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(共51张PPT)
14.2 热机
一、热机的定义与种类
（一）热机的定义
热机是将燃料燃烧产生的内能转化为机械能的机器。它通过燃料的燃烧获取内能，再通过特定的机械结构将内能转化为推动机械运转的机械能，广泛应用于工业生产、交通运输、日常生活等领域。
（二）常见热机种类
蒸汽机：最早的热机之一，通过燃烧燃料加热水产生高温高压蒸汽，利用蒸汽推动活塞做功。蒸汽机曾在工业革命中发挥重要作用，用于火车、轮船等，但因其效率低、体积大，逐渐被其他热机取代。
内燃机：燃料在气缸内燃烧的热机，具有效率较高、体积小的特点，是目前应用最广泛的热机。内燃机又可分为汽油机和柴油机：
汽油机：以汽油为燃料，结构相对轻巧，启动方便，常用于汽车、摩托车、小型农机等。
柴油机：以柴油为燃料，功率大、效率更高，经济性好，常用于卡车、拖拉机、船舶、发电机组等。
汽轮机：通过高温高压蒸汽推动汽轮机叶片转动做功，广泛应用于火力发电厂、大型船舶等，具有功率大、运转平稳的特点。
喷气发动机：燃料在燃烧室燃烧产生高温高压燃气，高速喷出时产生反作用力推动机身前进，主要用于飞机、火箭等航空航天领域，具有高速运行的优势。
二、热机的工作原理
（一）能量转化过程
热机的核心能量转化是内能→机械能，具体流程为：
燃料燃烧：燃料（如汽油、柴油）在气缸内或燃烧室内燃烧，化学能转化为内能，使燃气温度升高、压强增大。
内能做功：高温高压的燃气膨胀推动活塞、叶片等机械部件运动，将内能转化为机械能。
能量输出：机械能通过曲轴、齿轮等传动装置传递到外界，驱动机器运转（如汽车行驶、发电机发电）。
（二）工作循环特点
大多数热机（如内燃机、汽轮机）通过重复进行 “吸气 — 压缩 — 做功 — 排气” 的循环过程持续输出能量，每个循环中只有 “做功冲程” 实现内能向机械能的转化，其他冲程则为做功冲程做准备。
三、内燃机的工作过程（以汽油机为例）
（一）基本结构
汽油机主要由气缸、活塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴、连杆等部件组成。气缸是燃料燃烧和做功的场所，活塞通过连杆与曲轴连接，将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。
（二）四个冲程详解
吸气冲程：
进气门打开，排气门关闭。
活塞向下运动，气缸内体积增大，气压减小，外界空气和汽油的混合物通过进气门被吸入气缸。
能量变化：无能量转化，仅完成气体吸入。
压缩冲程：
进气门和排气门均关闭。
活塞向上运动，气缸内混合气体被压缩，体积减小，温度升高（压缩过程中机械能转化为内能）。
压缩终点时，混合气体温度达到汽油的着火点。
能量变化：机械能→内能。
做功冲程：
进气门和排气门均关闭。
火花塞产生电火花，点燃压缩后的混合气体，瞬间燃烧产生高温高压燃气（温度可达 2000℃以上）。
燃气膨胀推动活塞向下运动，通过连杆带动曲轴转动，对外做功。
能量变化：内能→机械能（热机唯一对外做功的冲程）。
排气冲程：
进气门关闭，排气门打开。
活塞向上运动，将燃烧后的废气通过排气门排出气缸。
能量变化：无能量转化，仅完成废气排出。
（三）工作循环总结
一个工作循环包括 4 个冲程，活塞往复运动 2 次，曲轴转动 2 周，对外做功 1 次。
柴油机与汽油机的主要区别：柴油机无火花塞，压缩冲程末通过压缩空气使温度升高达到柴油着火点（压燃式），且吸入气缸的是纯空气，喷油嘴在压缩冲程末喷入柴油。
四、热机的效率
（一）热机效率的定义
热机效率（\( \eta \)）是指热机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，计算公式为：\( \eta = \frac{W_{ ¨}}{Q_{ }} \times 100\% \)
其中：
\( W_{ ¨} \) 是热机对外做的有用功；
\( Q_{ } \) 是燃料完全燃烧放出的热量（\( Q_{ } = qm \)，\( q \) 为燃料的热值，\( m \) 为燃料质量）。
（二）热机效率低的原因
能量损失：
废气带走大量内能（约占总能量的 30%~40%）。
热机部件散热损失（如气缸壁、排气管散热）。
机械摩擦损失（活塞与气缸、曲轴与轴承等摩擦消耗能量）。
燃料燃烧不充分：实际燃烧过程中，燃料无法完全燃烧，部分化学能不能转化为内能。
（三）提高热机效率的方法
优化燃烧过程：改进燃烧室结构，使燃料充分燃烧（如柴油机的压燃式比汽油机的点燃式燃烧更充分）。
减少能量损失：
采用隔热材料减少散热损失（如气缸外包裹隔热层）。
安装废气涡轮增压装置，利用废气能量提高进气压力，增加有用功。
