第14章内能的利用

第14章内能的利用一、内能的利用1.热传递在生活中的应用2.做功与物体内能改变的探究实验用如图所示的方法可以探究做功是否能够改变物体的内能：1)如图1，将手中的铁丝同一位置快速地弯折十余次，用手指触摸一被弯折的部位，会感觉到弯折部位的____升高，表明铁丝的内能_____；2)如图2，在厚壁的玻璃筒底部放一小撮干燥的棉絮，用力将活塞压下，我们会看到：棉絮____了，这表明用力压下活塞时，玻璃筒内的温度_____并达到棉絮的_____，所以出现了我们所看到的现象．3)上述的这两个现象都说明了______是改变物体内能的另一种方式．4)用能量的观点来分析上述的两个现象，我们发现，用这种方法改变物体的内能时，能量是在_____能和______能之间相互转化的．分析：改变物体内能的方式有热传递和做功两种．做功改变物体内能的实质是能量的转化，具体来说是内能和机械能的相互转化．对物体做功，物体的内能增加，温度升高；物体对外做功，物体的内能减少，温度降低．解：将手中的铁丝同一位置快速地弯折十余次，手对铁丝做了功，铁丝的内能增大，温度升高；用力将活塞压下，活塞对空气做功，空气的内能增大，温度升高，达到了棉花的着火点，棉花就会燃烧．上述两种办法都是通过对物体做功来增大物体内能的，做功改变物体内能的实质就是内能和机械能的相互转化．二、热机1.热平衡方程的应用热平衡方程：在热传递过程中，如果没有热量损失，则高温物体放出的热量Q放等于低温物体吸收的热量Q吸，即Q放=Q吸，把这个关系叫热平衡方程．热平衡方程式：两个温度不同的物体放在一起，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，当两个物体温度达到相同时，如果没有热量损失，则有Q吸=Q放，称为热平衡方程．在热量计算题中，常采用此等式．例1：某中学为学生供应开水，用焦炭作为燃料，已知焦炭的热值是3×107J/kg，现完全燃烧了4.2kg的焦炭，放出的热量_________，设该热量有25%被水吸收，能将______的水从25℃加热到100℃．[已知c水=4.2×103J/（kg•℃）]．例2：用相同的加热装置给质量相等的甲、乙两种液体同时加热，两种液体的温度随时间的变化如表．由数据比较两种液体的比热容（）时间t/min012345甲的温度/202224262830乙的温度/202530354045A．c甲＞c乙B．c甲=c乙C．c甲＜c乙D．无法确定解热机2.内燃机的四个冲程煤炭、汽油和柴油等燃料燃烧时，将储存的化学能转化为蒸汽或燃气的内能，各种将蒸汽或燃气的内能转化为机械能的发动机称为热机．热机的种类分为：①蒸汽机；②内燃机；③汽轮机；④喷气发动机．其中内燃机是燃料在汽缸内燃烧的热机．内燃机分为汽油机和柴油机．一、汽油机：（1）构造：进气门、排气门、气缸、火花塞、曲轴、连杆等．（2）工作原理：在气缸内燃烧汽油，生成高温高压的燃气〔化学能→内能〕，使燃气推动活塞做功〔内能→机械能〕．（3）冲程：活塞在往复运动中从气缸一端运动到另一端叫做一个冲程．（4）工作过程：多数汽油机是由吸气、压缩、做功〔燃烧-膨胀做功〕和排气冲程的不断循环来保证连续工作的．（5）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：先是化学能→内能，再由内能→机械能．（6）汽油机工作的四个冲程中，只有做功冲程是燃气对活塞做功，其它三个冲程要靠飞轮的惯性来完成．在开始运转时，要靠外力先使飞轮和曲轴转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，以后，汽油机才能自己工作．二、柴油机：（1）构造：与汽油机相似，区别在于柴油机顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴．（2）工作原理：与汽油机相同．（3）工作过程：与汽油机相似．（4）柴油机启动时也要靠外力使飞轮和曲轴转动起来．（5）特点与应用：特点：柴油比汽油便宜，但柴油机比较笨重．应用：载重汽车、拖拉机、坦克、火车、轮船以及发电机．常考题：关于热机错误的说法是（）AB．蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机CD分析：利用燃料燃烧获得的内能来工作的机器叫热机；热机包括：蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机；热机的效率指的是用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比．