资源简介

(共42张PPT)
第十四章
内能的利用
第4节
跨学科实践：制作简易
项目提出
热机是人们获得动力的重要机械，例如燃油汽车中的汽油机、大型轮船使用的柴油机或汽轮机、有些飞机使用的喷气发动机等。热机在生产生活中非常重要，如果我们能尝试制作一个热机模型，就可以更好地了解热机的工作原理，包括热机中的能量是如何转化的，热机中各部分是如何协调工作的。
请同学们在学过的热机知识基础上，进一步查找相关资料，了解不同热机的工作原理，制作一个简易热机模型。
项目分析
汽油机属于内燃机，它的工作物质是气缸内的空气和汽油的混合物。蒸汽机工作时，燃料燃烧使水变成水蒸气，水蒸气推动活塞运动产生动力。蒸汽机的燃烧室在汽缸外，属于外燃机，蒸汽机的工作物质是水蒸气。要完成热机模型的制作，需要重点考虑以下几个问题。
1. 用什么作热源
2. 工作物质是什么
3. 如何将内能转化成机械能
通常而言，制作采用燃烧燃料加热水产生蒸汽 (或直接加热空气) 来做功的外燃机，比制作在封闭缸体内燃烧燃料来做功的内燃机要安全，材料也相对易得，建议优先考虑前者。
制作简易热机模型时会遇到高温蒸汽、锋利的物体等，要注意安全。
项目实施
请根据自己的设计，制作一个简易的热机模型。下面展示的是一个简易的汽轮机模型，供参考。
准备以下材料：一个空易拉罐，一支去掉笔芯和尾塞的中性笔，一台小风扇，一个酒精灯，一个支架。
向易拉罐内部注入大约半罐水。将笔的尖端朝外，另一端插入易拉罐内，用胶将罐的开口处密封。将易拉罐如图14.4-1所示放置在支架上，笔的尖端对准小风扇的扇叶。点燃易拉罐下面的酒精灯，当有蒸汽喷出时，扇叶就转动起来。
图 14.4-1 简易汽轮机模型
上面提供的只是一个非常简易的汽轮机模型，同学们可以制作不同类型的热机模型。只要大家积极地行动起来，一定会制作出更多有创意的热机模型。
展示交流
1. 请大家展示自己的热机模型，看看谁的模型制作精细，运行顺畅，更有创意。
2. 在展示交流中，谈谈你的热机模型的工作原理以及制作过程中的难点，说一说你在制作过程中的心得体会，想一想在哪些方面还可以做得更好。
1. 如图所示是蒸汽机工作的原理示意图，关于蒸汽机的工作过程中所涉及的物理知识，下列说法正确的是 ( )
A. 燃料燃烧产生的内能全部转化为蒸汽的内能
B. 气缸内的蒸汽推动活塞做功，蒸汽的内能增大
C. 气缸内的蒸汽推动活塞做功，其能量的转化过程与汽油机的做功冲程一样
D.蒸汽机加装冷凝器，能减少废气带走的温度

2. 英国物理学家斯特林于 1816 年发明了“斯特林发动机”。斯特林发动机气缸内工作介质易汽化、易液化，该介质经过吸热膨胀，冷却压缩的循环过程输出动力，因此又被称为热气机。某工程师按照“斯特林发动机”原理设
计了如图甲所示的模型机，工作过程中
曲轴持续旋转如图乙所示。请结合所学
知识解释曲轴能持续转动的工作原理。
气体对外做功，气体的内能转化为机械能，根据图示可知，酒精灯加热将化学能转化为内能，热气缸中的工作物质吸热汽化膨胀，推动活塞A向右运动做功，将内能转化为机械能；
由于曲轴具有惯性，带动活塞A 向左运动，活塞A将气缸中的工作物质推入冷气缸并液化，活寒B又将物质推回热气缸如此反复。
枪虾(鲊图14-1)的大螯猛地合上时，能挤出速度很大的水柱，水柱产生的微小气泡在破裂瞬间会产生高温并发出很大的声音还会发出一道极短的光。在这个过程中，有哪些形式的能量转化
图14-1
高速的水柱产生微小气泡，气泡破裂瞬间，将动能转化为内能，使温度急剧升高，产生高温和一道极短的光，机械能转化为内能和光能。气泡破裂产生振动，发出很大的声音，机械能转化为声能。
