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第十二章 机械能和内能
第4节 机械能与内能的相互转化
1.知道做功是改变物体内能的另一种方式。
2.了解热机的概念、内燃机的分类。
3.知道汽油机的结构和工作循环过程。
4.知道热值以及热值的有关计算。
想一想
为什么汽车高速行驶较长时间后，轮胎的温度会升得很高？
燃料是怎样使汽车发动机工作的？
如图所示，将铁丝快速弯折十余次，然后用手指触摸弯折处，你有何感觉 铁丝的内能变化了吗
做一做
反复弯折铁丝
感觉手指变热；
铁丝的内能增加。
知识点一：做功——改变物体内能的另一种方式
活动1.探究做功能否改变物体的内能
空气压缩引火仪
如图所示，在空气压缩引火仪的玻璃筒底部放一小片硝化纸，将活塞迅速下压，你看到了什么
看一看
议一议
1.在上述活动中，物体增加的内能是从哪里来的 能量是如何转化的
硝化纸会开始燃烧。
活塞对玻璃筒内的气体做功，气体的内能增加，温度升高，引燃硝化纸。
活塞的机械能
气体的内能
转化
2. 还有什么办法可以使铁丝的温度升高
这些方法中，哪些是用热传递的方式改变内能的
哪些是通过做功改变内能的
答：对铁丝做功，利用做功的方式将机械能转化为铁丝的内能：
(1)在石头上磨一磨，
(2)来回弯折铁丝，
(3)用锤子砸几下等；
利用热传递把内能转移到铁丝上，使铁丝的内能增加，温度升高：
(1)把铁丝放进热水里，
(2)把铁丝放在火上烧.
①钻木取火：钻木取火时，木头相互摩擦，使得干草等易燃物体温度升高，达到燃点而燃烧。
②流星现象：近地空间大量的尘埃微粒和微小固体高速进入地球大气层时，会与大气发生剧烈摩擦而燃烧发光，形成美丽的流星。
这些现象中都存在做功改变内能的过程。
流星划过天空
钻木取火
3.你能再举一些通过做功改变物体内能的实例吗
实验表明，做功是改变物体内能的另一种方式。做功改变物体内能的实质是其他形式的能(如机械能)与内能之间的转化，热传递改变物体内能的实质是内能的转移。
做功和热传递都可以改变物体的内能。
活塞/瓶塞
做功
玻璃瓶内的气体
做功
其他形式能
（如机械能）
内能
转化
转化
如图所示，在透明塑料盒的底部钻一个孔，将电子点火器的放电管紧紧塞进孔中，打开塑料盒盖，向盒中滴入几滴酒精，再将盒盖盖紧， 按动电子点火器的按钮。
你观察到什么现象
点火爆炸
注意安全，千万不要将盖子对着自己或他人。
在上述活动中，酒精燃烧产生的燃气对外做功，燃气的内能转化为机械能。根据这一原理，可以制造出将内能转化为机械能的机器。
酒精开始燃烧，稍后，塑料盒盖飞出。
知识点二：热机
活动2.观察点火爆炸现象
飞机
火箭
热机是热力发动机的简称，它是将燃料燃烧产生的高温、高压燃气的内能转化为机械能的装置。
汽车
船舶
蒸汽机
1.热机：
内燃机是最常见的一种热机，按照所使用燃料的不同，内燃机可分为汽油机、柴油机和天然气发动机等。
例如，汽油机和柴油机，它们分别用汽油和柴油作为燃料。
现以汽油机为例，介绍内燃机的工作过程；
如右图所示，汽油机主要由气缸、活塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴和连杆组成。
汽油机结构示意图
2.内燃机：
进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，燃料和空气的混合气体被吸入汽缸。
进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合气体被压缩，温度升高，机械能转化为内能。
当活塞到达汽缸顶端时，火花塞打火，使混合气体猛烈燃烧，产生高温、高压的燃气，推动活塞向下运动，内能转化为机械能。
进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，将废气排出汽缸。
汽油机的一个工作循环分为如图所示的四个冲程示意图。
3.内燃机的四个工作冲程
汽油机工作时，活塞在汽缸里做往复运动。活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程，称为一个冲程。 汽油机的一个工作循环过程包括四个冲程，分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。
刚刚是汽油机一个工作循环（含四个冲程）的介绍，接下来是熟悉这个四个冲程的工作特点。
以下分三步学习汽油机的四个冲程工作特点：
①从能量转化角度学习压缩冲程与做功冲程；
②从工作示意图分辨四个冲程的一些方法；
③四冲程内燃机一个工作循环的有关参数。
点火爆炸
进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，将混合气体压缩。
气缸顶端的火花塞通电点火，混合气体爆发性燃烧，高温高压气体向下推动活塞做功。
机械能
内能
转化
内能
机械能
转化
空气压缩引火仪
从能量转化角度分析压缩冲程与做功冲程
1.看进气门与排气门开关：①全关，则是压缩冲程与做功冲程；
②一开一闭，则是吸气冲程与排气冲程。
2.看活塞处的箭头方向：①箭头向下，则是吸气冲程与做功冲程；
②箭头向上，则是压缩冲程与冲程排气。
运用以上两点技巧前提是还须明白气缸所在的位置。
从工作示意图分辨四个冲程的两点技巧
活塞往复运动 次;
飞轮转动______周；
对外做功 次;
汽缸内的燃油爆发性燃烧 次。
