14.1 热机（5大题型）（含答案解析）

14.1热机知识点1热机1、实验探究：利用内能可以做功①过程：用酒精灯给试管里的水加热。②现象：水被加热到一定程度后，软木塞飞出，管口有“白气”产生。③结论：酒精燃烧，化学能转化为水和水蒸气的内能，水蒸气对软木塞做功，又将内能转化为机械能。同时，水蒸气内能减小，温度降低，水蒸气液化成小水滴，在瓶口产生“白雾”。2、热机①概念：利用内能做功的机械。常见的有蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。②工作原理：燃料的化学能→内能→机械能。③最常见的热机—内燃机：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机。分为汽油机和柴油机两大类。知识点2汽油机1、构造汽缸上部有进气门和排气门，顶部有火花塞，下部有活塞，活塞用连杆跟曲轴相连。2、工作过程①冲程：活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程。②四冲程汽油机的一个工作循环由四个冲程组成，分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。汽油机通过四个冲程的不断循环来保证连续工作。③工作过程过程吸气冲程压缩冲程做功冲程排气冲程图示气门进气门打开，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能量转化无机械能转化为内能内能转化为机械能无作用吸入汽油和空气的混合物压缩汽油和空气的混合物高温高压的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汽缸知识点3柴油机1、构造柴油机的构造与汽油机的相似，不同的是柴油机汽缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴。2、应用柴油比较便宜，但柴油机比较笨重，噪音大，主要用在载重汽车、拖拉机、坦克上。3、汽油机与柴油机的异同柴油机汽油机不同点燃料柴油汽油构造顶部是喷油嘴顶部是火花塞点火方式压燃式点燃式吸气冲程吸入的是空气吸入的是空气和汽油的混合物压缩冲程压缩程度较大压缩程度较小做功冲程喷出的雾状柴油遇到高温高压的热空气燃烧火花塞产生电火花，使混合物燃烧主要特点笨重，输出功率大轻巧，输出功率小相同点工作循环一个工作循环都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成的，同时曲轴转两周，活塞往复运动两次，对外做功一次1、内燃机工作循环的比例关系内燃机的一个工作循环完成四个冲程，曲轴和飞轮转动两周，活塞往返两次，对外做功一次，即1：4：2：2：1。2、内燃机与功和压强的综合计算方法设活塞的面积为S，个冲程活塞在汽缸中移动的距离是l，气体对活塞的平均压强为p，飞轮转速为N，则做功冲程中推动活塞做的功W=Fs=Fl=pSl。因为转速为N，则每秒对外做功N题型一热机的工作原理【例1】（23-24九年级上·广西桂林·期中）科幻大片《流浪地球》中地球为了脱离木星，主人公点燃了木星上的可燃气体，从而将地球推离木星，其中“点燃木星将地球推开”的过程，相当于热机的做功冲程。下列机器中，不属于热机的是（）A．洗衣机 B．柴油机 C．火箭 D．蒸汽轮机【答案】A【解析】A．洗衣机是将电能转化为机械能，不是热机，故A符合题意；B．柴油机是将内能转化为机械能，属于热机，故B不符合题意；C．火箭是将内能转化为机械能，属于热机，故C不符合题意；D．