有些地铁站间的轨道高度比地铁站台低，即列车从一个站台开出时是下坡的，行驶到接近下一站时是上坡的。从能量转化的角度看，这种设计有什么好处
这种设计可以节能：列车从站台开出时下坡，重力势能转化为动能，列车可以利用重力势能获得一定的速度，减少发动机提供的动力，从而节省电能。
在接近下站上坡时，列车的动能又转化为重力势能，部分动能被“储存”起来，减少了刹车时动能转化为热能而造成的能量损失，使列车能更平稳地停靠站台，也为下一次启动节省了能源。
减少磨损：由于利用了重力势能和动能的转化，列车启动和制动时不需要过大的动力和制动力，从而减少了对轨道和车辆制动系统的磨损，延长了设备的使用寿命。
我国古人曾发明一种点火器，以牛角为套筒，把艾绒粘在木质推杆前端，其结构如图14-2所示。
取火时一只手握住套筒，另一只手向内猛推推杆，推杆前端的艾绒就会被点燃，拔出推杆后，吹吹艾绒就有火苗产生。
图 14-2
艾绒被点燃的过程中有哪些形式的能量转化 这一过程与四冲程汽油机的那个冲程相似
在艾绒被点燃的过程中，人推动推杆，消耗体内的化学能转化为推杆的机械能；推杆压缩空气做功，机械能转化为空气的内能，使空气温度升高，高温空气将热量传递给艾绒，使艾绒温度达到着火点而被点燃。
这一过程与四冲程汽油机的压缩冲程相似。在汽油机压缩冲程中，活塞向上运动压缩空气与汽油的混合物，活塞的机械能转化为混合物的内能，使混合物的温度升高，与点火器中推杆压缩空气使艾绒升温点燃的能量转化过程相似。
1kg 的氢气和多少千克的煤油完全燃烧时放出的热量相同？
3.04 kg
解析：氢气的热值为 q氢气＝1.4×108 J/kg，煤油的热值为 q煤油＝ 4.6×107 J/kg。
设1 kg 氢气和质量为 m 的煤油完全燃烧放出的热量相同，根据热量公式 Q＝mg 可得 1 kg×1.4×108 J/kg＝m×4.6×107 J/kg，解得 m＝3.04 kg。
所以，1 kg 氢气和 3.04 kg 煤油完全燃烧时放出的热量相同。
请从能量转化的角度，具体说明以下效率的意义。
(1) 某太阳能电池工作的效率是 16%。
表示在太阳能电池工作时，吸收的太阳能中，有 16% 的太阳能能够转化为电能，其余 84% 的太阳能可能转化为热能等其他形式的能量而被损耗掉。
(2) 某电动机工作的效率是 83%。
(3) 某锂电池充电的效率是 99%。
表示电动机在工作过程中，消耗的电能有 83% 转化为机械能，用于驱动其他设备运转，剩余 17% 的电能则转化为内能等其他形式的能，例如因线圈发热等原因损耗掉。
说明在给锂电池充电时，输入的电能有 99% 能够转化为电池的化学能储存起来，只有1%的电能在充电过程中以热能等形式散失掉。
(4) 某柴油机工作的效率是 35%。
表明柴油机工作时，柴油完全燃烧释放的内能中，只有 35% 转化为机械能，用于对外做功，推动机械运动，其余 65% 的能量则因未完全燃烧或以热能等形式散失，比如尾气带走热量、机体散热等。
(5) 某电热水器工作的效率是 87%。
表示电热水器在工作时，消耗的电能有 87 % 转化为水的内能，使水的温度升高，还有 13% 的电能可能因加热元件发热损耗、向周围环境散热等原因而损失掉。
一辆质量为 2 t 的汽车在水平路面上匀速行驶时，所受阻力为车重的6%。如果汽油完全燃烧所产生的热量有35%用来克服阻力做功，那么汽车行驶 100km 要消耗多少升汽油 已知汽油的密度为0.73×103 kg/m，g 取10 N/kg。
10 L
解析：根据 G＝mg，汽车重力
G＝mg＝2×103kg×10 N/kg＝2×104N，
