08热机、能量的转化和守恒（基础） 知识讲解含练习

PAGE热机、能量的转化和守恒（基础）

【学习目标】

1．了解内能的利用在人类社会发展史上的重要意义，知道常见的热机——内燃机工作过程及其在历史、现实生活中的应用实例；

2．从能量转化的角度认识燃料的热值；

3．知道能量守恒定律，并能用能量转化与守恒的观点分析物理现象；

4．通过能量的转化和转移，进一步认识效率的概念。

【要点梳理】要点一、热机（高清课堂《热机、能量的转化和守恒》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）内燃机的四个冲程：活塞在气缸内往复运动，从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程，汽油机是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的。在一个工作循环中，汽缸内的活塞往复两次，曲轴转动两周。四个冲程中只有做功冲程燃气对外做功，其他三个冲程都是靠飞轮惯性完成的。一个工作循环有两次能量转化，在压缩过程中，机械能转化为内能，在做功过程中，内能转化为机械能。柴油机汽油机柴油机汽油机（4）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、轮船等重型机械要点二、热值我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，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。要点三、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。例如加润滑剂以保证良好的润滑，减小摩擦；运动零件之间的间隙要调整得当，减小摩擦和防止漏气。

③充分利用废气带走的能量。例如热电站就是利用废气来供热的，这种既供电又供热的热电站，比一般的火电站，燃料的利用率将大大提高。要点四、能量的转化和守恒（高清课堂《热机、能量的转化和守恒》三、能量的转化和守恒定律）1．常见的能量形式有：机械能、内能、电能、光能、化学能等。这些不同形式的能在一定的条件下可以相互转化。如摩擦生热是机械能转化为内能；水电站里的水轮机带动发电机发电是机械能转化为电能。

2．能量的转化和守恒定律：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。要点诠释：定律中能的转化，是指通过做功，能的形式发生了变化，一种形式的能转化为另一种形式的能。如钻木取火，就是通过克服摩擦做功，使机械能转化为内能。能的转移，是指同一种能从一个物体转移到另一个物体上，能的形式没有变化，如热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体。【典型例题】类型一、热机1、下列现象中，利用内能做功的是（）A．冬天在户外时两手相互搓一会儿就暖和了B．刀在砂轮的高速摩擦之下溅出火花C．火箭在“熊熊烈火”的喷射中冲天而起D．盛夏在烈日之下的柏油路面被晒熔化了【思路点拨】本题抓住内能的两个应用：一、利用内能做功；二、利用内能加热物体。【答案】C【解析】A、冬天在户外时两手相互搓一会儿就暖和了，属于利用内能加热物体，不符合题意。B、刀在砂轮的高速摩擦之下溅出火花，属于利用内能加热物体，不符合题意。C、火箭在“熊熊烈火”的喷射中冲天而起，利用内能做功，符合题意。D、盛夏在烈日之下的柏油路面被晒熔化了，属于利用内能加热物体，不符合题意。【总结升华】内能的两个应用：加热、做功。举一反三：【变式】在下列各种过程中，利用内能加热的是（）A．火箭将卫星搭载上天B．喷气式客机载人飞翔C．利用拖拉机耕地D．烧水饮用【答案】D2、（•营口三模）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。【思路点拨】总结汽油机和柴油机的异同点：①相同点：四个冲程相同，能的转化相同；②不同点：①吸入的物质不同；②结构不同；③压强不同，效率不同；④点火方式不同。【答案】喷油嘴；火花塞；空气与汽油的混合物；空气【解析】（1）汽油机和柴油机在构造上的区别是：汽油机顶部有个火花塞，柴油机顶部有个喷油嘴；（2）在吸气冲程里，汽油机吸入气缸的是汽油和空气的混合物，而柴油机吸入的是空气，故答案为：喷油嘴；火花塞；空气与汽油的混合物；空气。【总结升华】此题考察内燃机的工作原理，属基础题。举一反三：【变式】（高清课堂《热机、能量的转化和守恒》例2）下面是汽油机工作的四个冲程，其中将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【答案】B类型二、燃料的热值和热机效率3、（•大连中考）某工厂利用地热温泉水辅助冬季供暖．地热温泉每天出水量为2.5×104kg，温泉水的初温是80℃，供暖后温度降低到40℃．温泉水的比热容是4.2×103J/（kg•℃）。试求：

