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12.4 热机与社会发展
第十二章 内能与热机
沪粤版2025-2026学年 物理九年级上册【精做课件】
授课教师：********
班 级：********
时 间：********
12.4 热机与社会发展
教学目标
了解热机的概念和工作原理，知道热机是将内能转化为机械能的机器。
认识常见热机的类型，如蒸汽机、内燃机（汽油机和柴油机）、汽轮机等，了解它们的基本结构和工作过程。
理解热机效率的含义，知道提高热机效率的方法和意义。
分析热机对社会发展的推动作用，以及热机使用过程中带来的环境问题。（重点）
关注热机的发展趋势，树立可持续发展的观念。
热机的概念与工作原理
热机的定义
热机是一种将内能转化为机械能的机器。它通过燃料的燃烧获取内能，然后将内能转化为机械能，为人类的生产和生活提供动力。
工作原理
热机的工作过程主要包括以下几个环节：
燃料燃烧：燃料在热机的燃烧室内燃烧，化学能转化为内能，使燃烧室内的气体温度升高、压强增大。
能量转化：高温高压的气体膨胀对外做功，将内能转化为机械能，推动热机的活塞或叶轮运动。
排气：对外做功后的废气被排出热机，同时热机准备下一个工作循环。
例如，汽车发动机工作时，汽油或柴油在气缸内燃烧，产生高温高压的燃气，燃气推动活塞运动，活塞通过连杆带动曲轴转动，将内能转化为汽车行驶的机械能。
常见热机的类型
蒸汽机
发明与发展：蒸汽机是最早的热机之一，由瓦特在 18 世纪进行了重大改进，推动了第一次工业革命。
结构与工作过程：蒸汽机主要由锅炉、气缸、活塞、连杆和飞轮等部分组成。燃料（如煤）在锅炉外燃烧，将水加热成高温高压的水蒸气，水蒸气进入气缸，推动活塞运动，将内能转化为机械能。
特点：蒸汽机的效率较低（一般在 10% - 15%），体积庞大，结构复杂，但它的出现标志着人类进入了机器时代，极大地推动了交通运输和工业生产的发展。
应用：早期的火车、轮船、纺织机械等都以蒸汽机为动力。
内燃机
内燃机是燃料在气缸内燃烧的热机，常见的有汽油机和柴油机。
汽油机：
结构：主要由气缸、活塞、火花塞、进气门、排气门、连杆和曲轴等组成。
工作过程：一个工作循环包括吸气、压缩、做功和排气四个冲程，简称 “四冲程”。
吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，吸入汽油和空气的混合物。
压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，混合物被压缩，温度升高。
做功冲程：在压缩冲程末，火花塞产生电火花，点燃混合物，产生高温高压燃气，推动活塞向下运动，将内能转化为机械能。
排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，排出废气。
特点：效率比蒸汽机高（一般在 20% - 30%），体积小，重量轻，启动方便。
应用：广泛用于汽车、摩托车、小型飞机等交通工具。
柴油机：
结构：与汽油机相似，但没有火花塞，有喷油嘴。
工作过程：同样包括吸气、压缩、做功和排气四个冲程。不同的是，吸气冲程吸入的是空气；压缩冲程结束时，喷油嘴向气缸内喷入雾状柴油，柴油遇到高温高压的空气自动燃烧。
特点：效率比汽油机更高（一般在 30% - 45%），功率大，省油，但比较笨重，振动较大。
应用：主要用于载重汽车、拖拉机、轮船、火车、发电机等。
汽轮机
结构与工作过程：汽轮机由喷嘴、叶轮、叶片和转轴等组成。高温高压的蒸汽（或燃气）通过喷嘴高速喷出，冲击叶轮上的叶片，使叶轮转动，将内能转化为机械能。
特点：效率较高（大型汽轮机效率可达 40% 以上），功率大，运转平稳，占地面积小。
应用：广泛用于火力发电厂、核电站、大型船舶等，是现代发电和大型动力装置的主要设备之一。
热机效率
热机效率的定义
热机工作时，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，叫做热机的效率，用符号 “η” 表示。
公式：η = （W 有用 / Q 放）× 100%
其中，W 有用是热机做的有用功，Q 放是燃料完全燃烧放出的热量。
热机效率低的原因
能量损失：
废气带走大量热量：燃料燃烧产生的高温废气排出时，带走了一部分内能，这是热机能量损失的主要原因之一。
散热损失：热机的气缸、排气管等部件会向周围环境散热，损失一部分能量。
机械摩擦损失：热机内部的活塞与气缸、轴承等部件之间的摩擦会消耗一部分能量，转化为内能。
燃料燃烧不充分：燃料在燃烧过程中，可能由于空气不足、燃烧时间短等原因，不能完全燃烧，导致部分能量没有被释放出来。
提高热机效率的方法
减少能量损失：
改进热机的结构，减少废气带走的热量。例如，采用废气涡轮增压技术，利用废气的能量推动涡轮转动，提高进气压力，增加燃料燃烧效率。
加强热机的保温措施，减少散热损失。例如，对气缸和排气管进行隔热处理。
选用优良的润滑剂，减少机械摩擦损失。
使燃料充分燃烧：
优化燃烧过程，保证燃料与空气充分混合，提供充足的氧气，使燃料完全燃烧。
采用新技术：研发新型热机，如燃气轮机、燃料电池等，这些热机具有更高的效率。
提高热机效率的意义