蒸汽轮机是将内能转化为机械能，属于热机，故D不符合题意。故选A。【变式1-1】（23-24九年级上·辽宁阜新·期中）2021年6月17日，我国运载火箭将“神舟十二号”载人飞船准确送入预定轨道。火箭加速上升时将能转化为能；火箭热机（选填“属于”或“不属于”）。【答案】内机械属于【解析】[1][2][3]火箭喷气式发动机靠燃烧燃料获得内能，将燃料燃烧的内能转化为火箭运动的机械能，属于热机。【变式1-2】（23-24九年级上·广东佛山·阶段练习）如图所示，给试管内的水加热，水沸腾后，在水蒸气推动活塞迅速冲出试管口这一过程中，下列说法正确的是（）A．图中所示实验揭示了热机的工作原理B．图中所示实验揭示了机械能转化成内能C．试管内水蒸气的内能增加D．管口的“白气”为热的水蒸气【答案】A【解析】AB．活塞冲出的过程中，水蒸气的内能转化为塞子的机械能，能量转化情况与内燃机做功冲程相同，即揭示了热机的工作原理，故A正确，B错误；C．活塞冲出的过程中，水蒸气的内能转化为塞子的机械能，同时水蒸气的内能减小、温度降低；故C错误；D．活塞冲出试管口出现“白雾”，是水蒸气液化为小水珠漂浮在空中形成的，故D错误；故选A。【变式1-3】（2022·山西·三模）如图所示，课外综合实践活动小组的同学们用酒精灯加热水到一定程度时，试管中喷出水蒸气，下列有关说法正确的是（）A．实验过程中“白雾”弥漫在试管口属于扩散现象B．水蒸气驱动小风车转动的过程水蒸气内能增大C．酒精灯通过热传递的方式使水的内能增大D．此实验过程的能量转化与热机压缩冲程相同【答案】C【解析】A．实验过程中“白雾”是喷出的水蒸气遇冷液化形成的小水珠，不属于扩散现象，故A错误；B．水蒸气驱动小风车转动时，水蒸气对外做功，则水蒸气的内能减少了，故B错误；C．用酒精灯给水加热时，是通过热传递的方式使水的内能增大，故C正确；D．热机在做功冲程中内能转化为机械能，压缩冲程是机械能转化为内能，故D错误。故选C。【变式1-4】（2024·广东惠州·三模）如图，图（选填“B”或“C”）是热机的原理图。图A是汽油机的冲程，与它改变内能方式相同的是图所示的演示实验。【答案】C做功C【解析】[1]B图是用力将活塞压下，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，是通过对物体做功来增大物体内能的，即是将机械能转化为内能的过程；C图对试管中的水加热，加快水的汽化，使试管中水的内能增大，体积膨胀，对外做功，使塞子飞出去，内能转化为塞子的机械能；热机就是利用内能来做功的机器，故C图是热机的原理图。[2]图A中，两气门都关闭，火花塞点火，活塞下行，是做功冲程，此冲程将内能转化为机械能。[3]汽油机的做功冲程中将内能转化为机械能，因此与做功冲程原理相同的是C实验。题型二内燃机的工作过程和能量转化【例2】（2024·湖北荆州·三模）如图是两个演示实验的示意图，甲图是在一个配有活塞的厚壁玻璃筒里放一小团硝化棉，用力把活塞迅速下压，棉花就会立即燃烧；乙图是给试管里的水加热，水沸腾一段时间后，水蒸气推动橡胶塞迅速冲出试管口。根据实验现象判断，下列说法中错误的是（）A．甲图压下活塞的过程中，筒中气体的内能增大B．甲图中压下活塞过程的能量转化与热机压缩冲程的能量转化相同C．乙图中水蒸气推动橡胶塞冲出试管口过程的能量转化与内热机排气冲程的能量转化相同D．乙图中水蒸气推动橡胶塞冲出试管口的过程中，水蒸气内能减少，瓶口会出现白雾【答案】C【解析】AB．