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第2节　热机
学习目标
1. 知道热机是利用内能做功的机械，能说出常见热机（蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等）；
2. 理解汽油机四个冲程（吸气、压缩、做功、排气）的工作过程及各冲程的能量转化；
3. 能判断各冲程的名称与能量转化，能计算汽油机每秒做功次数；
4. 掌握柴油机与汽油机的异同，能从燃料、构造、工作循环、特点等角度对比。
课前·自主预习
一、热机
阅读教材,完成下列问题。
1.热机是利用____________做功的机械。热机工作时,将____________能转化为____________能。常见的热机有蒸汽机、____________、汽轮机、喷气发动机等。
2.燃料直接在发动机____________内燃烧产生动力的热机,叫作内燃机。内燃机分为____________和柴油机两大类,它们分别用____________和柴油作为燃料。
二、汽油机
阅读教材,完成下列问题。
1.右图是四冲程汽油机剖面图。其中,(1)是____________,(2)是____________,(3)是____________。
2.汽油机的工作原理:汽油在____________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。
3.请填写下列各图对应冲程的名称。
4.四冲程汽油机的一个工作循环有_________、_________、_________和__________四个冲程;在__________冲程中机械能转化为内能,在做功冲程中__________能转化为__________能,__________冲程排出了气缸中的废气。
三、柴油机
阅读教材,完成下列问题。
1.柴油机气缸顶部没有火花塞,而有一个__________。
2.柴油机的工作过程中,有哪些方面不同于汽油机
课堂·互动理解
一、汽油机的工作过程及各冲程的判断
1.汽油机的工作过程。
项目 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
气门 进气门打开,排气门关闭 进气门、排气门均关闭 进气门、排气门均关闭 进气门关闭,排气门打开
活塞 向下运动 向上运动 向下运动 向上运动
作用 吸入汽油和空气的混合物 压缩燃料混合物 在压缩冲程结束时,火花塞产生电火花,使燃料猛烈燃烧,产生的高温高压气体推动活塞向下运动,带动曲轴转动,对外做功 把废气排出气缸
主要的能的转化 无 机械能转化为内能 内能转化为机械能 无
温度变化 无 温度升高 温度降低 温度降低
2.对汽油机工作过程的理解。
(1)四冲程汽油机在一个工作循环中有四个冲程,活塞往复运动两次,曲轴和飞轮转动两周,对外做功一次,简记为“4、2、2、1”。
(2)汽油机在工作时只有做功冲程对外输出动力,其他三个冲程均为辅助冲程,依靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。
跟踪训练1(2025·江苏镇江中考)
下列汽油机工作的冲程中,压缩冲程是(　　)
【方法规律】汽油机冲程速判：1.看火花塞:火花塞点燃有火花的是做功冲程。2.根据气门开、闭情况和活塞运动方向判断:一门打开,上排下吸;两门关闭,上压下功。其中“上”“下”是指活塞向上运动或向下运动。
跟踪训练2
汽油机将内能转化为机械能的是___________冲程,某单缸四冲程汽油机曲轴转速是2 400 r/min,则此汽油机每秒对外做功__________次。
【点拨】厘清循环、冲程、转速、做功间的数量关系,以及其中两个冲程的能量转化,是解答本题的关键,具体可以概括为以下导图。
二、柴油机与汽油机的对比
种类 柴油机 汽油机