解：A、热机就是利用热来工作的机器；B、蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机都叫热机；C、热机并不都是4冲程的，也有2冲程的；D、用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫热机的效率．故选C．例2：柴油机和汽油机在构造上的主要区别是：柴油机气缸顶部有_____，汽油机气缸顶部有____，在吸气冲程中的不同是：汽油机吸入气缸里的是______________，柴油机吸入气缸里的是_____．分析：柴油机和汽油机的主要区别：（1）汽油机在吸气冲程中吸入了汽油和空气的混合气体，在压缩冲程中，机械能转化为内能，内能增大，温度升高，汽油机气缸顶端有个火花塞，此时火花塞喷出电火花，点燃汽油，产生高温高压的燃气推动活塞做功．（2）柴油机在吸气冲程中吸入空气，在压缩冲程中，机械能转化为内能，空气的内能增大；柴油机气缸顶端有个喷油嘴，此时喷油嘴喷出雾状的柴油，柴油遇到高温的空气，达到着火点而燃烧，点燃方式是压燃式．燃烧产生高温高压的燃气推动活塞做功．柴油机的压缩比例更大、温度更高、做功更多，效率更高．【解题方法点拨】（1）汽油机的柴油机的区别在于：1)构造不同，汽油机为火花塞，柴油机为喷油嘴；2)吸入物质不同，汽油机吸入汽油和空气的混合物，柴油机吸入的是空气；3)汽油机为点燃式，柴油机为压燃式；4)效率高低不同，汽油机效率低，比较轻巧，柴油机效率高，比较笨重．（2）内燃机各冲程之间的联系：内燃机的吸气、压缩、做功、排气四个冲程合在一起叫内燃机的一个工作循环，从以上可以看出，内燃机的四个冲程中只有做功冲程燃气对外做功，其它三个冲程不做功，靠飞轮的惯性来完成，而且还要消耗做功冲程提供的机械能，但这三个冲程也必不可少，它们辅助做功冲程完成做功，即内燃机的一个工作循环，活塞往复两次，曲轴转动2周，在各冲程的相互协助下，对外做功一次．3.内燃机的四个冲程内燃机是热机的一种，是燃料在汽缸内燃烧的热机．内燃机分为汽油机和柴油机．（1）汽油机的工作原理：燃料在汽缸中燃烧时，将存储的化学能转变为高温高压的燃气（蒸汽）的内能，又通过燃气（蒸汽）推动活塞做功，由内能转变为机械能．（2）汽油机的工作流程：内燃机通过吸气、压缩、做功、排气四个冲程不断循环来保证连续工作的，如图．①吸气冲程：进气门打开，排气门关闭．活塞由上端向下端运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸入气缸．②压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，压缩汽缸内燃料混合物，温度升高．③做功冲程：在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，高温高压气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功．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．（3）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：先是化学能→内能，再由内能→机械能．（4）柴油机是以柴油为燃料的内燃机，在工作时与汽油机工作原理相同．区别：①在吸气冲程里吸进气缸的只有空气，而汽油机吸进的是汽油和空气的混合物；②在压缩冲程里，活塞把空气的体积压缩得很小，空气的压强更大，温度更高；③点火方式：柴油机-压燃式；汽油机-点燃式．下列流程图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及到的主要能量转化情况．关于对图中①②③④的补充正确的是（）A．①做功冲程②内能转化为机械能③压缩冲程④机械能转化为内能B．①压缩冲程②内能转化为机械能③做功冲程④机械能转化为内能C．①压缩冲程②机械能转化为内能③做功冲程④内能转化为机械能D．①做功冲程②机械能转化为内能③压缩冲程④内能转化为机械能分析：热机的四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程．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．解：热机的四个冲程，吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程．