图甲所示，在一个配有活塞的厚壁玻璃筒中放一小团硝化棉，迅速向下压活塞，由于压缩玻璃筒内的空气对其做功，使得空气的内能增加，温度升高，故是将机械能转化为内能的过程，与内燃机的压缩冲程能量转化相同，故AB正确，不符合题意；CD．图乙所示，用酒精灯加热试管中的水，当水沸腾一段时间以后，橡胶塞被试管内水蒸气推出，即该过程中水蒸气的内能转化为橡胶塞的机械能，与热机做功冲程的能量转化相同，水蒸气的内能减小，温度降低，遇冷液化形成大量小水珠，就形成我们看到的白雾，故C错误，符合题意；D正确，不符合题意。故选C。【变式2-1】（23-24九年级上·湖南衡阳·期末）如图所示为四冲程内燃机四个冲程的示意图，箭头表示活塞的运动方向。请你结合气门的位置做出判断，下列说法中不正确的是（）A．甲冲程中将机械能转化为内能 B．丙冲程中将内能转化为机械能C．正确的工作顺序是：乙甲丙丁 D．甲、乙、丁三个冲程依靠飞轮惯性完成【答案】C【解析】甲图中两个气门都关闭，活塞向上运动，因此是压缩冲程，是将机械能转化为内能的过程。乙图中进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，因此排气冲程；丙图中两个气门都关闭，活塞向下运动，因此是做功冲程，是把内能转化为机械能的过程；丁图中进气门打开，排气门关闭，因此是吸气冲程。A．甲冲程是压缩冲程，即将机械能转化为内能，故A正确，不符合题意；B．丙冲程是做功冲程，即将内能转化为机械能，故B正确，不符合题意；C．正确的工作顺序是：丁甲丙乙，故C错误，符合题意；D．甲、乙、丁三个冲程依靠飞轮惯性完成，而丙冲程，即做功冲程是靠燃料燃烧释放能量提供动力的，故D正确，不符合题意。故选C。【变式2-2】（22-23九年级上·江西吉安·期中）如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下列说法正确的是（）

A．甲图冲程依靠惯性完成活塞运动时，燃气内能变大B．乙图冲程能获得动力C．丙图冲程存在化学能转化为内能的过程D．丁图冲程有明显机械能转化为内能的过程【答案】D【解析】A．甲图中两个气阀都关闭，火花塞点火，活塞向下运动，是做功冲程，此冲程将燃气的内能转化为机械能，故燃气的内能减小，故A错误；B．乙图中进气门打开，活塞向下运行，汽缸容积增大，是吸气冲程，而获得动力的是做功冲程，故B错误；C．丙图中排气门打开，活塞向上运动，汽缸容积减小，是排气冲程，不存在化学能转化为内能的过程，故C错误；D．丁图中两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程，是机械能转化为内能，故D正确。故选D。【变式2-3】（23-24九年级上·广东惠州·期中）内燃机的四个冲程中，冲程把机械能转化为内能，冲程把内能转化为机械能；并且四个冲程中，除了做功冲程对外做功，依靠飞轮的来完成。【答案】压缩做功惯性【解析】[1][2][3]压缩冲程机械能转化为内能，使气缸内汽油和空气的混合物内能增加，做功冲程中高温高压燃气推动活塞做功，把内能转化为机械能。汽油机的四个冲程，只有做功冲程把内能转化为机械能，对外提供动力，其它冲程是靠飞轮的惯性来工作的。【变式2-4】（23-24九年级上·江苏盐城·阶段练习）汽油机是热机的一种，汽油在气缸内燃烧时将能转化为内能，如图所示的是四冲程汽油机工作状态示意图，由图可以看出冲程，汽油机转速1800r/min，则该汽油机在1s内做了次功。【答案】化学做功15【解析】[1]汽油机工作时，汽油在汽缸内燃烧时，消耗化学能，产生内能，将化学能转化为内能。[2]从图中可以看出，进气门和排气门关闭，火花塞点火，活塞向下移动，可以判断这个冲程是做功冲程。