第4课机械能与内能的相互转化（原卷版）

第4课机械能与内能的相互转化学习目标学习目标了解改变内能的另一种方式：做功知道常见的热机——内燃机工作过程及其在历史、现实生活中的应用实例；熟练掌握汽油机的四个冲程；从能量转化的角度认识燃料的热值，并掌握其计算通过能量的转化和转移，进一步认识效率的概念。002预习导学改变内能的另一种方式：做功做功改变物体的内能做功可以改变内能：对物体做功物体内能会，（例如：摩擦生热）物体对外做功物体内能会例如：通过活塞向盛有水的烧瓶里打气，当活塞从瓶口跳起时，烧瓶中出现“白雾”）。做功改变内能的实质是内能和其他形式的能的。如果仅通过做功改变内能，可以用度量内能的改变大小。(W＝△E)实质：能量从（其它形式的能）转化为（内能）。做功和热传递改变内能的区别由于它们改变内能上产生的效果相同，所以说做功和热传递改变物体内能上是等效的。但做功和热传递改变内能的实质不同，前者能的形式发，后者能的形式。热传递是能量的，做功是能量的。这两种方法对改变物体内能是。热值我们把某种燃料完全燃烧放出的与其之比，叫做这种燃料的热值。单位是：J/㎏。燃料完全燃烧释放出的热量公式为：。气体燃料完全燃烧释放出的热量公式也可为：。其中，Q放表示燃料完全燃烧放出的热量，单位是J；q表示燃料的热值，单位是J/kg；m表示质量，单位是kg。V表示体积，单位是ｍ3。说明：①中的公式对固体、液体、气体、均适用。②只对气体适用。两个公式的得出都是根据热值的定义式得到的。热机热机定义：热机是利用内能来做功，把转化为的机器。热机的种类：蒸汽机、内燃机(汽油机和柴油机)、汽轮机、喷气发动机等①冲程：活塞在汽缸内往复运动时，从汽缸一端运动到另一端的过程，叫一个冲程。工作过程：内燃机的一个工作循环由、、、四个冲程组成。在单缸四冲程内燃机中，吸气、压缩、做功、排气一个工作循环，每个工作循环，活塞上下。三、热机效率概念：用来W与Q之比。数学表达式：η＝×100%提高热机效率的途径减少各种热量损失；减少摩擦，保持良好的润滑；尽可能使燃料充分燃烧。003探究提升知识点一：改变内能的另一种方式：做功图甲看到棉花燃烧起来了，这是因为活塞压缩空气做功，使空气内能增加，温度升高，达到棉花燃点使棉花燃烧。钻木取火：使木头相互摩擦，人对木头做功，使它的内能增加，温度升高，达到木头的燃点而燃烧。图乙看到当塞子跳起来时，容器中出现了雾，这是因为瓶内空气推动瓶塞对瓶塞做功，内能减小，温度降低，使水蒸气液化凝成小水滴。【探究重点】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。【例题精讲】（2023·安徽淮北·统考一模）“摩擦生热”是生活中常见的现象，关于该现象，下列判断正确的是（）A．“摩擦生热”中的“热”是指热量B．“摩擦生热”是通过做功的方式改变物体的内能C．“摩擦生热”的能量转化与四冲程汽油机做功冲程相同D．“摩擦生热”的实质是内能的转移【巩固训练】（2022·四川乐山）下列说法正确的是（）。A.“钻木取火”是通过做功来改变物体的内能；B.内燃机的吸气冲程是将内能转化为机械能的过程；C.物体的质量越大比热容越大；D.0℃的冰没有内能知识点二：热值内能的获得——燃料的燃烧——化学能转化为内能。热值(q)定义：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值。单位：J/kg公式：Q＝mq（煤气的热值是3.9×107J/m3，它表示：1m3煤气完全燃烧放出的热量是3.9×107J。火箭常用液态氢做燃料，是因为：液态氢的热值大，体积小便于储存和运输。注意：①对于热值的概念，要注重理解三个关键词“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg是针对燃料的质量而言，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不是热值。某种燃料：说明热值与燃料的种类有关。完全燃烧：表明要完全烧尽，否则1kg燃料化学能转变成内能就不是该热值所确定的值。②热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小，也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关。