燃料 柴油 汽油
构造 气缸顶部有喷油嘴 气缸顶部有火花塞
一个工作循环 吸气冲程 吸进气缸的只有空气 吸进气缸的是汽油和空气的混合物
压缩冲程 对空气的压缩程度高,空气温度很高 对汽油和空气混合物的压缩程度比柴油机低
做功冲程 压缩冲程结束时,空气的温度超过柴油的燃点,喷油嘴喷出雾状柴油遇到热空气便立刻燃烧(压燃式) 压缩冲程结束时,火花塞产生电火花,点燃燃料(点燃式)
排气冲程 排出废气 排出废气
主要特点 笨重、效率较高 轻巧、效率较低
适用范围 载重汽车、拖拉机、坦克、火车、轮船等 小汽车、摩托车等
跟踪训练3(多选)
关于汽油机和柴油机的不同点,下列说法正确的是(　　)
A.在构造上,汽油机气缸顶部有火花塞,柴油机气缸顶部有喷油嘴
B.在吸气冲程中,汽油机吸入气缸的是汽油,柴油机吸入气缸的是柴油
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,汽油机气缸内气体的压强大于柴油机
【方法规律】巧记汽油机和柴油机的异同点：汽油柴油机异同,关键先看气缸顶。汽油机用火花塞,柴油机用喷油嘴。汽油压末塞点火,柴油压末喷油雾。汽油机轻效率低,用于汽车小农机。柴油机重效率高,轮船火车拖拉机。
课后·知能演练
基础巩固
1.(2024·新疆中考)下列运载工具中,不需要利用热机的是(　　)
A.喷气式飞机 B.柴油拖拉机 C.纯电动汽车 D.长征系列火箭
2.(2024·江苏常州中考)四冲程汽油机工作时,将内能转化为机械能的冲程是(　　)
A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程
3.(2025·江苏扬州中考)右图是单缸四冲程汽油机工作循环中的一个冲程,它是(　　)
A.吸气冲程 B.压缩冲程
C.做功冲程 D.排气冲程
4.(2024·四川广元中考)1883年人类发明了汽油机。一台四冲程汽油机的一个冲程中,火花塞点火,燃料猛烈燃烧,产生高温高压的气体推动活塞对外做功,则该冲程(　　)
A.是压缩冲程 B.气体对外做功,内能转化为机械能
C.活塞依靠飞轮的惯性而运动 D.气体对外做功,气体的内能增加
5.如图所示,用酒精灯对试管加热。水被加热一段时间后,木塞受到试管内水蒸气的压力而冲出去。下列说法正确的是(　　)
A.用酒精灯加热试管,是通过做功的方式改变水的内能的
B.木塞冲出去的过程,相当于四冲程汽油机的压缩冲程
C.木塞冲出去的过程中,木塞的机械能是由水蒸气的内能转化的
D.木塞冲出去后,试管口出现的白雾是水汽化后形成的水蒸气
6.(多选)下列关于汽油机和柴油机的特点,正确的是(　　)
A.在压缩冲程中,汽油机中汽油和空气混合物的压缩程度大于柴油机中空气的压缩程度
B.柴油机的点火方式为压燃式,汽油机的点火方式为点燃式
C.一般情况下,柴油机比较笨重,汽油机比较轻巧
D.一个工作循环都是由4个冲程组成的,压缩冲程中,内能转化为机械能
7.(2025·江苏常州中考)2025年2月,江苏地域文明探源工程发布:在兴化草堰港遗址中发掘出距今约7 000年的钻木取火器。如图所示,古人手搓钻杆,使其与取火板摩擦生热一段时间,即可取得火种。摩擦生热的能量转化方式是　　　　　　　　　,与四冲程汽油机的　　　　冲程相同。
素养提升
8.如图所示,甲是汽油机某个冲程的工作示意图,乙是柴油机某个冲程的工作示意图。下列说法正确的是(　　)
A.甲是汽油机的压缩冲程,此时进气门和排气门均关闭
B.甲是汽油机的做功冲程,气缸顶部的火花塞产生电火花
C.乙是柴油机的吸气冲程,吸进气缸的是空气和柴油的混合物
D.乙是柴油机的排气冲程,此时气缸顶部的喷油嘴正在喷油
9.某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为30 cm2,一个冲程活塞在气缸中移动的距离是50 mm,满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为9.0×105 Pa,飞轮1 min转动1 800周。当汽油机满负荷工作时(不计摩擦),下列说法正确的是(　　)