（1）这些温泉水每天放出的热量是多少？

（2）若这些热量由热值为3.0×107J/kg的焦炭提供，至少需要完全燃烧多少千克的焦炭？【答案与解析】（1）温泉水放出的热量：Q放=c水m水△t=4.2×103J/（kg•℃）×2.5×104kg×（80℃-40℃）=4.2×109J；

（2）由题知，Q放=Q吸=4.2×109J，由Q放=mq得需要焦炭的质量：。答：（1）这些温泉水每天放出的热量是4.2×109J；（2）若这些热量由热值为3.0×107J/kg的焦炭提供，至少需要完全燃烧140kg的焦炭。【总结升华】本题考查了学生对物体放热公式和燃料完全放热公式的掌握和运用，属于基础题目。举一反三：【变式】有关热值的概念，下列说法中正确的是（）

A、燃料完全燃烧时，它的热量最大

B、没有燃烧的燃料，热值等于零

C、燃料燃烧时放出的热量越多，热值越大

D、燃料的热值与燃烧情况无关【答案】D4、（•宜昌中考）为节约能源，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．尽量减少热机部件间的摩擦 C．尽量减少废气带走的热量 D．尽量增加热机的工作时间【思路点拨】在热机中，用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫热机的效率；提高热机效率的方法有：使燃料尽可能充分燃烧；减少运动部件摩擦发热的损失；减少废气带走的热量。【答案】D【解析】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。【总结升华】增强节能意识，提倡低碳生活，提高能源利用率。举一反三：【变式】甲柴油机的效率比乙柴油机的效率高，这表明（）A．甲的功率比乙的大B．甲做的功比乙的多C．甲消耗的柴油比乙的少D．甲柴油机内能转化为机械能的百分比大【答案】D类型三、能量守恒定律5、学习了“能量的转化和守恒”的知识后，同学们提出了下面的一些关于利用和开发能源的建议，其中不可行的是（）A．我国煤炭资源丰富，应研究并采用如何让燃料充分燃烧，以减少热量损失的措施B．电力部门应加快进行将内能直接转化为电能的研究，以减少内能在多次转化过程中的损失C．我国应进一步开发利用江河水利资源D．随着资源的不断消耗，应研究出一种既可以不消耗或少消耗能量，又能不断对外多做功的机器【答案】D【解析】A、煤炭在燃烧的过程中，由于燃烧不够充分，导致散失的热量较多，故研究并采用如何让燃料充分燃烧，以减少热量损失的措施是必要的，此项说法正确；B、现在我国的发电主要是火力发电，故研究内能直接转化为电能，以减少内能在多次转化过程中的损失，也是非常必要的．此项说法正确；C、根据我国地利特点，进一步的开发潮汐能，也是可行的．此项说法正确；D、能量既不会消灭，也不会产生，能量在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变；此项说法错误。【总结升华】此题只要考查学生对能量守恒定律的理解，解答时把握好：能量既不能凭空产生也不能凭空消失，总是由一种能量转化为另一种能量，在转化的过程中能的总量保持不变。【巩固练习】一、选择题1、在农业生产中，为了保证秧苗夜间不致受冻，傍晚时要向秧田里多灌些水，这是因为水（）A、密度大B、比热容大C、温度高D、热膨胀大2、（•当涂县一模）关于燃料和热值，以下说法正确的是（）A．燃料热值与燃料的质量无关B．容易燃烧的燃料，热值一定大C．煤的热值大于干木柴的热值，燃烧煤放出的热量比燃烧木柴放出的热量一定多D．为了提高锅炉的效率，一定要用热值高的燃料3、（•贵港中考）如图所示是四冲程汽油机的其中一个冲程的剖面图，下列说法正确的是（）A、该冲程是压缩冲程B、该冲程中活塞向上运动C、该冲程是内能转化为机械能的过程D、该冲程是机械能转化为内能的过程4、两部汽油机A和B，若A的功率较大，A的效率也较高，使A、B完成相等的有用功，则()