提高热机效率可以节约能源，减少燃料的消耗，降低生产成本；同时，还可以减少废气排放，减轻对环境的污染，具有重要的经济和环境意义。
热机与社会发展
热机对社会发展的推动作用
工业革命的动力源泉：蒸汽机的发明和应用，使工业生产从手工劳动向机器生产转变，推动了纺织、采矿、冶金等工业的快速发展，奠定了现代工业的基础。
交通运输的变革：
蒸汽机火车和轮船的出现，打破了传统交通工具的限制，实现了大规模、长距离的货物运输和人员往来，促进了地区间的经济交流和文化融合。
内燃机的发明使汽车、飞机等新型交通工具得以诞生，汽车的普及改变了人们的出行方式，扩大了人们的活动范围；飞机的出现实现了跨洲越洋的快速交通，缩短了世界的距离。
农业现代化的助力：以内燃机为动力的拖拉机、收割机等农业机械的使用，提高了农业生产效率，实现了农业的规模化和机械化，解决了粮食生产的难题。
能源利用的拓展：热机的发展推动了煤炭、石油、天然气等化石能源的大规模开发和利用，为社会发展提供了充足的能源支持。
热机使用带来的环境问题
空气污染：热机燃烧燃料时会产生大量的废气，如一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO ）、颗粒物等。这些废气会造成空气污染，危害人体健康，引发呼吸道疾病、心血管疾病等；同时，氮氧化物和二氧化硫是形成酸雨的主要原因，酸雨会破坏土壤、森林和建筑物。
温室效应：燃料燃烧产生的二氧化碳（CO ）是主要的温室气体，大量排放会导致全球气候变暖，引发冰川融化、海平面上升、极端天气事件增多等一系列环境问题。
噪声污染：热机工作时会产生较大的噪声，如汽车发动机、飞机发动机、工厂的汽轮机等，噪声会影响人们的正常生活和工作，损害听力。
热机的发展趋势
为了应对能源短缺和环境问题，热机的发展正朝着高效、清洁、环保的方向迈进。
提高效率：通过改进热机的结构、采用新型材料、优化燃烧过程等方式，进一步提高热机的效率，减少能源消耗。
使用清洁能源：研发以天然气、氢气、生物燃料等为燃料的热机，这些燃料燃烧时产生的污染物较少，对环境的影响较小。例如，天然气汽车的废气排放量比汽油车低很多；氢燃料热机燃烧时只产生水，不会污染环境。
混合动力技术：将传统热机与电动机结合起来，形成混合动力系统。在汽车等交通工具中，混合动力技术可以根据行驶工况自动切换热机和电动机的工作模式，提高能源利用效率，减少废气排放。
燃料电池技术：燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置，它不经过热机的燃烧过程，能量转化效率高（可达 50% - 60%），且排放的污染物少。燃料电池汽车是未来汽车发展的重要方向之一。
课堂练习
热机是将（ ）能转化为（ ）能的机器，常见的热机有（ ）、（ ）、（ ）等。
汽油机的一个工作循环包括（ ）、（ ）、（ ）、（ ）四个冲程，其中（ ）冲程是将内能转化为机械能的过程。
热机效率是指（ ）与（ ）之比，公式为（ ）。提高热机效率的方法有（ ）、（ ）等。
热机的使用推动了社会的发展，但也带来了（ ）、（ ）等环境问题。
下列关于热机的说法中，正确的是（ ）
A. 热机的效率可以达到 100%
B. 热机工作时将机械能转化为内能
C. 汽油机和柴油机都是内燃机
D. 蒸汽机的效率比内燃机高
课堂总结
热机是将内能转化为机械能的机器，通过燃料燃烧获取内能，再转化为机械能。
常见的热机有蒸汽机、内燃机（汽油机和柴油机）、汽轮机等，它们的工作原理相似，但结构和效率不同。
热机效率是衡量热机性能的重要指标，提高热机效率可以节约能源、减少污染。
热机的发展极大地推动了社会进步，但也带来了空气污染、温室效应等环境问题。
未来热机将朝着高效、清洁、环保的方向发展，如使用清洁能源、采用混合动力技术和燃料电池技术等。
课后作业
简述汽油机和柴油机工作过程的主要区别。
结合实际生活，举例说明热机给我们带来的便利和造成的环境问题，并提出一些减少热机对环境影响的建议。
查阅资料，了解一种新型热机（如燃气轮机、燃料电池）的工作原理和应用前景。
5
课堂检测
4
新知讲解
6
变式训练
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中考考法
8
小结梳理
学习目录
1
复习引入
2
新知讲解
3
典例讲解
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
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
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
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1.[立德树人·国家科技进展]下列我国的机械设备的动力装置不是利用热机的是(　　)
A．长征系列运载火箭的发动机
B．歼－20战机的喷气式发动机
C．高铁车头采用的电力机车
D．055型导弹驱逐舰配备的燃气轮机
C
知识点1
热机
