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初中物理鲁科版（五四学制）（2024）九年级上册
第十二章 内能与热机
第4节 课时1 热机
1.知道热机的概念，初步了解热机的工作原理。
2.了解汽油机的构造和工作过程。
3.知道柴油机的构造和工作过程。
18世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有几千米每小时，而目前名为“寻血猎犬”的汽车速度已经超过了声速。汽车是如何获得机械能的呢？
知识点一：热机的工作原理
如图所示，在试管内装些水，用橡胶塞塞住试管口（注意：橡胶塞不要塞得太紧，以免试管炸裂伤人），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。
同步形式能量之间的转化
水蒸气推动橡胶塞做了功
燃烧
燃料的
水的
做功
塞子的
能量转化过程
橡胶塞冲出去，试管口出现"白雾"
化学能
内能
机械能
是什么把橡胶塞推出去了？
蒸汽机的工作原理
实验现象
蒸汽机的发展过程
1.热机：
利用内能做功的机械。（将内能转化为机械能）
蒸汽机
内燃机
2.种类：
蒸汽机、内燃机
汽轮机、喷气发动机
汽轮机
喷气发动机
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。
内燃机
种类：
汽油机、柴油机
汽油机
柴油机
知识点二：内燃机
内燃机分为汽油机和柴油机两大类。
使用汽油作为燃料的叫汽油机
使用柴油作为燃料的叫柴油机
气缸
火花塞
排气门
进气门
活塞
连杆
曲轴
1.四冲程汽油机的结构
点火装置
汽油和空气混合物进入气缸的通道
能在汽缸内上下移动
将废气排出汽缸的通道
连接活塞和外部机械，传导力的作用
(转移机械能)
汽油机
2．四冲程汽油机的工作过程
① 冲程：活塞从气缸的一端运动到另一端的过程，叫作一个冲程。
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
排气冲程
② 四冲程汽油机的四个冲程
结构 状态
进气门
排气门
活塞
活塞运动的结果
能量转化
吸气冲程
不存在
气缸内气压减小，吸入汽油和空气的混合物
向下运动
关闭
打开
结构 状态
进气门
排气门
活塞
活塞运动的结果
能量转化
活塞压缩气缸内的气体做功，气体的内能增大
向上运动
关闭
关闭
机械能转化为内能
压缩冲程
　　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。
结构 状态
进气门
排气门
活塞
活塞运动的因果
能量转化
高温高压的气体向下推动活塞运动，活塞推动连杆、曲轴运动
向下运动
关闭
关闭
内能转化为机械能
做功冲程
结构 状态
进气门
排气门
活塞
活塞运动的结果
能量转化
气缸内气体被压缩，
压强变大，废气被排出
向上运动
打开
关闭
不存在
排气冲程
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
排气冲程
启动时，靠外力使曲轴转动
运行过程中，曲轴依靠飞轮惯性继续转动。
高压气体推动活塞使曲轴转动。
曲轴依靠飞轮的惯性继续转动。
③ 四冲程汽油机的工作循环
④ 汽油机一个工作循环情况总结
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
排气冲程
一个工作循环
有 冲程
活塞往复
飞轮转动
对外做功
4个
2次
2周
1次
柴油机
1.四冲程柴油机与汽油机的结构区别
火花塞
喷油嘴
喷出雾状柴油
汽油机
柴油机
2.四冲程柴油机与汽油机在吸气冲程的区别
喷油嘴
喷出雾状柴油
汽油机
柴油机
空气和汽油
空气
？
？
火花塞
3.四冲程柴油机与汽油机点火方式的区别
汽油机——点燃式：
在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，点燃燃料。
柴油机——压燃式：
　　在压缩冲程中，柴油机对空气的压缩程度比汽油机更高，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。
4.四冲程柴油机的工作过程
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
排气冲程
柴油机与汽油机在应用方面的区别
种类 柴油机 汽油机
应用 载重汽车、拖拉机、坦克、轮船等 家用汽车、小型飞机等
相同阶段气缸
内的压强：
p柴油机 ＞ p汽油机
柴油机需要更高的结构强度，体积更大
柴油机的噪声更大
优点：柴油机输出的功率比汽油机更大
缺点：
1.热机
蒸汽机、汽轮机、内燃机、喷气发动机……
2.汽油机
内能转化为机械能
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
