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第十四章
内能的利用
第2节
热机
18世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有几千米每小时，而目前最快汽车的速度已经超过了声速。飞驰的汽车 (图14.2-1) 是如何获得机械能的呢
图14.2-1 飞驰的汽车
不同形式能量之间的转化
如图14.2-2所示，在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间，观察现象。讨论这个过程中不同形式能量之间转化的情况。
图14.2-2 加热试管中的水
在这个实验中，燃料燃烧时产生的热量传给水和水蒸气，塞子受到水蒸气的压力而冲出去，水蒸气的内能转化为塞子的机械能。
这个实验虽然简单，却基本展示了蒸汽机的工作原理。
能量转化
人们发现内能可以做功，由此制造了各种利用内能做功的机械——热机(heat engine)。
热机的发明及广泛使用，使人类迈入了工业化社会，对人类社会的发展起到了重要的作用。
蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等都是热机。
热机
热机工作时的能量转化
燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机叫作内燃机。内燃机是现代社会中最常见的一种热机。燃油汽车作为我们生活中的重要交通工具，它的主要动力机械之一就是内燃机。图14.2-3是一种内燃机的剖面图。
图14.2-3 一种内燃机的剖面图
内燃机分为汽油机和柴油机两大类，它们分别用汽油和柴油作为燃料。
图14.2-3 一种内燃机的剖面图
汽油机
图14.2-4是四冲程汽油机的剖面图。气缸上部有进气门和排气门，顶部有火花塞，下部有活塞，活塞通过连杆跟曲轴相连。汽油在气缸里面燃烧时生成高温高压的燃气，推动活塞做功。活塞运动带动曲轴转动。
图14.2-4 四冲程汽油机剖面图
要使汽油机连续工作，活塞必须能在气缸内往复运动。
活塞在气缸内往复运动时，从气缸的一端运动到另一端的过程，叫作一个冲程。
多数汽油机是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的。
图 14.2-5是四冲程汽油机的工作示意图。
图14.2-5 四冲程汽油机工作示意图
甲 吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物进入气缸。
乙 压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩。
丙 做功冲程：在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。
丁 排气冲程：进气门保持关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。
四冲程汽油机工作过程如表所示：
过程 图示 特点 冲程的 任务 能量的
转化
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 无
过程 图示 特点 冲程的 任务 能量的
转化
压缩 冲程 进、排气门都关闭，活塞向上运动 压缩燃料混合物，使其内能增加，温度升高 机械能转化成内能
过程 图示 特点 冲程的 任务 能量的
转化
做功 冲程 进、排气门都关闭，活塞向下运动 在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体，推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功 内能转化为机械能
过程 图示 特点 冲程的 任务 能量的
转化
排气 冲程 进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动 把废气排出气缸 无
汽油机的工作循环
1. 在四个冲程中，压缩冲程和做功冲程各发生了怎样的能量转化
在四个冲程中，压缩冲程将机械能转化为内能；
做功冲程将内能转化为机械能。
2. 哪个冲程使汽车获得动力
3. 哪个冲程排出了气缸的废气
做功冲程使汽车获得动力。
排气冲程将燃料燃烧产生的废气排出气缸。
柴油机
柴油机的构造和汽油机相似，但是柴油机通过压缩空气直接点燃柴油，因此柴油机气缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴。
柴油机的工作过程也分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程。
在吸气冲程中吸进气缸的只有空气。在压缩冲程中，活塞把空气的体积压缩得非常小，使得空气的温度很高。在压缩冲程结束时，气缸内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便立刻燃烧起来。在做功冲程中，燃烧放出的热使得气体的温度急剧升高、压强急剧增大从而推动活塞对外做功。
由于柴油机对空气的压缩程度比汽油机高，因此在做功冲程中气体的压强也大于汽油机，因而可以输出更大的功率。
由于柴油机工作过程中气体的压强较大，要求各有关零件具有较高的结构强度，因此早期的柴油机比较笨重，主要应用在载重汽车、拖拉机、坦克、火车轮船上，有的地方还用它带动发电机发电。随着近年来柴油机技术的发展，其体积、噪声和污染等方面的问题都逐步得到了解决。