压缩冲程中，活塞上升压缩气缸内的气体，使气体内能增大，即机械能转化为内能；做功冲程中，高温高压的燃气推动活塞向下运动，内能转化为机械能．故选：C．如图所示是四冲程汽油机的一个工作循环示意图，其中属于做功冲程的是（）A．B．C．D．分析：汽油机的四个冲程是吸气、压缩、做功和排气冲程．吸气冲程进气阀打开，排气阀关闭，活塞向下运动；压缩冲程两个气阀都关闭，活塞向上运动；做功冲程两个气阀都关闭，活塞向下运动；排气冲程排气阀打开，进气阀关闭，活塞向上运动．解：A、两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以是压缩冲程；B、一个气阀打开，活塞向上运动，所以是排气冲程；C、两个气阀都关闭，活塞向下运动，所以是做功冲程；D、一个气阀打开，活塞向下运动，所以是吸气冲程．故选C．【解题方法点拨】根据各冲程的特点确定是哪一个冲程，一般从2个方面突破：①看进气门和排气门的开、闭．进气门开的为吸气冲程，排气门开的为排气冲程，进气门和排气门都闭合为压缩或做功冲程②看活塞的运动方向．活塞向下运动为吸气或做功冲程，活塞向上运动为压缩或排气冲程．二、热机的效率1.热机的效率（1）定义：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率，其表达式为：η=W/Q×100%．由于热机在工作过程中总有能量损失，所以热机的效率总小于1．（2）热机在工作过程中造成能量损失的因素有：①燃料很难全部燃烧；②排出的废气带走能量；③热机部件要散热；④克服运转机件之间的摩擦消耗能量．（3）提高热机效率的方法：①尽量让燃料充分燃烧；②设法利用废气的能量；③减少能量损失；④保证良好的润滑．第一类常考题：为了节约能源，需提高热机的效率，下列措施中不能提高热机效率的是（）A．尽量使燃料充分燃烧B．尽量增加热机的工作时间C．尽量减少废气带走的热量D．尽量减少热机部件间的摩擦分析：要解决此题，需要掌握热机的效率的概念．热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比．比值越大，效率越高．解：热机效率是指热机有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比．所以减少热量的损失可以提高热机的效率．所以使燃料充分燃烧、减少废气带走的热量、减少热机部件间的摩擦都可以减少热量的损失，提高效率．增加热机的工作时间，并不能减少热量的损失，所以不能提高热机的效率．故选B．点评：此题通过考查影响热机效率的几个因素，考查了学生对热机效率的理解．要知道要想提高热机的效率，就要减少热量的损失．第二类常考题：关于热机的效率，下列说法中正确的是（）A．热机做的有用功越多，效率一定越高B．热机消耗的燃料越少，效率一定越高C．热机做一定的有用功，消耗的燃料越少，效率一定越高D．热机做功越快，效率一定越高分析：热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比．功率是表示物体做功快慢的物理量．解：热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比；当热机做一定的有用功，消耗的燃料越少，效率一定越高；当热机消耗的燃料一定，做的有用功越多，效率就一定越高；故选项A、B错误；热机做功越快，表示热机的功率越大，与效率无关；故选项D错误；故选C．点评：本题主要考查了热机的效率以及影响热机效率的因素，并且考查了热机效率与功率的区别．【解题方法点拨】对于热机效率可与机械效率进行对比理解，热机效率是衡量热机性能好坏的一个重要参数，要提高热机的效率就是要提高热机用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，并且热机的效率总小于1．10110ab5b11-5da6-3.燃料的热值（1）概念：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值，用q来表示，于气体燃料而言，热值的定义是1m3的某种燃料完全燃烧时放出的热量．热值是燃料的一种属性．（2）单位：（J/kg）（3）公式：Q=mq（m为燃料的质量，q为燃料的热值，Q为燃烧放出的热量）．（4）热值的物理意义：热值表示一定质量的燃料在完全燃烧时所放出的热量的多少，如木炭的热值为3.40×107J/kg．同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值不同．第一类常考题：对于燃料的