A、A汽油机消耗的汽油较少，用的时间较短

B、B汽油机消耗的汽油较少，用的时间较短

C、A、B二汽油机消耗的汽油一样多，用的时间一样长

D、无法确定5、（•玉林二模）以下现象中，由内能转化为其他形式能的现象是（）A、刀在磨刀石上被磨得发烫B、雨滴从高空下落时温度会升高C、用电熨斗熨衣服D、被加热的试管中的水蒸气膨胀做功，把管塞推出管口二、填空题6、内能的利用途径主要有两种，一是给物体________，二是利用内能来________。热机就是把________能转化成________能的机器。7、（•永修县校级一模）常见汽车的动力机械是内燃机，从能量转化的角度来看，内燃机是把________能转化为________能的机器，内燃机的效率较低，它在工作过程中，能量大部分以________能的形式耗散掉。8、四冲程内燃机由________、________、________和________四个冲程组成一个工作循环，只有________冲程把内能转化成机械能，其他三个冲程都是靠________来完成的。9、物理学中，把________的某种燃料________燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值。热值的单位是________。10、在热机中，用来做________的那部分能量与燃料________的能量之比叫热机的效率，可用公式________来计算。热机效率总小于________。11、某瓶煤油的燃烧值是4.6×107焦/千克，它的物理意义是____________。如果将瓶中的煤油倒去一半，剩下煤油的燃烧值为____________。12、（•菏泽中考）世界上很多发明都是受到生活现象的启发而蒙生的创意，比如：蒸汽机和汽油机，它们工作时，能的转化过程是。图中是汽油机的工作原理图。13、质量为10千克的汽油，用去1/3后，剩下汽油的密度将________、比热容将________、热值将________。(填“变大”“变小”或“不变”)14、一台内燃机运行时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占25%，废气带走的能量占30%，摩擦等机械损耗占10%，则它的热机效率为________。三、计算题15、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）。【答案与解析】一、选择题1、【答案】B【解析】白天，在太阳光的照射下，田里水的温度升高，傍晚时，将这些温度较高的水灌入秧田里，夜晚温度下降，水的温度降低，由于水的比热容大，所以能放出较多的热量，从而保护秧苗夜间不致受冻。2、【答案】A【解析】A、热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等均无关，故A正确；B、热值大小与燃料是否容易燃烧无关，故B错误；C、燃料燃烧放出热量的多少不仅与燃料的热值大小有关，还与燃料的质量以及燃烧程度有关，故C错误；D、锅炉的效率与燃料的热值高没有关系，故D错误；故选：A。3、【答案】C【解析】根据图示可知，两个气门都关闭，火花塞点火，活塞向下运动，气缸容积增大，因此是做功冲程。在做功冲程中将内能转化为机械能，故A、B、D错，C正确。4、【答案】A【解析】A、B二汽油机完成的有用功相同的情况下，因A汽油机效率较高则必然消耗较少的汽油，又因它功率较大做功所用的时间比较短。5、【答案】D【解析】A、磨刀时就是利用刀和磨刀石之间的摩擦做功来改变内能的，是机械能转化为内能；

B、雨滴从高空下落时，克服雨滴和空气之间的摩擦力做功，机械能转化为内能；

C、用电熨斗熨衣服，是利用热传递改变衣服的内能，是内能的转移；

D、水蒸气膨胀做功，将管塞推出，是内能转化为机械能。故选D。二