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12．4
机械能与内能的相互转化
【要点梳理】
要点一、物体内能的改变
通过做功可以改变物体的内能。
要点诠释：
对物体做功，物体内能增加；物体对外做功，自身内能减少，用做功的方法改变物体内能的过程，实质上是内能与其他形式的能量之间相互转化过程。
1、动能和势能的转化：
（1）重力势能转化为动能：球摆从A点向下摆动的过程中，它的速度越来越大，动能也逐渐增大，重力势能逐渐减小。球摆到达最低的时，它的动能最大、重力势能最小。
（2）动能转化为重力势能：摆球又向的另一侧运动。随着摆球向上摆动，它的速度越来越小，动能逐渐减小，高度越来越大，重力势能逐渐增大。当摆球到达最高处B点时，它的动能为零，重力势能最大。
2、机械能与内能的转化——做功：
（1）反复弯折的铁丝，温度升高，内能增大，机械能转化为内能。
（2）迅速将空气压缩引火仪的活塞下压，看到棉花燃烧，活塞的机械能转化为空气的内能，空气温度升高导致棉花燃烧。
要点诠释：
1、动能、重力势能、弹性势能是可以相互转化的。
2、做功也可以改变物体的内能，做功改变物体的内能是能量的转化，将其他形式的能（机械能）转化为内能，热传递改变物体内能的实质是内能的转移。做功和热传递在改变内能上是等效的。
要点二、热机
利用燃料燃烧释放出能量做功的机械，叫做热机。常见的热机有：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。
要点诠释：
（1）内能利用的两种方式：加热、做功。
（2）内燃机及其工作原理：
　
①内燃机：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机。内燃机分为汽油机和柴油机，它们分别用汽油和柴油作为燃料。
　　②内燃机的工作原理：汽油或柴油在气缸里燃烧时生成高温高压的燃气，用来推动活塞做功。活塞通过连杆使内燃机的飞轮转动，从而带动其他机械转动。
（3）汽油机的工作循环（吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程）
（3）汽油机和柴油机的异同点：
不同点
相同点
项目
汽油机
柴油机
（1）构造基本相同都是燃料在气缸内燃烧，都是内燃机。
（2）都将内能转化为机械能。
（3）每一个工作循环都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。
构造
气缸顶部有火花塞
气缸顶部有喷油嘴
点火方式
压缩冲程末由火花塞放出电火花点燃，称点燃式
压缩冲程末由喷油嘴向气缸内喷雾状柴油遇到高温高压的空气自动燃烧，称压燃式
燃料
汽油、吸气冲程吸进汽油和空气混合物
柴油、吸气冲程吸进气缸的只是空气
压缩比
压缩冲程末气体体积被压缩为吸进体积的1／9至1／6
压缩冲程末气体体积被压缩为吸进体积的1／22至1／16
做功
做功冲程初燃气压强为30至50个大气压，温度2000℃至2500℃，高温高压的气体推动活塞做功
做功冲程初燃气压强为50至100个大气压，温度1700℃至2000℃，高温高压的气体推动活塞做功
效率
效率较低20％至30％
效率较高30％至45％
用途
轻便，多用于汽车、飞机、小型农机具
笨重，多用于拖拉机、载重汽车、轮船等重型机械
汽油机
柴油机
要点三、热值
1千克某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值。单位是：J/㎏。
要点诠释：
（1）燃料燃烧放出的热量与哪些因素有关：
　　①燃料的种类；
　　②燃料的质量；
　　③燃料是否充分燃烧。
（2）燃料完全燃烧放出热量的计算公式：Q放=mq。其中m为燃料的质量，q为燃料的热值。
要点四、热机的效率
热机工作时，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫做热机的效率。
要点诠释：
（1）热机的效率是热机性能的一个重要指标，热机的效率越高，它的机械性能就越好。
（2）提高热机效率的途径：
　　①在设计和制造上，要不断改进和革新，以减少各种能量损失，提高效率。
　　②在使用上，要正确使用，注意保养。
③充分利用废气带走的能量。
【典型例题】
类型一、热机
1、柴油机工作一个循环需四个冲程，其中由机械能转化为内能的是（　　）
A．吸气冲程
B．压缩冲程
C．做功冲程
D．排气冲程
2.下列现象中，是用做功的方法来减小物体内能的是（
）
A.钻木取火
B.用铁锤不断地敲打铁钉
C.小孩从滑梯上滑下时，臀部有灼热感
D.水蒸气冲开水瓶塞子
3.用铁锤敲打铁钉，铁钉温度会升高这是因为（
）
A.铁锤把温度传给了铁钉
B.铁锤把热量传给了铁钉
C.铁锤把内能传给了铁钉
D.铁锤对铁钉做了功
4.下列说法中正确的是（
）
A.做功和热传递是等效的
B.物体的温度升高，一定是吸收热量
C.温度越高的物体，热量越多
D.热水和冷水混合时，能量从热水传给冷水
5、如图，表示做功冲程的示意图是(　　　
)?
