械能转化为内能的是图 ；依靠飞轮惯性完成
的是图 。
(2)提供动力的冲程是图 ，该冲程中气缸中工作物质的
内能 ，气体温度 (填“升高”或“降
低”)。
(3)在一个工作循环中，飞轮转 圈，活塞往返 次，
对外做功 次。
丁　
甲、丙、丁　
乙　
减小　
降低　
2　
2　
1　
2
3
4
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1
4. [2023·亳州二模改编]如图甲所示，小英同学用力向下
压的时候，我们观察到空气压缩引火仪中的硝化棉燃
烧起来了，其能量转化与汽油机四冲程中的
冲程相同。与图乙演示原理相同的是汽油机四冲程中
的 冲程。
压缩　
做功　
2
3
4
5
6
7
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9
10
11
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1
5. 用热水壶烧水至沸腾时，水蒸气会顶开壶盖。汽油机工作
中，与此能量转化相同的冲程是(　C　)
A. 吸气冲程
B. 压缩冲程
C. 做功冲程
D. 排气冲程
C
2
3
4
5
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8
9
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1
柴油机
6. 【创新题·新考法】根据汽油机和柴油机的区别，完成
下表：
汽油机 柴油机
构造 火花塞
吸入物质 汽油和空气混合物
点火方式 点燃式
喷油嘴　
空气　
压燃式　
2
3
4
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8
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1
7. [2024·阜阳月考改编]如图所示是内燃机某一冲程的示意
图，其中喷油嘴正在喷油，由图可知：这种内燃机
是 (填“汽油机”或“柴油机”)；它在吸气冲程吸入的物质是 (填“空气”“汽油”“柴油”或“空气和燃料的混合物”)。
方法点睛：区分汽油机和柴油机主要看有没有火花塞。
柴油机　
空气　
2
3
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6
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8
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1
热机的效率
8. [2024·芜湖月考]汽油因热值高常作为内燃机的燃料，已知
汽油的热值为4.6×107 J/kg，完全燃烧50 g汽油释放的热
量是 J，若某汽车因此获得的机械能是
6.9×105 J，则该汽车发动机的效率是 。
2.3×106　
30％　
2
3
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1
9. 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(　D　)
A. 尽量使燃料充分燃烧
B. 尽量减小热机部件间的摩擦
C. 尽量减少废气带走的热量
D. 尽量减少热机工作的时间
D
2
3
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8
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1
10. [科学素质·科学实践]小训在学习内能知识后，突发奇
想，在家自制了一个内能演示仪，由压力式喷壶、电子
温度计、小风车组成。电子探头内置于喷壶中，喷壶穿
线孔处密封，仪表盘外置，如图所示。当小训开始向内
打气时，气体内能 (填“增大”“减小”或“不
变”)，此过程相当于汽油机四个冲程中的 冲
程。小训向壶内压缩完气体后，按下喷气开关时，风车
转动，此时气体的内能转化为风车的 ，此过
程相当于汽油机四个冲程中的 冲程。
增大　
压缩　
机械能　
做功　
2
3
4
5
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1
11. [2024·常州模拟改编]某型号雾炮车的发动机是单缸四冲
程柴油机，柴油机四个冲程中的 冲程给车提供
了动力，若该柴油机的转速为1 800 r/min，则它每秒钟
完成 个做功冲程，完成 个工作循环。
做功　
15　
15　
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
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1
12. [2023·安庆期末改编]我国自主研发的某品牌汽车进行技
术测试，已知该车在某段长1.15 km的水平路面做匀速直
线运动，用时40 s，汽车在行驶过程中受到的阻力为4
000 N，汽车在此过程中发动机效率为40％，汽油的热值
q＝4.6×107 J/kg。在该段测试过程中，汽车的功率
为 W，燃烧了 kg汽油。
1.15×105　
0.25　
2
3
4
5
6
7
8
9
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1
13. 如图所示是四冲程汽油机工作时某个冲程的示意图，下
列说法正确的是(　D　)
A. 该冲程和它的下一个冲程都靠飞轮的惯性完成
B. 该冲程气缸内的物质只有空气
C. 该冲程中存在两次能量转化
D. 该冲程气缸内物质的内能在增大
D
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3
4
5
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7
8
9
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1
14. 汽油机是汽车的“心脏”，其中汽油机的做功冲程将内
能转化为机械能。已知某单缸四冲程汽油机飞轮的转速
为1 800 r/min，每次做功冲程对外做的功为730 J。(汽油
的热值为4.6×107 J/kg)
(1)1 min内汽油机对外做的功为多少焦耳？
解：(1)飞轮的转速为1 800 r/min，则一分钟内汽油机
完成900个工作循环，即对外做功900次，则1 min内汽
油机对外做的功W＝900×730 J＝6.57×105 J。
2
3
4
5
6
7
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1
14. 汽油机是汽车的“心脏”，其中汽油机的做功冲程将内
能转化为机械能。已知某单缸四冲程汽油机飞轮的转速
为1 800 r/min，每次做功冲程对外做的功为730 J。(汽油
的热值为4.6×107 J/kg)
(2)若汽油机每分钟消耗50 g的汽油且汽油完全燃烧，求
该汽油机的效率。(计算结果保留至0.1％)
解：(2)50 g汽油完全燃烧放出的热量Q＝mq＝50×
10－3 kg×4.6×107 J/kg＝2.3×106 J；汽油机的效率η＝×100％＝×100％≈28.6％。
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1
15. 【创新题·新考法】[2024·亳州月考改编]如图所示，发动
机有4个气缸(图中标注1、2、3、4)，通过连杆把4个气缸
的活塞连在一根曲轴上。各个气缸的做功过程错开，在
飞轮转动的每半周里，都有一个气缸在做功，其他三个
气缸分别处于吸气、压缩和排气冲程。如果1号气缸处于
做功冲程，4号气缸所处的冲程是(　A　)
A
A. 吸气冲程 B. 压缩冲程
C. 做功冲程 D. 排气冲程
2
3
4
5
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7
8
9
10
11
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12.4 热机与社会发展
一、热机
二、汽油机
1.汽油机的构造
2.汽油机工作的四个冲程
三、热机的效率
四、热机与环境
谢谢观看！

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