A.一个做功冲程中燃气对活塞做的功为135 J
B.汽油机的功率为2 502 W
C.做功冲程中燃气对活塞的平均压力为2.7×107 N
D.汽油机每秒内完成30个冲程
10.在安全情况下,小明用高压打气筒往封闭空塑料瓶内打入空气,如图所示。随着瓶内气压增大,气体内能增大,这是通过　　　　的方式改变瓶内气体内能的。当气压达到一定程度时,瓶盖飞出,这一过程与汽油机　　　　冲程的能量转化情况相同。若一台单缸汽油机曲轴的转速为1 200 r/min,则该汽油机每秒做功　　　　次。
拓展探究
11.下图为四缸发动机示意图,其工作原理为:四个气缸的活塞连在一根曲轴上,各气缸的做功过程错开,在飞轮转动的每半周里,都有一个气缸在做功,其他三个气缸分别在做吸气、压缩和排气工作。有一台四缸发动机,其主要技术指标如下表所示。其中排量等于四个气缸工作容积的总和,气缸工作容积指活塞从气缸顶部到底部所扫过的容积,又称单缸排量,它取决于活塞的面积和活塞上下运动的距离(即冲程长)。转速的数值为每分钟曲轴或飞轮所转的周数。回答下列问题。
排量 2 L
输出功率 120 kW
转速 6 000 r/min
　　　　
(1)该汽车发动机每分钟对外做功　　　　次,每分钟对外做功　　　　　 J。
(2)在每个做功冲程里,发动机做功W=　　　　 J。在做功冲程里,燃气对活塞所做的功可表示为W=pV,式中p表示燃气对活塞的压强,V表示单缸排量,则p=　　　　 Pa(1 L=10-3 m3)。
参考答案
课前·自主预习
一、1.内能;内;机械;内燃机。2.气缸;汽油机;汽油。
二、1.火花塞;曲轴;活塞。2.气缸。4.吸气冲程;压缩冲程;做功冲程;排气冲程;压缩;内;机械;排气。
三、1.喷油嘴。2.(1)柴油机在吸气冲程中吸进气缸的只有空气,而汽油机吸进气缸的是汽油和空气的混合物。(2)在压缩冲程中,柴油机对空气的压缩程度比汽油机高。(3)柴油机压缩冲程结束时,气缸内空气的温度超过柴油的燃点,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;而汽油机是在压缩冲程结束时,由火花塞产生电火花来点燃被压缩的汽油和空气的混合物。
课堂·互动理解
跟踪训练1：B。解析:A中进气门打开,排气门关闭,活塞向下运动,是吸气冲程,A错误。B中两气门都关闭,活塞向上运动,是压缩冲程,B正确。C中两气门都关闭,活塞向下运动,火花塞产生电火花,是做功冲程,C错误。D中进气门关闭,排气门打开,活塞向上运动,是排气冲程,D错误。故选B。
跟踪训练2：做功;20。解析:四冲程汽油机的做功冲程将内能转化为机械能;曲轴转速2 400 r/min=40 r/s,一个工作循环曲轴转2周做功1次,则每秒做功40/2=20次。
跟踪训练3：AC。解析:在吸气冲程中,汽油机吸入气缸的是空气和汽油的混合物,柴油机吸入气缸的是空气,B错误。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,可以输出更大的功率,D错误,A、C正确。
课后练习
1.C　解析 热机是利用燃料燃烧释放的内能转化成机械能的装置,喷气式飞机、柴油拖拉机、火箭均属于热机;纯电动汽车利用的是电动机,将电能转化为机械能,不属于热机;故选C。
2.C　解析 四冲程汽油机的一个工作循环由吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程四个冲程组成,其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,C符合题意。
3.B　解析 由题图可知,汽油机的进气门和排气门均关闭,活塞向上运动,即为压缩冲程,故选B。