润滑机械部件，减小摩擦损失。
技术革新：研发新型热机（如混合动力发动机、燃气轮机），通过技术升级提高能量转化效率。
（四）常见热机效率范围
汽油机效率：20%~30%
柴油机效率：30%~45%
汽轮机效率：30%~50%
喷气发动机效率：50%~60%
五、热机与环境
（一）热机对环境的影响
空气污染：燃料燃烧产生的废气中含有一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO ）、二氧化硫（SO ）、颗粒物等污染物，会导致酸雨、雾霾、温室效应等环境问题。
噪声污染：热机运转过程中（如发动机轰鸣、排气噪声）产生的噪声，对人体健康和生活环境造成影响。
（二）环境保护措施
尾气净化：安装催化转化器（如汽油机的三元催化器），将有害气体转化为无害物质（CO→CO 、NO →N ）。
使用清洁能源：推广天然气、乙醇汽油、氢燃料等低污染燃料，减少污染物排放。
研发环保机型：发展电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等新能源交通工具，降低对传统热机的依赖。
法规管控：制定严格的排放标准（如国六标准）和噪声限值，规范热机生产和使用。
六、易错点与易混淆概念辨析
（一）冲程与能量转化的对应错误
错误表现：认为压缩冲程是内能转化为机械能，做功冲程是机械能转化为内能。
正确理解：压缩冲程中活塞压缩气体，机械能转化为内能；做功冲程中燃气膨胀推动活塞，内能转化为机械能。
（二）热机效率与功率的混淆
错误表现：认为 “效率高的热机功率一定大” 或 “功率大的热机效率一定高”。
正确理解：效率反映能量转化的有效程度（有用功占比），功率反映做功的快慢（单位时间做功多少），两者无直接关联。例如，大型柴油机效率高且功率大，但小型汽油机可能功率小但效率低于柴油机。
（三）燃料燃烧能量转化的误解
错误表现：认为燃料燃烧是内能转化为化学能。
正确理解：燃料燃烧是燃料的化学能通过化学反应转化为内能，属于化学能→内能的转化，是热机能量转化的第一步。
通过对热机的学习，我们明确了热机作为内能与机械能转化的核心设备，其工作原理、效率提升及环境影响的重要性。热机的发展推动了人类社会的工业化进程，但同时也面临着能源消耗和环境保护的挑战。未来，通过技术创新提高效率、减少污染，将是热机发展的重要方向，而能量守恒定律始终是热机设计和优化的基础原则。
2024人教版版物理九年级全册
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
14.2热机
第十四章 内能的利用
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N
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1.理解热机的原理就是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能。
2.了解汽油机和柴油机的工作过程及能量转化。（重点）
3.知道汽油机和柴油机的区别，以及各自的优缺点。
4.体会内燃机的一个工作循环中，活塞往复运动次数，曲轴转动圈数。（难点）
热蒸汽为我们提供了强大的推力，把人们从繁重的体力劳作中解放出来。
蒸汽机带来一场革命！第一次工业革命！
演示
热机——利用内能做功的机械。
看到什么现象
此现象中能量是怎样转化的？
火，能够驱散寒冷与黑暗，带来温暖和光明。钻木取火，人类第一次学会使用自然的力量.
而古老的热机——蒸汽机的发明则给人类带来了巨大的动力。现代的热机广泛使用在汽车、火车、轮船、飞机、火箭上。
热机到底是怎样将内能转化成我们需要的能量的呢？通过这一章的学习，你就会清楚了。
导入新课
世界上第一列火车
利用了蒸汽机
钻木取火
超音速汽车属于汽车范畴的一种。地球上的超音速汽车代表有英国工程师研制出的一辆时速达到1000英里（1610公里）小时，名为“寻血猎犬”的汽车。前IBM公司工程师萨德尔和波音公司工程师扎恩西领导的35人研究小组也推出了一款超级汽车“美洲之鹰”。
导入新课
超音速汽车
超音速汽车的时速为什么能够超过音速？是怎样获得机械能的？
1. 实验探究：利用内能可以做功
（1）在一个试管中装一些水，用橡胶塞塞紧；然后对试管加热使水沸腾，请同学们观察现象。
观察到的现象有：
①瓶塞被冲出来；
②管口附近出现“白雾”。
一、 热机
（2）实验分析
实验中的能量转化过程为：
① 酒精燃烧放出热量，酒精的______能转化为水的____能；
②水吸热沸腾，产生大量水蒸气，气体膨胀对瓶塞做功，气体的_______能转化为瓶塞的_______能 .