【探究重点】燃料燃烧放出的热量与①燃料的种类；②燃料的质量；③燃料是否充分燃烧等因素有关固体或液体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。气体燃料完全燃烧释放出的热量公式也可为：Q放=qV。其中V为燃料的体积，q为燃料的热值。【例题精讲】（2022·湖北宜昌）关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（）。A.没有燃烧的燃料，热值等于零；B.燃料完全燃烧时，它的热值最大；C.燃料的热值与质量和燃烧状态无关；D.燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多【巩固训练】甲、乙、丙三个装置完全相同，燃料的质量、烧杯内液体初温和质量也相同，不考虑热量损失且液体均未沸腾，下列选项正确的是()A．对比甲、乙两图：如果燃料2的热值较高，最终乙图中a液体内能较大B．对比乙、丙两图：根据液体a、b最终升温，可以比较两种液体的比热容C．对比乙、丙两图：若液体b最终升温较高，则燃料1的热值较大D．对比甲、丙两图：若液体b的比热容比a大，则升高相同的温度，液体a加热时间长知识点三：热机热机：利用内能做功的机械叫热机。热机的种类：分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。内燃机根据其所使用的燃料分为汽油机和柴油机两类。内燃机的工作原理汽油机：四冲程汽油机的结构—汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞。冲程—活塞在气缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。汽油机的工作过程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。吸气冲程—靠惯性运动，吸进汽油与空气的混合物；压缩冲程—外界对气体做功，机械能转化为内能，气体温度升高；做功冲程—化学能转化为内能，气体温度升高，气体对外做功，内能转化为机械能；排气冲程—靠惯性运动，排出废气。柴油机：四冲程柴油机的结构—汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、喷油嘴。柴油机的工作过程与汽油机几乎一样，但有三个区别：1）吸气冲程：汽油机吸进的是汽油和空气的混合物，柴油机吸进的仅仅是空气；2）压缩冲程：汽油机压缩的是汽油和空气的混合物，汽油机压缩的仅仅是空气；3）做功冲程：汽油机用火花塞点火，柴油机用喷油嘴喷油。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【探究重点】在单缸四冲程内燃机中，吸气、压缩、做功、排气4个冲程为一个工作循环，每个工作循环曲轴转2周，活塞上下往复2次，做功1次。【例题精讲】（2022·山东泰安）如图所示，用酒精灯给试管中的水加热，水温上升，直至沸腾一段时间后，会看到试管口的橡皮塞被冲出。下列描述正确的是（）。A.试管中的水在升温过程中是通过做功的方式增加内能的；B.试管中的水沸腾时吸收热量，温度升高；C.水蒸气对橡皮塞做功，水蒸气的内能增加；D.水蒸气对橡皮塞做功，其能量转化与汽油机做功冲程的能量转化相同【巩固训练】如图为汽油机工作循环中的两个冲程，关于这两个冲程的说法正确的是()A．甲图所示冲程中，汽缸内物体的内能不变B．甲图所示冲程发生的能量转化主要是机械能转化为内能C．乙图所示冲程是靠飞轮的惯性完成D．乙图所示冲程为压缩冲程知识点四：热机的效率燃料的利用率：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。热机的效率是热机性能的一个重要指标。汽车发动机的效率、飞机发动机的效率、轮船发动机的效率均属于热机的效率，其公式为η=炉具的热效率：天然气燃烧放出的热量是炉具提供的总热量，Q总=Q放，水吸收的热量是有用的热量Q有=Q吸，则η=。电热水器的效率：电热丝所产生热量为Q总，总=Q放，水需要吸收热量为Q有，有=Q吸，则η=。如果题中物体吸热只吸收了电阻放热的80%，则可列方程Q吸=80%Q放，所求量一定在此方程中，用电器的效率问题也可迎刃而解。（具体参考九下电学部分）如果物体吸收的热量完全由另外燃料燃烧获得，则可用Q吸=cm(tto)和Q放=mq结合Q吸=Q放来求出所要的物理量。