4.B　解析 火花塞点火,燃料猛烈燃烧,产生高温高压的气体推动活塞对外做功,是做功冲程,在做功冲程中,内能转化为机械能,气体的温度降低,内能减小,除做功冲程外,吸气冲程、压缩冲程和排气冲程都是靠飞轮的惯性来完成的,B符合题意。
5.C　解析 用酒精灯加热试管,水吸收热量,水的内能增加,是通过热传递的方式改变水的内能的,A错误。蒸汽把木塞冲出去的过程,相当于汽油机的做功冲程,B错误。蒸汽把软木塞冲出去,水蒸气的部分内能转化为软木塞的机械能,实现了内能向机械能的转化,C正确。白雾是空气中的水蒸气遇冷液化形成的小水珠,D错误。
6.BC　解析 在柴油机的压缩冲程中,活塞把空气的体积压缩得非常小,使得空气的温度很高,但由于汽油机在吸气冲程中吸入气缸的是汽油和空气的混合物,不能很大程度地压缩,所以汽油机中汽油和空气混合物的压缩程度小于柴油机中空气的压缩程度,A错误。在汽油机的压缩冲程末,火花塞产生电火花,使燃料猛烈燃烧,产生高温高压气体推动活塞做功,这种点火方式称为点燃式,而柴油机的压缩冲程末,气缸内空气的温度已经超过柴油的燃点,从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气便被点燃,这种点火方式称为压燃式,B正确。由于柴油机工作的过程中压强较大,要求各有关零件具有较高的结构强度,因此柴油机比汽油机笨重,C正确。一个工作循环一般都是由4个冲程组成的,压缩冲程中,机械能转化为内能,D错误。
7.机械能转化为内能　压缩
8.B　解析 由图甲知,进气门和排气门都关闭,活塞下行,为做功冲程,气缸顶部的火花塞产生电火花,A错误,B正确。由图乙知,进气门打开,排气门关闭,活塞下行,为吸气冲程;气缸的顶部有个喷油嘴,是柴油机的吸气冲程,吸入的只是空气,C、D错误。
9.A　解析 满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强p=9.0×105 Pa,气缸活塞面积S=30 cm2=3×10-3 m2,满负荷工作时一个做功冲程中燃气对活塞的压力F=pS=9.0×105 Pa×3×10-3 m2=2 700 N,一个做功冲程中燃气对活塞做的功W=Fs=2 700 N×50×10-3 m=135 J,A正确,C错误。汽油机在一个工作循环中,飞轮转2周,对外做功一次,所以该汽油机1 min内完成900个工作循环,对外做功900次,则1 s内完成15个工作循环,一个工作循环包括4个冲程,则汽油机每秒完成60个冲程;汽油机所做总功W总=900×135 J=1.215×105 J,汽油机的功率P==2 025 W,B、D错误。
10.做功　做功　10
解析 小明用高压打气筒往封闭空塑料瓶内打入空气,把机械能转化为内能,使瓶内气压增大,气体内能增大,这是通过做功的方式改变瓶内气体的内能的;当气压达到一定程度时,瓶盖飞出,这是瓶内气体对瓶盖做功,把气体的内能转化为瓶盖的机械能,内燃机的做功冲程中将内能转化为机械能,所以这一过程与内燃机的做功冲程的能量转化情况相同;四冲程汽油机的曲轴的转速为1 200 r/min,则该飞轮每秒钟转20圈;因为一个工作循环飞轮转2圈,完成四个工作冲程,做功1次,所以,1 s内飞轮转20圈,活塞往复运动20次,共10个工作循环,做功10次。
11.(1)12 000　7.2×106　(2)600　1.2×106
解析 (1)该汽车发动机转速为6 000 r/min,在飞轮转动的每半周里,都有一个气缸在做功,所以该汽车发动机每分钟对外做功12 000次,每分钟对外做功W总=Pt=120 000 W×60 s=7.2×106 J;(2)在每个做功冲程里,发动机做功W==600 J,根据W=pV,燃气对活塞的压强p==1.2×106 Pa。
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