③结论：利用内能可以做功.
热机就是通过这个过程来工作的，今天一起学习热机的工作原理。
化学
内
内
机械
一、热机
2. 热机
（1）热机：各种利用内能做功的机械叫做热机.
（2）工作原理：热机利用内能做功，将内能转化为机械能.
（3）种类：蒸气机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等.
汽轮机
蒸气机
喷气发动机
一、热机
（4）常见热机——内燃机
①内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机.
②分类：汽油机和柴油机.
世界上第一辆以汽油为动力的车开始只有三个轮子，这就是德国人卡尔 本茨于1885年制造出的“奔驰一号”。
柴油机
汽油机
一、热机
【例题1】如图所示实验，在橡胶塞受到水蒸气的压力而冲出的过程中，以下说法正确的是（　　）
A．试管口出现的“白雾”是气体
B．水蒸气对外做功，内能增加
C．水蒸气对外做功，温度升高
D．这个实验基本展示了蒸汽机的工作原理
A．试管口出现的“白雾”是小液滴，即水蒸气遇冷液化而成的小液滴，故A错误；BC．水蒸气对外做功，内能转化为机械能，内能减小，温度降低，故BC错误；D．蒸汽机的工作原理，是把内能转化为机械能.试管内水蒸气的内能可以转化为塞子的机械能，与做功冲程相同，故该实验基本展示了蒸汽机的工作原理，故D正确。
D
一、热机
1. 工作原理
利用汽油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功。
2. 汽油机的构造
由气缸、火花塞、进气门、排气门、活塞、曲轴、连杆组成。
气缸
活 塞
连 杆
排气门
曲 轴
二、汽油机
火花塞
进气门
3. 工作过程
（1）冲程：汽油机在工作时，活塞从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。
（2）四个冲程：汽油机的一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。
多数汽油机是由这四个冲程的不断循环来保证连续工作的。
二、汽油机
（3）汽油机的工作过程分析
二、汽油机
①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被吸入气缸。
②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，压强增大，内能增加，温度升高。
能量转化：
机械能转化为内能。
二、汽油机
③做功冲程
在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞做功，并通过连杆带动曲轴转动，对外做功。
能量转化：
内能转化为机械能。
二、汽油机
④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。
二、汽油机
冲程名称 进气门 排气门 活塞 运动 冲程的作用 能量转化
吸气冲程 开 闭 向下 吸入燃料和空气的混合物
压缩冲程 闭 闭 向上 压缩燃料和空气的混合物， 使其内能增大，温度升高 机械能转化为内能
做功冲程 闭 闭 向下 火花塞产生电火花，点燃燃料，高温高压的燃气推动活塞做功，通过连杆、曲轴带动飞轮转动 内能转化为机械能
排气冲程 闭 开 向上 排出废气
（4）汽油机四个冲程工作情况总结
二、汽油机
对外做功1次
飞轮转动2周
活塞往复2次
有4个冲程
一个工作
循环
在这个四个冲程中，利用曲轴的惯性来完成的是吸气、压缩和排气冲程。
（5）汽油机一个工作循环情况总结
二、汽油机
【例题2】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。
从图中可以看出进气门和排气门都是关闭的，活塞向上运动，所以是压缩冲程。压缩冲程活塞向上运动，压缩气体，使气体的体积减小、温度升高、机械能转化为内能。
压缩
增加
机械
内
二、汽油机
【例题3】内燃机的一个工作循环由_____ 、_____ 、_____ 、______四个冲程组成。一台某型号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。
一个工作循环包括四个冲程，曲轴转动二周，对外做功一次。汽油机的飞轮速度是 =
汽油机每秒钟对外做功 =10 （次）
吸气
压缩
做功
排气
10
二、汽油机
1. 工作原理：
利用柴油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功。
2. 汽油机的构造
与汽油机的大致相同，不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞而是一个喷油嘴。
三、柴油机
喷油嘴
3. 工作过程
柴油机的工作过程与汽油机大致相同，也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，在一个工作循环中，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。
柴油机吸入气缸内的物质只有空气，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。
三、柴油机
4. 柴油机和汽油机的异同点：
项目 汽油机 柴油机
构造 气缸顶部有一个火花塞 气缸顶部有一个喷油嘴
燃料 汽油 柴油
吸气冲程 吸入汽油与空气的混合物 只吸入空气
压缩冲程 压缩程度较小， 压缩程度较大，
做功冲程 点燃式，内能转化为机械能 压燃式，内能转化为机械能
排气冲程 排出废气
特点与适用范围 轻巧、功率小；小汽车、摩托车等. 笨重、功率大；载重汽车、轮船等.