[3]汽油机一个工作循环，飞轮转动两圈，对外做功一次。某单缸四冲程汽油机转速1800r/min，故汽油机在1s转30转。完成了15个循环，故该汽油机在1s内做了15次功。【变式2-5】（2024·广东清远·一模）如图甲所示是一台单缸四冲程汽油机工作状态示意图，此时它正处在冲程，其能量转化情况与（选填“乙”或“丙”）图相同，是将内能转化为能。【答案】做功乙机械【解析】[1][2][3]图甲中，汽油机两个气门都关闭，活塞向下运动，因此是做功冲程，内能转化为机械能；乙图中，燃着的酒精灯对试管中的水加热，加快水的蒸发，使试管中水的内能增大，体积膨胀，对外做功，使塞子飞出去，内能转化为塞子的机械能；丙图是用力将活塞压下，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，是通过对物体做功来增大物体内能的，即是将机械能转化为内能的过程；因此与做功冲程中能量转化情况相同的是乙图实验。题型三汽油机和柴油机的区别【例3】（24-25九年级上·山东滨州·开学考试）关于热机，下列说法正确的是（

）A．汽油机顶部有喷油嘴，柴油机顶部有火花塞B．汽油机和柴油机除了做功冲程外，其他三个冲程都是依靠飞轮的惯性完成的C．柴油机在吸气冲程中，将柴油和空气的混合气吸入气缸D．改正技术后，热机的效率可以达到100%【答案】B【解析】A．由汽油机和柴油机的结构可知，汽油机的顶部有火花塞，柴油机的顶部有喷油嘴，故A错误；B．汽油机和柴油机除了做功冲程外，其他三个冲程都是依靠飞轮的惯性完成的，故B正确；C．柴油机在吸气冲程中，只将空气吸入气缸，故C错误；D．热机在工作时不可避免地有能量的损耗与散失，故热机的效率不可能达到100%，故D错误。故选B。【变式3-1】（24-25九年级上·全国·课后作业）有关汽油机和柴油机的异同，下列说法错误的是（）A．汽油机与柴油机使用的燃料不同B．柴油机一般用于大型、重型机械，汽油机一般用于轻型、小型机械C．吸气冲程，汽油机吸入的只有空气，柴油机吸入的是柴油和空气的混合物D．柴油机压缩冲程末的温度比汽油机高【答案】C【解析】A．柴油机和汽油机都属于内燃机，汽油机与柴油机使用的燃料不同，柴油机使用柴油，汽油机使用汽油，故A正确，不符合题意；BD．柴油机属于压燃式，压缩冲程末的温度比汽油机高，燃料燃烧更完全，效率比汽油机高，所以柴油机一般用于大型、重型机械，汽油机一般用于轻型、小型机械，故BD正确，不符合题意；C．工作过程中，汽油机吸入的是空气和汽油的混合物，柴油机吸入的是空气，故C错误，符合题意。故选C。【变式3-2】（23-24九年级上·湖南郴州·期末）关于柴油机和汽油机的下列说法中正确的是（）A．汽油机顶部有喷油嘴，柴油机顶部有火花塞B．进、排气门同时关闭的冲程是做功冲程和压缩冲程C．柴油机在吸气冲程中将柴油和空气吸入汽缸D．柴油机的压缩冲程中，内能转化为机械能【答案】B【解析】A．汽油机顶部有火花塞，柴油机顶部有喷油嘴，故A错误；B．做功冲程和压缩冲程中，进气门和排气门都是关闭的，故B正确；C．柴油机在吸气冲程中将空气吸入汽缸，故C错误；D．柴油机的压缩冲程中，活塞对气缸内的气体做功，将机械能转化为内能，故D错误。故选B。【变式3-3】（多选）（23-24九年级上·山东青岛·阶段练习）汽油机和柴油机的主要不同点是（）A．在构造上汽油机汽缸顶部有火花塞，而柴油机的汽缸顶部有喷油嘴B．在吸气冲程中汽油机吸入汽缸的是汽油，柴油机吸入汽缸的是柴油C．在压缩冲程末汽油机用点燃式点火，而柴油机采用的是压燃式点火D．在做功过程中汽油机里的燃气温度和压强比柴油机里的高【答案】AC【解析】A．