3.柴油机
与汽油机的区别：结构、吸气、压缩、点火
工作过程与能量转化
排气冲程
—— 机械能 → 内能
—— 内能 → 机械能
1. 内燃机有四个工作冲程，如图所示是内燃机的_____冲程，活塞上升时，汽缸内气体的内能____（选填“减少”或“增加”），______能转化为____能。
压缩
增加
机械
内
2. 内燃机的一个工作循环由_____ 、_____ 、_____ 、______四个冲程组成。一台单缸四冲程汽油机的飞轮速度是1200r/min，则汽油机每秒钟对外做功_____次，活塞往复_____次。
吸气
压缩
做功
排气
10
20
3.关于热机，下列说法中正确的是（ ）
A. 汽油机顶部有喷油嘴，柴油机顶部有火花塞
B. 柴油机在吸气冲程中，将柴油和空气的混合气吸入气缸
C. 汽油机和柴油机除了做功冲程外，其他三个冲程都是依靠飞轮的惯性完成的
D. 改进技术后，热机的效率可以达到100%
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初中物理鲁科版（五四学制）（2024）九年级上册
第十二章 内能与热机
第4节 课时2 热机效率
1. 从生活中体会不同燃料燃烧释放热的本领不同，建立热值的概念。
2.能计算燃料完全燃烧放出的热量。
3.了解热机中能量走向及热散失的途径，知道什么是热机效率，能提出提高热机效率的方法。
火箭是如何获得巨大的机械能的吗？它用的是什么燃料呢？为什么发射火箭不用汽油或柴油呢？
知识点一：燃料的热值
燃料的种类很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、酒精等，气体燃料有煤气、天然气等。根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同 要找出事实来支持你的观点，并进行分析。
用木柴烧水
用煤烧水
用天然气烧水
在生活中，我们会发现，同样是将一壶水烧开，需要干木柴、煤和天然气的质量不一样多（干木柴最多，天然气最少）。
相同质量的干木柴、煤和天然气燃烧，天然气放出的热量比煤和干木柴多。
燃料燃烧，放出热量的多少与燃料的种类有关。
燃烧1 kg煤放出的热量，是燃烧1 kg干木柴放出热量的两倍多。
煤
干木柴
把不同的燃料质量都取1 kg，让它们完全燃烧，比较它们放出热量的多少
某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值，用符号q表示。
1.定义：
指燃料燃烧后，全部变成不可燃烧物的过程
2.表达式：
q=
3.单位：焦每千克（J/kg）
气体燃料的热值单位：焦每立方米（J/m3）
一些燃料的热值
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2×107J/kg 柴油 4.3×107J/kg
烟煤 约2.9×107J/kg 煤油 4.6×107J/kg
无烟煤 约3.4×107J/kg 汽油 4.6×107J/kg
焦炭 3.0×107J/kg 氢气 1.4×108J/kg
木炭 3.4×107J/kg 焦炉煤气 约1.7×107J/m3
酒精 3.0×107J/kg 沼气 约1.9×107J/m3
1 kg的干木柴完全燃烧，放出热量是1.2×107 J
热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
1 m3的沼气完全燃烧，放出热量是1.9×107 J
（1）认识热值定义时，不要漏掉“完全”这一条件。
（2）热值反映了燃料在燃烧过程中，化学能转化为内能本领的大小。
（3）热值是燃料本身的一种特性，它与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧等没有关系。
4.热值的理解要点
5.燃料完全燃烧放出的热量：
Q放=qm
或 Q放=qV（适用于气体燃料）
物理量 Q放 q m V
单位 J J/kg或J/m3 kg m3
知识点二：热机的效率
高温烟气
加热水
加热空气
未完全燃烧
加热水管
加热灶头
燃气热水器烧水时的能量走向
说明：水吸收的热量只占燃气完全燃烧放出热量的一部分，
只有水吸收的热量才是被有效利用的。
思考：烧水时，水能否吸收燃气燃烧放出的全部热量？
（1）概念:
吸收的能量占燃料完全燃烧放出能量的比值。
（2）公式:
η=×100%
1.热效率
小型锅炉的效率70%~85%
内燃机中燃料能够完全燃烧吗？燃料燃烧的能量都分别流向哪了？
④燃料不能
完全燃烧
有用的
机械能
燃料的
内能
②克服机器的摩擦
① 散热
③ 废气带走
2.热机的效率
（2）定义式：
用来做有用功的那部分能量，与燃烧完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率。