相同点 一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次. 压缩冲程把机械能转化为内能.
三、柴油机
科学世界——现代汽车
汽车已经成为现代生活中不可缺少的一部分。
汽车由发动机、底盘、车身和电器设备四大部分组成。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。汽车电器设备的作用主要是产生电火花以点燃汽缸中的可燃气体、启动发动机时用电机带动飞轮旋转、提供照明等。
现代汽车多数采用四缸或六缸等多缸发动机（图为四缸发动机），每个汽缸都进行这种四冲程循环。由于各个汽缸交替做功，所以发动机转动比较平稳。
汽车的动力系统
随着电子技术的发展，许多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，提高燃烧效率。采用电子燃油喷射系统的发动机与过去的发动机相比，可以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。
汽车四缸发动机示意图
电子技术在汽车上的应用，使汽车有了更广阔的发展空间。未来的汽车将更加节能、安全，对环境的影响会更小。
科学世界——现代汽车
3D动画演示——《四缸四冲程汽油机工作过程》
科学世界——现代汽车
1. 近年来我国重大装备层出不穷，国人
倍感自豪。下列装备的动力装置不是热机的是( )
A
A. 新能源电动汽车 B. 东风号远洋货船
C. 国产大飞机 D. 长征五号运载火箭
返回
2. 汽车已经成为现代生活不可缺
少的一部分，汽车多数采用汽油机
作为发动机。如图所示是单缸
B
A. 一个工作循环的正确顺序是：丁 甲 丙 乙
B. 若此汽油机曲轴的转速为 ，汽油机每秒对外做功
30次
C. 只有丙冲程获得动力，其他冲程都是靠惯性运转的
D. 丁冲程是吸气冲程，吸入的是汽油和空气的混合物
四冲程汽油机的工作循环示意图，下列说法中不正确的是 ( )
【点拨】 图甲：气门都关闭，
活塞向上运行，气缸容积减
小，是压缩冲程，将机械能
转化为内能；图乙：排气门
打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程；图丙：
气门都关闭，火花塞产生电火花，活塞向下运动，气缸容积
增大，是做功冲程，将化学能转化为内能，内能再转化为机
械能;图丁：进气门打开，活
塞向下运动，气缸容积增大，
是吸气冲程，吸入的是汽油
和空气的混合物。汽油机的
四个冲程依次是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，
即丁 甲 丙 乙，故 正确，不符合题意；若此汽油机曲轴
的转速为 ，即每秒转30圈，完成60个冲程，对外做功
15次，故B错误，符合题意。
四冲程汽油机有吸
气冲程、压缩冲程、做功冲
程、排气冲程四个冲程，根
据每个冲程的特点和能量转化情况来判断冲程的类型；工作
过程中能量的转化：①压缩冲程：机械能 内能；②做功冲
程：内能 机械能；③吸气冲程、排气冲程没有明显的能量
转化。
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3. 2024年11月30日，我国新型运载火箭长征十二号成功实现
首飞。火箭燃料燃烧产生的高温燃气对火箭产生反推力，推
动火箭升空，此能量转化过程相当于四冲程汽油机的哪个冲
程( )
C
A. 压缩冲程 B. 排气冲程
C. 做功冲程 D. 吸气冲程
【点拨】火箭燃料燃烧产生的高温燃气对火箭产生反推力，推
动火箭升空，将内能转化为机械能。四冲程汽油机的压缩冲程
中，机械能转化为内能，A不合题意；排气冲程中没有明显的
能量转化，B不合题意；做功冲程中将内能转化为机械能，C
符合题意；吸气冲程中没有明显的能量转化，D不合题意。
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4. ［2025·济南期中，多选］如图是一种常用的“柴油
平板夯机”，广泛应用于路面施工、场地填土等场合。
使用时柴油发动机提供动力，激荡器带动夯板上下运
动。关于汽油机和柴油机的主要区别，下列说法正确
的是( )
BCD
A. 构造上，汽油机气缸顶部有喷油嘴，柴油机汽缸顶部有火花塞
B. 在压缩冲程末，柴油机的燃气温度和压强比汽油机里的高
C. 汽油机的点火方式是点燃式，柴油机的点火方式是压燃式
D. 吸气冲程中，柴油机吸入气缸的是空气，汽油机吸入气缸的是空气和
汽油的混合物
【点拨】 构造上，柴油机气缸的顶端有喷油
嘴，吸气冲程只需吸入空气；汽油机气缸顶
部有火花塞，吸气冲程需要吸入空气和汽油
的混合物，故A错误，D正确；在压缩冲程中，柴油机的压缩
程度更大，柴油机气缸内的燃气温度和压强比汽油机里的高，
故B正确；在做功冲程，汽油机的点火方式是点燃式，柴油
机的点火方式是压燃式，故C正确。
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5. 内燃机是现代交通运输工具的动力源，在如图所示的四种
交通运输工具中，适合使用汽油机来提供动力的是( )
C
A.