如果物体吸收的热量只吸收了燃料完全燃烧的80%，则可列方程Q吸=80%Q放，燃料的热效率问题也可迎刃而解。其它方面与热有关的问题按以上思路都会找到解题技巧。注意：在计算时，题中各个物理量要一一对应，并且都要化为国际单位。影响燃料利用率的因素有：一是燃料不可能完全充分燃烧，二是燃料燃烧放出的热量大部分被散失掉了，只有一小部分被有效利用。热机的效率：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。热机的效率是热机性能的一个重要指标。公式：（）<1。在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。注意：热机能量的损失：①燃料未完全燃烧（完全燃烧条件：充足空气，研磨成细颗粒）；②废气排出带走能量（废气的利用）；③克服磨擦，消耗能量（使用润滑剂，减小摩擦）。提高热机效率的主要途径：①使燃料充分燃烧；②尽量减少各种损失；③在热机的时间和制造上，采用先进的技术；④保证良好的润滑，较小摩擦阻力。【探究重点】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。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。【例题精讲】（2022·湖南衡阳）汽车的发动机大多数是内燃机，内燃机是热机的一种，下列关于热机和环境保护的说法，正确的是（）。A.热机排出的尾气没有内能 B.热机的效率能达到100%C.热机的大量使用会造成环境污染 D.汽油机的做功冲程是将机械能转化成内能【巩固训练】（2022·四川自贡）关于能量守恒定律，下列说法正确的是（）。A.能量可以凭空消失；B.能量可以凭空产生；C.能量在转化和转移过程中，能量的总量保持不变；D.热机在工作的过程中不遵循能量守恒定律知识点五：内能与机械能的转化【探究重点】能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变。能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体，小到原子核，也无论是物理学问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都遵从能量守恒定律。【例题精讲】（2023·北京通州·统考一模）关于内能和机械能，下列说法中正确的有（）A．物体内能增加，温度不一定升高 B．机械能总是守恒的C．做功是改变物体内能的一种方式 D．机械能和内能可以相互转化【巩固训练】1964年人类制成了世界上第一盏用海浪发电的航标灯，如图所示是它的气室示意图。它是利用海浪上下起伏的力量将空气吸入气室，压缩后再推入工作室，然后被压缩的空气推动涡轮机带动发电机发电。下列说法正确的是()A．当K1关闭，K2开启时，空气的内能转化为海水的机械能B．当K1关闭，K2开启时，海水的机械能转化为空气的内能C．当K1开启，K2关闭时，空气的内能转化为海水的机械能D．当K1开启，K2关闭时，空气的内能转化为涡轮机的机械能00601强化训练物体的内能是通过做功方式来改变的是()A．金属汤勺放到热汤中，温度升高 B．食品放进冰箱，温度降低C．取暖器旁的物体温度升高 D．反复弯折铁丝，温度升高（2023年滨州）下列说法中正确是（）A.物体吸收热量，温度一定升高B.冬季取暖用水作为传热介质，是利用了水的比热容大的性质C.四冲程内燃机工作时，压缩冲程将机械能转化为内能D.热机效率越高，功率一定越大如图为柴油机的四个冲程示意图，但顺序不对，下列相关说法不正确的是()A．甲图冲程中是吸气冲程，吸进气缸的只有空气B．乙图冲程中燃料释放的能量绝大部分转化为机械能C．在一个工作循环内，正确的顺序是甲→丙→乙→丁D．若它的曲轴转速是1800r/min，则每钟对外做功15次关于热机的效率，下列说法正确的是（）A．总功一定，额外功越少，效率就越高B．热机做的有用功越多，效率就越高C．热机消耗的燃料越多，效率就越低D．热机的功率越大，效率就越高（2023·辽宁大连·统考一模）用打气筒向广口瓶内打气，当瓶塞跳起来时，瓶内出现了“白雾”。此时，迅速塞上瓶塞，继续向瓶内打气，如图所示，瓶内的“白雾”又会快速消失。请解释“白雾”又快速消失的原因。（2022·山西省）热机的效率是衡量汽车发动机性能的关键指标。