根据汽油机和柴油机的结构可知，汽油机汽缸顶部有火花塞，柴油机的汽缸顶部有喷油嘴，故A正确；B．汽油机在吸气冲程中吸入了汽油和空气的混合气体，柴油机吸入的只是空气，故B错误；C．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，温度升高达到柴油的着火点，柴油机气缸顶端有个喷油嘴，此时喷油嘴喷出雾状的柴油，柴油依靠压缩时内能增大，温度升高，达到柴油着火点而燃烧，点燃方式是压燃式；汽油机的压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，引燃汽油和空气的混合物，故为点燃式点火，故C正确；D．汽油机中在吸气冲程中，吸入的是汽油与空气的燃料混合物，而柴油机则吸入的是空气，由于柴油机吸入的是不可燃的空气，所以在压缩冲程中，柴油机可以压缩的程度更大，从而造成了其在做功冲程中燃气对活塞的压强更大，导致了其效率更高，故D错误。故选AC。【变式3-4】（2024·贵州遵义·模拟预测）如图是一种常用“柴油平板夯机”，广泛应用于路面施工、场地填土等多个方面。使用时柴油发动机提供动力，激荡器带动夯板上下运动。下列关于使用该夯机说法正确的是（）A．可通过火花塞点火启动B．发动机将内能转化为机械能C．利用水比热容小的特性降温D．行走轮辅助移动可减小压力【答案】B【解析】A．柴油机是压燃式点燃柴油，即通过压缩空气直接点燃柴油，故A错误；B．发动机的做功冲程将内能转化为机械能，从而提供动力，故B正确；C．利用水来降温，是因为水的比热容较大，与其它质量相同的液体相比，在吸收相同热量时，升温不明显，故C错误；D．行走轮的受力面积较大，可在压力一定时通过增大受力面积来减小压强，故D错误。故选B。【变式3-5】（22-23九年级上·广东佛山·期末）2020年，山东潍柴动力发布全球首款突破50%热效率的商业化柴油机。柴油机在冲程结束时，汽缸内空气超过了柴油的点，此时喷油嘴喷出的雾状柴油便立刻燃烧起来，然后通过做功冲程把高温高压气体的转化为机械能。【答案】着火内能【解析】[1][2]柴油机在吸气冲程中吸入空气，在压缩冲程中，压缩空气做功，机械能转化为内能，使空气内能增大，温度升高达到柴油的着火点，在压缩冲程结束时，喷油嘴喷出雾状的柴油，柴油燃烧产生高温高压的燃气推动活塞做功，内能转化为机械能。题型四内燃机工作循环的数量关系【例4】（23-24九年级上·黑龙江双鸭山·期中）为汽车提供动力的是汽油机的冲程；某单缸四冲程汽油机的转速为1200r/min，在1s内汽油机对外做了次功。【答案】做功10【解析】[1]汽油机的一个工作循环有四个冲程，其中只有做功冲程是为汽车提供动力的。[2]单缸四冲程汽油机的转速为，即汽油机飞轮每秒转20周，一个工作循环飞轮转2周，对外做功1次，所以在1s内汽油机对外做了10次功。【变式4-1】（2023·四川眉山·模拟预测）如图所示是四冲程汽油机工作过程中的冲程。该内燃机正常工作时的转速为1800r/min，该内燃机每秒完成个冲程。【答案】做功60【解析】[1]由图可知，进气门和排气门都是关闭的，活塞向下运动，可知正在进行的是做功冲程。[2]一台单缸四冲程汽油机正常工作时的转速为1800r/min=30r/s因为汽油机的一个工作循环中飞轮转2圈，完成4个冲程，该内燃机每秒完成冲程的个数为【变式4-2】（22-23九年级上·河南新乡·期末）热机是把内能转化为机械能的装置。如图所示是汽油机的构造示意图，此时为冲程。若此单缸汽油机工作时飞轮的转速为，则在1s内对外做功次。【答案】压缩30【解析】[1]图示中，两个气门关闭，活塞向上运动，是压缩冲程。