载重汽车
B.
内燃机车
C.
小轿车
D.
农业收割机
【点拨】 汽油机比柴油机轻巧，制造成本低，噪声较小，低
温起动性较好，摩托车、小轿车和轻型货车等大多用汽油机；
柴油机比较笨重，体积较大，压缩比很高，热效率和经济性
都要好于汽油机，柴油机一般用于大、中型载重货车，内燃
机车，农业收割机和轮船等。故选C。
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6. 汽车已经成为现代生活不可缺少的一部分，汽车多采用四
冲程的汽油机作为发动机，如图是四冲程汽油机的工作示意
图，其中气缸内气体温度一直升高的冲程是( )
B
A. B. C. D.
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7. ［2025·福建宁德期末］光发动
机可用于卫星的能源补充，原理
如图所示，密闭气室中 在光
照下分解，使气室气压增大，推
C
A. 吸气冲程 B. 压缩冲程
C. 做功冲程 D. 排气冲程
动活塞右移。活塞右移过程相当于四冲程汽油机的( )
【点拨】 当活塞右移时，活塞对
外做功，则该过程相当于四冲程
汽油机的做功冲程，故C正确。
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8. 若让一台正在正常开动的柴油机停止转动，一般应对它进
行的操作是( )
B
A. 断开它的电路，停止给它供电
B. 关停它的油路，停止给它供油
C. 以上两种方法都可以
D. 以上两种方法都不行
【点拨】 柴油机在压缩冲程末，喷油嘴会喷出雾状柴油，柴
油燃烧，内能转化为机械能，对外做功，要想让一台正在正
常开动的柴油机停止转动，需要停止供油，若断开它的电路，
停止给它供电，柴油机也可以工作，故选B。
返回
（第9题）
9. 如图所示是我国传统的
“走马灯”。点燃底部的蜡烛，热空气上升，驱
动扇叶转动，可以看到纸马动了起来，在此过
程中，能量的转化情况是__________________
_____________。某汽油机每秒对外做功的次
空气的内能转化为扇叶的机械能
2 400
数为20次，则该汽油机飞轮的转速为_______ 。
（第9题）
【点拨】 热空气上升，驱动扇叶转动，热空气
对扇叶做功，空气内能减小，能量的转化情况
是空气的内能转化为扇叶的机械能;汽油机每
秒对外做功的次数为20次，则飞轮每秒转动40
次，故转动 次，飞轮的
转速为 。
返回
（第10题）
10. 如图是老师在
物理课上做的汽油机工作原理的模拟
实验，在玻璃管中先加入少量酒精，
将橡皮塞放入玻璃管并向下压缩气体，
然后用电子点火器点火，橡皮塞会向
上弹出。
（1）向下压橡皮塞时，其能量转化与四冲程汽油机工作中
的______冲程相同。
压缩
（2）如果想让橡皮塞弹得更远，你的方法是_____________
_______________________（答出一条即可）。
橡皮塞下压更长距离（答案合理即可）
（第10题）
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①把内能转化为机械能的机器叫热机。常见热机有：
蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等.
②制造原理：利用内能做功，将内能转化为机械能.
①内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机.
②内燃机工作的四冲程：吸气、压缩、做功、排气冲程.
③能量转化：压缩冲程中，机械能转化为内能；
做功冲程中，内能转化为机械能.
④汽油机与柴油机的区别：
汽油机吸入汽油与空气的混合物，柴油机只吸入空气.
汽油机是点燃式点火，柴油机点火方式为压燃式.
四、课堂总结
热机
热 机
内燃机
必做作业：从教材习题中选取；
选做作业：完成练习册本课时的习题.
谢谢观看！

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