柴油机和汽油机的异同点
项目 汽油机 柴油机
不同点 燃料 汽油 柴油
构造 气缸顶部有一个火花塞 气缸顶部有一个喷油嘴
吸气冲程 吸入汽油和空气的混合物 只吸入空气
压缩冲程 压缩程度较小 (机械能转化为内能) 压缩程度较大
(机械能转化为内能)
项目 汽油机 柴油机
不同点 点火方式 火花塞产生电火花 点燃燃料(点燃式) 喷出的雾状柴油遇到高温高压的空气燃烧(压燃式)
主要特点 轻巧、效率低 笨重、效率高
应用 小汽车、摩托车等小型设备 载重汽车、拖拉机、火车、轮船、坦克等重型设备
项目 汽油机 柴油机
相同点 (1)都是将内能转化为机械能的机械。 (2)都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，曲轴转两周，对外做功一次。 (3)启动时都是靠外力先使曲轴转动起来。
现代汽车
汽车已经成为现代生活中不可缺少的一部分。
燃油汽车由发动机、底盘、车身和电气设备四大部分组成。发动机把燃料燃烧产生的内能变为机械能，再通过底盘上的传动机构，将动力传给车轮，使汽车行驶(图14.2-6)。
电气设备的作用主要是产生电火花以点燃气缸中的可燃气体、启动发动机时用电机带动飞轮旋转、提供照明等
图14.2-6 汽车的动力系统
燃油汽车一般采用三缸、四缸或六缸等多缸发动机(图14.2-3所示为四缸发动机)，每个气缸都进行四冲程循环，由于各个气缸交替做功，所以发动机运转比较平稳。
图14.2-3 一种内燃机的剖面图
随着电子技术的发展，许多燃油汽车已经采用了电子燃油喷射系统。微电脑可以根据内燃机的工作状态和空气的温度等多种因素精确控制喷油的数量和时机以提高燃烧效率，减少有害气体的排放，降低燃料的消耗，同时提高发动机的功率。电子技术的应用，使燃油汽车有了更广阔的发展空间。此外，利用电能、氢能等的各种新能源汽车也在快速发展。未来的汽车将更加节能、安全，对环境的影响会更小。
图 14.2-7展示的是我国传统的走马灯。点燃底部的蜡烛，上升的热空气驱动扇叶转动，带动纸片小人转动。在这一过程中，不同形式的能量是如何转化的 这一能量转化过程与四冲程汽油机的哪个冲程相似
图14.2-7
走马灯中能量转化过程为：蜡烛燃烧，化学能转化为内能，使空气受热上升，热空气的内能转化为扇叶和纸片小人的机械能，从而带动它们转动。这一能量转化过程与四冲程汽油机的做功冲程相似。
在做功冲程中，燃料燃烧产生高温高压燃气，燃气的内能转化为活塞、曲轴等的机械能，推动活寒做功，带动曲轴转动。
图14.2-7
除了飞机、汽车、摩托车，你还知道哪些地方用到了热机 这些热机中哪些是内燃机
还有轮船、拖拉机、收割机、推土机、压路机、坦克、火箭、火车等都使用了热机。其中，拖拉机、收割机、推土机、压路机、坦克都使用了内燃机，有的轮船也使用了内燃机。火车可分为内燃机车和蒸汽机车，其中内燃机车使用的是内燃机。
在图14.2-8中，图甲为四冲程内燃机吸气冲程的示意图，图中画出了吸气冲程中活寒、曲轴的位置和进气门、排气门的开闭情况。请在图乙、丙、丁中，分别画出压缩、做功、排气冲程中活寒、曲轴的位置和进气门、排气门的开闭情况。
图14.2-8
图14.2-8
在从能量转化的角度看，一台四冲程内燃机在一个循环中：
(1) 哪个冲程存在着化学能转化为内能的过程
(2) 哪个冲程存在着内能转化为机械能的过程
(3) 哪个冲程具有很明显的机械能转化为内能的过程
做功冲程
做功冲程
压缩冲程
某同学看到爸爸启动汽车时，转速表如图14.2-9所示。转速表的示数反映了发动机曲轴每分钟的转动次数。如果汽车用的是四冲程汽油机，请根据图中信息计算此时发动机一个气缸每分钟完成做功冲程的次数。
图14.2-9
由题图可知此时发动机每分钟曲轴转动 750 转，对于四冲程汽油机，曲轴每转动 1 圈完成 2 个冲程，所以此时发动机每分钟完成的做功冲程数为 ＝375个。
图14.2-9
柴油机和汽油机的工作过程有什么相同点 有什么不同点
工作过程 汽油机 柴油机
吸气冲程 不同 吸入气缸内的是空气和汽油的混合物 吸入气缸内的只是空气
相同 进气门打开，排气门关闭
工作过程 汽油机 柴油机
压缩冲程 不同 燃料混合物被压缩，体积变小，压强变大，温度升高 空气被压缩得更厉害，空气体积更小，压强更大，温度更高
相同 机械能转化为内能，两个气门都关闭
工作过程 汽油机 柴油机
做功冲程 不同 火花塞产生电火花，使燃料燃烧；点燃式 喷油嘴喷出雾状柴油，遇热空气燃烧；压燃式
相同 内能转化为机械能，两个气门都关闭
排气冲程 相同点：进气门关闭，排气门打开，排出废气
1.(哈尔滨南岗模拟) 如图所示，在试管里盛适量的水，用带玻璃管的橡胶塞塞住试管口，加热试管使水沸腾，玻璃管口冒出“白气”，小叶轮转动，下列说法正确的是 ( )
A. 水在沸腾过程中，不断吸收热量，温度升高
B. 火焰的能量通过做功的方式使试管内水的内能增大
C. 玻璃管口冒出的“白气”是水汽化形成的水蒸气
D. 这个实验虽然简单，也展示了热机的工作原理
D
2. 如图所示内燃机的四个冲程，气缸内气体的内能最小的是
( )
D
3. 汽油机和柴油机的结构和工作过程都有区别。下列说法正确的是 ( )
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，汽油机吸人气缸的是汽油，柴油机吸人气缸的是柴油
C.在压缩冲程末，汽油机用点燃式点火，而柴油机用压燃式点火
D.在做功冲程中，汽油机里的燃气温度和压强比柴油机里的高
C

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