2. 四冲程内燃机一个工作循环：
2
1
1
1. 做功冲程中，燃气对外做功，带动与曲轴相连的飞轮实现持续运转。其余三个冲程是辅助冲程，活塞靠旋转飞轮的惯性带动曲轴连杆运动。
2
四冲程内燃机一个工作循环的有关参数
汽油机比较轻巧，常用在汽车、小型飞机和小型农业机械(如插秧机、 机动喷雾器)上。在汽缸容积、转速相等的情况下，柴油机的功率较大， 热效率较高，因此被广泛应用于载重汽车、拖拉机、坦克和轮船上。
小型飞机
小型农业机械
汽油机
载重汽车
坦克
轮船
柴油机
汽油机与柴油机的应用
为什么有的汽车用汽油，有的汽车用柴油，还有的汽车用天然气
也许是由于相等质量的不同燃料燃烧时，产生的热量不同。
知识点三：燃料的热值
做一做
取质量相等的酒精和面巾纸碎片各5g, 分别放入两个燃烧皿中，点燃后对装有相等质量的水 ( 约30g) 的试管加热(如图),使酒精和面巾纸碎片充分燃烧。记录加热前后两支温度计的示数。
不同燃料的燃烧
活动3.比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量
燃料 加热前的 水温/℃ 燃料燃尽后的水温/℃ 水温的
变化/℃
酒精
面巾纸碎片
想一想
质量相等的酒精和面巾纸碎片充分燃烧后，试管中水温的变化一样吗 这说明了什么
实验表明，质量相等的不同燃料，充分燃烧所放出的热量一般是不相等的。
结论
不一样；说明了它们所放出的热量不相等。
1.热值：燃料完全燃烧放出的热量与燃料的质量之比，叫作这种燃料的热值。燃料的热值用q表示，单位是J/kg。
Q放= mq
质量为m的燃料，完全燃烧放出的热量
q: 燃料的热值；单位：J/kg
Q：燃料完全燃烧放出的热量；单位：J
m: 燃料的质量；单位：kg
3.物理意义：热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
比值定义法
2.公式：
一些燃料的热值
（1）与比热容相似，不同燃料的热值一般不同，其大小与燃料的种类有关，与燃料的质量（体积）、是否燃烧、是否完全燃烧无关；
（2）氢气的热值最大：氢气热值1.4×108J/kg。
固体 热值/（J·kg-1） 液体 热值/（J·kg-1） 气体 热值/（J·kg-1）
干木柴 1.2×107 酒精 3.0×107 煤气 4.2×107
烟煤 2.9×107 柴油 4.3×107 天然气 4.4×107
焦炭 3.0×107 石油 4.4×107 无烟煤 3.4×107 汽油 4.6×107 氢气 1.4×108
木炭 3.4×107 煤油 4.6×107 为什么发射火箭上天要用氢做燃料？
因为氢的热值大，质量相等的不同燃料完全燃烧，氢释放的热量最多，故利用氢做燃料。
氢的热值大的应用
1.气体燃料的热值：对某些气体燃料完全燃烧放出的热量与其体积之比，叫做这种气体燃料的热值。
4.物理意义：热值在数值上等于在标准状况下1m3的燃料完全燃烧放出的热量。
2.公式：
3.气体燃料的单位：焦/米 ，读作“焦每立方米”；符号：J/m3。
例如，氢气的热值又可表示为1.28×10 J/m , 它表示在标准状况下1m 氢气完全燃烧，放出的热量为1.28×10 J。
气体燃料的热值
燃料的热值三点说明：
①热值与燃料的种类有关，反映了燃料燃烧放出热量的本领大小。
②只有在完全燃烧时放出的热量与质量之比才是这种燃料的热值，如果用没有完全燃烧放出的热量计算出的热值就比实际值小。
③热值是针对一定质量或体积的燃料而言的，如果同种燃料的质量或体积不同，则完全燃烧时放出的热量大小不同。
实验:比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量
热值 - 概念、表示、单位、物理意义、公式
气体燃料的热值
机械能与内能的相互转化
热机
内能转化为机械能的装置
内燃机是最常见的一种热机
汽油机
柴油机
天然气发动机
汽油机的工作循环过程
吸气冲程 - 空气与汽油的混合气体
压缩冲程 - 机械能转化为内能
做功冲程 - 内能转化为机械能
排气冲程
热值
外界对物体做功，物体的内能增加
物体对外界做功，物体的内能减小
实质:其他形式的能(如机械能)与内能之间的转化
做功
1. 长征五号火箭为我国载人航天工程作出卓著贡献。长征五号火箭发动机使用液氢作燃料，是利用液氢的（　　）
A．密度大 B．比热容大
C．热值高 D．热效率高
C
2. 如图的实验或事例都揭示了一定的物理知识，关于它们的说法正确的是（　　）
A．甲图中，使小孩 臀部发热是通过热传递的方式来实现的
B．乙图中，人搓手发热说明物体对外做功，内能增大
C．丙图钻木取火过程是机械能转化为内能
D．丁图中水蒸气将塞子冲出的过程中，水蒸气通过做功的方式使自己内能增大
C
3. 如图所示，试管内装有水，用塞子塞紧试管口，用酒精灯加热试管底部，一段时间后，塞子从试管口被管内气体推出，试管口附近伴随有白雾出现，这是因为试管内的气体对塞子______时，将管内气体的______能转化为塞子的机械能，导致气体温度降低所致。
做功
内
4. 如图所示，内燃机工作过程中能的转化与图中水蒸气将塞子冲开时能的转化相同的是图 ____（选填“甲”“乙”“丙”或“丁”），若该内燃机的铭牌上标有3600r/min，则内燃机每秒做功 ______次。
甲
30

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