　　　　　　　　　　　　　　　
举一反三：
【变式】下列有关热和能的说法中，正确的是（
）
A.
发生热传递时，温度总是从高温物体传递给低温物体
B.
一块
0℃的冰熔化成
0℃的水后，温度不变，内能变大
C.
内燃机的压缩冲程，主要通过热传递增加了汽缸内物质的内能
D.
夏天在室内洒水降温，利用了水的比热容较大的性质
类型二、燃料的热值和热机效率
6、某品牌太阳能热水器的容积为100L，其装满水后在太阳的照射下水温从20℃的升高到40℃，不计热量的散失。
（1）求热水器中的水吸收的热量。[水的比热容c=4.2×103J/（kg?℃）]
（2）要完全燃烧多少体积的煤气可以产生相同的热量？（煤气的热值q=4.0×107J/m3）
举一反三：
【变式】无烟煤的热值大于干木柴的热值，则（
）
　　A、烧无烟煤比烧干木柴产生的热量多
　　B、要使它们放出同样多的热量，完全燃烧的无烟煤的质量小于完全燃烧的干木柴的质量
　　C、烧无烟煤比烧干木柴产生的烟尘多
　　D、煤比木柴含有的热量多
7、一辆汽车的发动机输出功率为66.15kW，每小时耗柴油14kg，请计算发动机的效率。（柴油的燃烧值为4.3×107J/kg）
8.
在一个标准大气压下，用炉子将10kg的水从20℃加热至沸腾，燃烧了0.5kg的焦炭，已知水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，焦炭的热值为3.0×107J/kg。
求：(1)水吸收的热量；________
(2)0.5kg焦炭完全燃烧释放的热量；_______
(3)炉子烧水的效率。________-
9.
有如图所示的两套相同装置，分别在两个燃烧皿中放入质量相同的不同燃料，点燃后加热质量相等的同种液体，通过比较燃料，_______________（选填“燃烧相同时间”或“全部燃烧”）后温度计示数的变化，来判断两种燃料的热值的大小。燃料燃烧，____________转化为内能，用比热容_________的液体可以使实验现象更明显。（实验中液体没有沸腾）
10．己知天然气的热值为4.2×107J/m3
，水的比热容为4.2×103
J/（kg．℃）．
（1）完全燃烧0.04
m3天然气可放出热量为　
　J．
（2）某天然气灶烧水的效率为50%，完全燃烧0.04
m3天然气可使常温下5kg的水温度升高　
　℃．
11．小明在学习“物质的比热容”时，取相同质量的水和沙子，用相同的酒精灯加热，测得它们升高的温度如表，并在图乙中作出沙子升高的温度随时间变化的图线．
加热时间/min
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
温度/℃
水
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
沙子
4.3
7.9
15.2
18.4
21.5
（1）用温度计测量水的初温如图甲所示，其读数为　
　℃．
（2）实验中选用相同的酒精灯加热，可以认为相同时间内水和沙子　
相同．
（3）请利用表中数据在图乙中作出表示水升高的温度随时间变化规律的图线．
（4）沙子在1.0～1.5min内升高的温度有明显异常，其主要原因是　
　．
（5）小明再用50g水和100g水做实验，以吸收的热量Q为纵坐标，升高的温度△t为横坐标，分别画出50g水和100g水的Q﹣△t图象．它们都是过原点的直线，即Q=k△t．进一步分析，发现这两条直线的k值与对应水的　
　之比相等．
12.
甲、乙两位同学对“雨滴的下落速度是否跟雨滴的大小有关”持有不同的意见，于是他们对此展开研究。他们从网上查到，雨滴在下落过程中接近地面时受到的空气阻力与雨滴的横截面积
S
成正比，与雨滴下落速度
v
的平方成正比，即
f=kSv2（其中
k
为比例系数，是个定值），雨滴接近地面时可看做匀速直线运动。把雨滴看做球形，其半径为
r，密度为，比热为
c，球的体积为
V=4/3r3。（注：所有结果均用字母表示）
（1）半径为
r
的雨滴重力为_____。
（2）在接近地面时，大雨滴的下落速度_
____小雨滴的下落速度（选填“大雨”“等于”“小于”），写出推理过程__
。
（3）假设半径为
r
的雨滴在近地面下落
h
高度的过程中，重力对它所做的功全部转化为雨滴的内能，则雨滴的温度升高了多少__
__？

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