2020年9月，我国潍柴集团发布全球首款热机的效率突破50%的商业化柴油机，这一成果的意义犹如人类历史上首次百米赛跑突破10s。立志成为汽车设计师的小明，也想设计改造发动机，使热机的效率达80%。考虑影响热机效率的因素，你认为小明可以在哪些方面改进创新？___________。假如小明的设想实现了，会给我们的生活带来哪些影响？___________。（写出一条即可）冬天搓手会让手暖和，哈气也会使手暖和，前者是通过___________改变的内能，后者是通过___________改变内能的。关于燃料的热值，某同学做了以下实验，如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同。燃料的质量都是10g，烧杯内的液体质量也相同。①比较不同燃料的热值，应选择______两图进行实验；②假如燃料1为酒精，其热值为3.0×107J/kg，完全燃烧10g酒精放出的热量为______J；③假如液体a为水，小明根据实验数据利用公式算出了水吸收的热量，结合“10g酒精”这一数据算出了酒精的热值，这样做是______(选填“可靠”或“不可靠”)的理由是：______。（2022·湖北宜昌）关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（）。A.没有燃烧的燃料，热值等于零；B.燃料完全燃烧时，它的热值最大；C.燃料的热值与质量和燃烧状态无关；D.燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多（2022·广东广州）下列选项可能符合汽车等热机能量流向的是（）。A. B.C. D.（2022·江苏·苏州市振华中学校模拟预测）如图是“探究不同物质吸热升温的现象”和“比较不同燃料燃烧时放出的热量”的甲、乙两组实验装置，下列关于该两组实验的说法正确的是（）A．每组实验中，燃料的质量均应相等B．每组实验中，杯中物质的质量均应相等C．甲组实验中，可以根据温度计示数的变化来比较吸热的多少D．乙组实验中，可以根据加热时间的长短来比较吸热的多少现有两个使用同一种燃料的加热器，用它们分别对甲、乙两种不同的物质加热。已知甲物质的比热是乙物质的2倍，甲物质的质量是乙物质的，当甲物质升高的温度是乙物质的时（甲、乙物质的物态都不发生改变），加热甲物质所用燃料是加热乙物质的，则两加热器利用热能的效率之比是（）A．1：1 B．1：2 C．3：2 D．2：1（2022·福建省）如图是我国古代发明的取火器的模型图，把木制推杆迅速推入牛角套筒时，杆前端的艾绒立刻燃烧起来，这是通过______的方式，使筒内空气内能______，温度升高，达到艾绒的着火点。如图，汽车内燃机一个工作循环包括四个沖程，正常工作的四个冲程的顺序是______（对甲、乙、丙、丁重新排序），______冲程中内燃机给汽车提供动力，此冲程中能量的转化是______。飞轮的转速为3600r/min，则每秒钟汽油机对外做功______次，活塞往复运动______次。如果这辆汽车每年耗油1.8t，汽车内燃机的效率平均取值29%，如果能把内燃机效率提高1%，我国汽车现在的保有量按3亿辆计算，我国每年可以节约______t燃油。

(1)下面表格是几种燃料的热值，则m1:m2=_________；物质热值1000kJ/kg焦炭30酒精30煤油46汽油46(2)质量为m1的焦炭完全燃烧释放的热量全部被140g的液体L吸收，液体温度升高了40℃；质量为m2的酒精完全燃烧释放的热量全部被70g的液体L吸收，液体温度升高了△t=______℃。(不考虑散热，液体L均未沸腾)(3)现用如图装置加热70g的液体L，燃烧了质量为m2的酒精，液体升高的温度小于△t，有哪些原因会导致这个结果？____________________（2022·湖南郴州）水壶内的水沸腾时，壶盖被水蒸气顶起，此过程中能量转化关系与内燃机工作的哪个冲程相同（）。A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程（2022·四川乐山）下列说法正确的是（）。A.“钻木取火”是通过做功来改变物体的内能；B.内燃机的吸气冲程是将内能转化为机械能的过程；C.物体的质量越大比热容越大；D.0℃的冰没有内能（2022·湖北十堰）为实现国家关于“碳达峰”“碳中和”目标，东风汽车集团研发了一款新型汽车。与某款汽车同样油耗和