（1）定义：
η=×100%
（3）物理意义：
热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，是热机性能的重要指标，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，从而节约能源，减少污染。
蒸汽机的效率只有6%~15%
汽油机的效率为 20%~40%
柴油机的效率为30%~45%
常见的热机效率
（1）在设计和制造热机时，要不断改进和创新，以减少各种能量损失；
（2）使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整各零件之间的间隙，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量；
3.提高热机的效率
（3）尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量。
推动发电机供电
用废气来供热
热电站
蒸汽轮机
热电站既供电又供热，比起一般的
火电站，燃料的利用率大大提高。
喷气发动机
有些飞机和火箭使用的是喷气发动机。喷气发动机的燃料在燃烧室内燃烧，产生高温高压的气体，这种气体从发动机尾部以极高的速度喷出，同时产生很大的反冲推力，推动机身向前运动。由于它不需要内燃机中的活塞、曲轴等传动装置，从而减少了能量的损失，大大提高了机身的飞行速度。
喷气发动机又分为空气喷气发动机和火箭喷气发动机两类。前者本身只携带燃料，它需要利用外界空气来助燃，因此飞行高度受到一定的限制，不宜在空气稀薄的高空飞行;后者本身带有燃料和氧化剂（如图）,不需要依靠外界空气来助燃，因此飞行的高度不受限制，可以在大气层外工作，能够用来发射人造卫星和宇宙飞船。
热机的效率
燃料的热值
概念：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比。
单位：焦每千克（J/kg）；焦耳每立方米（J/m3）
公式
液体或固体：q=
气体：q=
热机的效率
定义：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，叫作热机的效率。
公式：η=×100%
提高热机的效率
热机的效率
热效率
1.下列关于热值和热机效率说法，正确的是（ ）
A. 使燃料燃烧更充分，可以增大热值
B. 使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率
C. 柴油机的热机效率通常为100%
D. 燃料燃烧释放的热量越大，热值越大
B
2.如图所示是某汽车汽油机的能量流向图，对照此图，下列说法不正确的是（ ）
A.废气的排放所占比例最大，减少该部分能量损失是提高热机效率的有效手段
B.冷却水能量的二次利用可以提高
能量利用率
C.该汽油机的热机效率为67%
D.热机效率可以达到100%
C
3.某学习小组想研究酒精灯烧水时的热效率。他们用酒精灯给初温为20 ℃，质量为100 g的水加热，经过一段时间测得水温升高了60 ℃（水未沸腾），共消耗了4.2 g酒精。
［酒精的热值q=3.0×107 J/kg3，水的比热容c水=4.2×103 J/(kg ℃)]
求：（1）此过程中水吸收的热量；
（2）酒精灯烧水时的热效率。
解：（1）水吸收的热量：
Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg ℃)×100×10-3kg×60℃=2.52×104J
（2）酒精完全燃烧放出的热量为：
Q放=qm=3.0×107J/kg×4.2×10-3kg=1.26×105J
所以烧水的效率为：
Q吸
Q放
η=
=20%
2.52×104J
1.26×105J
=
4.有朋自远方来，烧一壶热水，拈几许茶叶，置于瓷制器皿中，沸水冲泡，这是山东人独有的待客之道。如果用酒精炉烧水，将质量为2kg、温度为10℃的水加热（1个标准大气压下），需完全燃烧42g酒精，酒精炉效率为70%。（已知c水＝4.2×103J/（kg ℃），q酒精＝3.0×107J/kg）
求：（1）42g酒精完全燃烧放出的热量。
（2）水升高的温度。
解：（1）42g酒精完全燃烧放出的热量：
Q放＝q酒精m酒精＝3.0×107J/kg×42×10-3kg＝1.26×106J。
（2）由η＝ 可得，水吸收的热量：
Q吸＝Q放η＝1.26×106J×70%＝8.82×105J，
由Q吸＝cm△t可得，理论上水升高的温度：
△t＝＝ ＝105℃，
因1个标准大气压下水的沸点为100℃，且沸腾以后温度不变，
所以，水实际升高的温度为100℃-10℃＝90℃。

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