2.[原创题]装置甲中的酒精灯给试管内的水加热，试管口喷出的蒸汽推动纸风车转动；装置乙中的燃料燃烧产生的气体高速从尾部喷出，对装置产生强大的反冲推力使它前进。从能量转化角度，它们的共同点是先将燃料的________能转化为________能，然后再通过________的方式将其转化为________能。
内
做功
机械
化学
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3．如图所示的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_________________。
[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。
甲、丁、乙、丙
知识点2
汽油机和柴油机
丁
甲、丙、丁
乙
减小
降低
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【思维通法】判断汽油机冲程
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9
4．如图甲所示，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，通过________方式使瓶内内能增加，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。
做功
压缩
做功
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9
5．[2025年1月阜阳期末改编]如图所示的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”)。
柴油机
空气
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9
6．[2025·合肥阶段练]关于热机的效率，下列说法正确的是
(　　)
A．热机的效率越高说明做功越快
B．热机消耗的燃料越多，效率就越低
C．热机的效率越高，在做功同样多的情况下消耗的能量越少
D．使用热值大的燃料可以提高热机的效率
C
知识点3
热机效率
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7．[2024·芜湖期末]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%
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8．[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
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15
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9．[2025·池州模拟改编]如图所示的为航母上简化的蒸汽弹射装置，能带动舰载机在两秒钟内达到300 km/h的起飞速度，蒸汽推动活塞时将内能转化为________能，这与内燃机________冲程的能量转化相似。
机械
做功
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10．有的小汽车采用涡轮增压发动机，它和普通发动机相比，能利用废气的能量压缩空气，增加气缸的进气量，这样燃料燃烧_________，发动机效率更______(填“高”或“低”)。
更充分
高
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11．一辆汽车在一段平直公路上匀速行驶，能量流向图如图所示，则该汽车的发动机的效率为______；若燃油的密度ρ＝0.8×103 kg/m3，热值为q＝4×107 J/kg，则消耗燃油1×10－3 m3(假设燃油完全燃烧)，汽车输出的有用功为________J。
30%
9.6×106
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12．[2025年1月合肥期末改编]我国自主品牌汽车通过技术革新和品质提升，越来越受到消费者的青睐。某国产品牌汽车在平直公路上以25 m/s的速度匀速行驶200 s，消耗了汽油1 kg，若汽车发动机的输出功率为92 kW，汽油的热值为4.6×107 J/kg。求：
(1)汽车牵引力所做的功。
(2)发动机的效率。
解：(1)汽车牵引力所做的功W＝Pt＝92×103 W×200 s＝1.84×107 J。
1 kg汽油完全燃烧后释放的能量Q放＝mq＝1 kg×4.6×107 J/kg＝4.6×107 J，
则发动机的效率η＝ ×100%＝ ×100%＝40%。
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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
课堂小结
三、热机的效率
四、热机与环境
谢谢观看！

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