[2]飞轮的转速飞轮每转动两圈，完全四个冲程，对外做功一次，所以1s内对外做功30次。【变式4-3】（2024·河南驻马店·模拟预测）在如图所示的三幅图中，甲、乙是课堂上看到的两个演示实验示意图，丙是四冲程汽油机工作过程中的其中一个过程示意图，其能量转化情况与（选填“甲”或“乙”）图相同，某台汽油机飞轮的转速为4800r/min，在1min内，汽油机对外做功次。【答案】甲2400【解析】[1]甲是外界对气体做功，使气体内能增大，与汽油机的压缩冲程能量转化情况相同；乙是水蒸气对活塞做功，将内能转化为机械能，与汽油机的做功冲程能量转化情况相同。丙图进气门和排气门关闭，活塞上行，所以是压缩冲程，故其能量转化情况与甲图相同。[2]汽油机工作1个循环，完成四个冲程，活塞往复两次，飞轮转两圈，做一次功；汽油机飞轮的转速为4800r/min，可知1min转了4800转，做了2400次功。【变式4-4】（23-24九年级上·湖北武汉·开学考试）在四冲程汽油机中，将机械能转化为内能的冲程是冲程；汽车发动机工作时飞轮转了3600r/min，1s做次功。若该汽油机1s对外做功20次，则汽油机飞轮转速为r/min；发动机工作时会产生大量的热量，为让它正常工作，“水冷”是冷却方式之一，这是因为水的较大。【答案】压缩302400比热容【解析】[1]汽油机的压缩冲程是活塞向上运动，压缩汽油和空气的混合物，机械能转化为内能。[2]汽油机的转速为说明1s内汽油机曲轴的转动次数为60转，曲轴转动两周，对外做功1次，则1s内做功30次。[3]若该汽油机1s对外做功20次，则1s曲轴转动40周，则飞轮的转数为[4]用水做冷却剂是因为水的比热容较大，与其他物质相比，升高相同的温度，水吸收的热量较多，所以发动机散热器常用水做冷却剂。题型五热机、功、压强的综合【例5】（24-25九年级上·全国·假期作业）在做功冲程中，汽油机燃气的压强可达5.0×105Pa，柴油机燃气的压强可达1.0×106Pa，如果汽油机和柴油机的活塞面积、活塞运动的距离都相同，则在一个做功冲程中柴油机与汽油机做功之比是（）A．1∶2 B．1∶1 C．2∶1 D．4∶1【答案】C【解析】汽油机和柴油机的活塞面积、活塞运动的距离都相同，则说明汽油机和柴油机的活塞面积S之比为1∶1；运动距离s之比为1∶1；燃气压强之比为5.0×105Pa∶1.0×106Pa=1∶2则柴油机与汽油机做功之比为故选C。【变式5-1】（23-24九年级上·江苏泰州·阶段练习）如图为某单缸四冲程汽油机的冲程，若1s内该汽油机对外做功20次，则飞轮转速为r/min；该汽油机工作时汽缸内燃气对活塞平均推力为2000N，活塞向下运动的距离是50cmkW。【答案】排气240020【解析】[1]由图可知，一气门关闭，活塞向上运动，该冲程是汽油机的排气冲程。[2]在四冲程内燃机的工作过程中曲轴转2圈，完成4个冲程，6个工作循环外做功1次；如果此汽油机1s内对外做功20次，则每秒完成20个工作循环，即每分钟转2400圈，飞轮的转速为2400r/min。[3]活塞向下运动的距离是一个做功冲程做的功该汽油机工作1s时所做的功则汽油机的功率为【变式5-2】（23-24九年级上·云南昭通·阶段练习）某四冲程内燃机，飞轮转速为300r/min，活塞面积为120cm2，行程s是0.3m，假如做功冲程中燃气的平均压强是5×105Pa。求：（1）做功冲程中燃气对活塞的平均压力。（2）一个做功冲程中燃气对活塞做的功。（3）内燃机的功率。【答案】（1）6000N；（2）1800J；（3）4500W【解析】解：（1）活塞的