因为所受阻力 f 为车重的 6%，
所以阻力 f＝6%G＝6%×2×104 N＝1.2×103 N，
汽车行驶的距离 s＝100 km＝105 m。
汽车克服摩擦力做的功
W＝fs＝1.2×103 N×105 m ＝ 1.2×108 J。
已知汽油完全燃烧所产生的热量有 35% 用来克服阻力做功，
即 η＝＝ 35%＝0.35。
可得 Q放＝＝＝×108 J
汽油的热值 q＝4.6×107 J/kg，
根据 Q放＝mq，可得 m油＝＝＝7.45 kg。
已知汽油的密度 ρ＝0.73×103 kg/m，
根据 ρ＝，
可得 V＝＝ ＝ 0.01 m3。
则需要消耗汽油的体积
V＝0.01 m3 ＝0.01×103 L＝10 L。
图14-3所示的是我国自行设计研制的AG600“鲲龙”水陆两飞机。飞机使用四台相同的发动机，每台发动机的输出功率可达 3 120 kW，效率可达60%。在这种情况下，飞机飞行1h消耗燃油多少吨 已知燃油的热值为 4.3×107J/kg。
图 14-3
1.741 4 t
解析：已知每台发动机的输出功率
P＝3 120 kW＝3.12×106 W，
发动机数量 n＝4，工作时间 t＝1 h＝3 600 s。
根据 W＝Pt，可得四台发动机 1 h 做的有用功
W有用＝ nPt＝4.492 8×1010 J。
已知发动机效率 η＝60%＝0.6，
由 η＝ 可得
Q放＝ ＝ ＝7.488×1010J。
已知燃油的热值 q＝4.3×107 J/kg,
由 Q放＝mg 可得
m＝＝ ＝ 1 741.4 kg＝1.741 4 t。
某同学家自来水的温度为15℃，他洗澡时把燃气热水器的温度设定为40℃，已知他洗澡用了0.02m3 的热水。如果燃气热水器的效率是95%，他这次洗澡消耗了多少天然气 天然气的热值取4.0×107 J/m3。
0.055 25 m3
解析：已知水的体积 V＝0.02 m，水的密度 ρ＝1.0×103kg/m3，
由 ρ＝ 可得 m＝ρV＝1.0×103 kg/m3×0.02 m3＝20 kg。
水的比热容 c＝4.2×103J/(kg·℃)，
初温 t0＝15 ℃，末温t＝40℃，
t＝t－t0＝40 ℃－15 ℃＝25 ℃。
水吸收的热量
Q吸＝cm t＝4.2×103J/(kg·℃)×20 kg×25 ℃＝2.1×106J。
已知燃气热水器的效率 η＝95%＝0.95，
由 η＝＝可得
Q放＝＝＝ 2.21×106 J。
已知天然气的热值 q＝4.0×107 J/m3，
由 Q放＝V 可得
V＝＝ ＝0.055 25 m3 .
垃圾分类有利于资源的回收再利用，焚烧垃圾可以实现综合热利用。图14-4展示的是我国最大的垃圾焚烧发电站，日处理生活垃圾 6000t。如果 1 t 垃圾焚烧时能产生 2.16×109 J 的电能，这些电能相当于完全燃烧多少干木柴所放出的能量 干木柴的热值取 1.2×107 J/kg。
图14-4
1.08×106 kg
解析：已知 1 t 垃圾焚烧时能产生 2.16×109J 的电能，
日处理生活垃圾
m拉圾＝ 6000t，
则 6000 t 垃圾焚烧产生的电能
W＝2.16×109 J/t×6 000 t＝1.296×1013 J。
干木柴的热值 q＝1.2×107 J/kg，
干木柴完全燃烧放出的热量 Q放 等于垃圾焚烧产生的电能 W，即 Q吸＝W。
由 Q放＝m木q 可得
m木＝＝＝ ＝1.08 ×106 kg。

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