初三物理第一学期 内能的利用 热机 人教版.doc

初三物理第一学期 内能的利用 热机
一. 本周教学内容：
内能的利用 热机
二. 重点、难点：
1. 重点：
燃烧值的概念和单位，内能的应用，内燃机的基本构造和工作原理。
2. 难点：
燃料燃烧时放出热量的计算，热机效率。

三. 知识点分析：
燃料及其燃烧值
l. 燃料的燃烧值：1kg的某种燃料完全燃烧时放出的热量，叫做这种燃料的燃烧值，燃烧值的单位是J/kg，气体燃料的燃烧值单位，有时使用J/m3。
燃料燃烧的实质。燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧的过程中，燃料的化学能转化为内能，也就是通常所说的释放出能量。不同物质组成的燃料，在质量相等的条件下完全燃烧，放出的热量是不相等的。
2. 正确理解燃料的燃烧值的内涵。燃料的燃烧值是反映燃料燃烧时释放能量本领大小的物理量。燃料的燃烧值只取决于燃料的种类，而与燃料的多少无关。对某种燃料来说，它是一个确定的数值。
燃料完全燃烧时放出的热量，与燃料的质量成正比，可用公式表示如下：Q=q·m。在国际单位制中，燃烧值q的单位是J/kg，燃料质量m的单位是kg，则放出的热量Q的单位是J。
3. 有效利用燃料：炉子有效利用的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫做炉子的效率。提高炉子效率，可有效利用燃料。
有效利用燃料的途径是，使燃料比较完全或更充分地燃烧。加大受热面，使放出的热量得到充分有效的利用。

内能的利用　
1. 利用内能加热：利用内能加热的过程，内能并没有转化成其他形式的能，只是内能从一个物体转移到另一个物体上。如煮饭，生炉子取暖等，
2. 利用内能做功：利用内能做功的过程，是内能转化为其它形式能的过程。热机就是将内能转化为机械能的机器。现代的交通工具要使用热机现代的火电站和热电站也要靠热机把内能转化为机械能，然后再带动发电机发电。

内燃机　　　　
1. 什么叫热机？热机有什么特点？
把燃料燃烧放出的内能转化为机械能的机器叫做热机，热机的种类繁多，主要有蒸汽机、蒸汽轮机、汽油机、柴油机、燃气轮机、燃气喷汽发动机和火箭喷气发动机等。所有热机都有一个共同特点，就是利用燃料燃烧时放出的内能，通过工作物质转化为机械能对外做功。
2. 内燃机的工作特点、构造和工作过程
（1）内燃机的工作特点：燃料在汽缸内燃烧，生成高温高压的燃气，使燃气推动活塞做功。
（2）汽油机和柴油机的构造：由气缸、活塞、进气阀、排气阀、曲轴和连杆等组成。汽油机气缸的顶部有火花塞，柴油机气缸的顶部有喷油嘴。
（3）内燃机工作的时候，活塞在气缸内往复运动，活塞从汽缸的一端运动到气缸的另一端，叫做一个冲程。
　　（4）四冲程内燃机的工作过程是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成的。这四个冲程叫做一个工作循环。在每个工作循环中，气缸内的活塞往复两次，曲轴转动两周。在四个冲程中，只有做功冲程是燃气对外做功，其他三个冲程是辅助冲程，要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。
　　（5）汽油机和柴油机的相同与不同之处
　　汽油机和柴油机相同之处是：基本构造和主要部件的作用相似；每个工作循环都一样，由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成；在这四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其余三个冲程靠飞轮的惯性来完成；一个工作循环中，活塞往复两次，曲轴转动两周，飞轮转两圈，做功一次。
汽油机与柴油机的比较

　　（6）四冲程内燃机在压缩冲程和做功冲程中的能量转化在压缩冲程中，飞轮带动活塞压缩吸入的气体做功，使气体的温度升高，把机械能转化为气体的内能。在做功冲程中，燃料燃烧产生的高温高压燃气推动活塞做功，把内能转化为活塞、飞轮的机械能。

热机的效率　
l. 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热量之比。叫热机的效率。
2. 燃料的不完全燃烧、气缸部件吸热后的热量散失、废气带走的热量和克服摩擦做功而消耗的能量，都是引起能量损失的原因。因此，提高热机效率，可提高燃料的利用率。
3. 提高热机效率的途径和方法：
（1）尽可能减少各种热损失，如保证良好的润滑，减少因克服摩擦所消耗的能量。
（2）充分利用废气的能量，提高燃料的利用率，如利用热电站废气来供热。这种既供电又供热的热电站，比起一般火电站来，燃料的利用率大大提高。

【典型例题】
有关燃料及其燃烧值例题
[例1] 把5千克40℃的水烧开，需要完全燃烧多少千克的干木柴？（已知干木柴的燃烧值为1.2×107焦/千克，外界为标准大气压，并且燃料完全燃烧放出的热量全部被水吸收）
分析：利用吸热公式Q吸=Cm（t－t0）可以算出将水烧开要吸收多少热量，解题时应注意在标准大气压下，水的沸点是100℃，即水烧开时的温度为100℃，再利用燃料的燃烧值求干木柴的质量。
解答：Q吸=Cm（t－t0）=4.2×103焦/（千克·℃）×5千克×（100℃－40℃）=
1.26×106焦
　　因为Q吸=Q放=1.26×106焦
　　所以干木柴质量

[例2] 完全燃烧2kg汽油放出多少热量？要放出6.0×106J的热量，需完全燃烧多少克酒精？
分析：可根据燃烧值的定义去分析计算。
汽油的燃烧值为4.6×107J/kg，表示完全燃烧1kg汽油放出的热量为4.6×107J，完全燃烧2kg汽油放出的热量
Q=燃烧值×质量=4.6×107J/kg×2kg=9.2×107J。
酒精的燃烧值是3.0×107J/kg，表示完全燃烧1kg酒精放出的热量为3.0×107J。放出6.0×106J的热量，需完全燃烧的酒精的质量
m=热量/燃烧值=6.0×106J/3.0×107J/kg=0.2kg=200g。
2kg汽油放出热量9.2×107J，需燃烧酒精200g。

[例3] 用煤油炉烧水，如果水至沸腾时吸收的热量是煤油完全燃烧放出热量的40%，烧开一壶水要吸热1.14×106J，那么，需燃烧多少克煤油？
分析：可先根据水实际吸热确定燃料放热的总量，再根据燃烧值定义确定燃料的质量数。
解答：水吸收热量=燃料燃烧放热×40%，因此燃料燃烧放热=水吸收热量÷40%
　　=l.14×106J÷0.4=2.85×106J
　　需要燃烧的煤油质量
　　=燃料燃烧放热/燃烧值=2.85×106J/4.6×107J/kg=0.062kg=62g
　　需燃烧62g煤油。
[例4] 质量为0.5kg的汽油完全燃烧。试问：（1）它放出多少热量？（2）可以使68.6kg水升高多少度?
分析：（1）从燃烧值表查出汽油的燃烧值，则燃烧放热=燃烧值×燃料质量。（2）把汽油作为放热物体。放出热量为Q放，水为吸热物体，吸收的热量为Q吸。利用Q放=Q吸，即可求解。
（1）查表得汽油的燃烧值为4.6×l07J/kg
∴ 燃烧放热Q放=4.6×107J/kg×0.5kg=2.3×107J
（2）因Q吸=c水m水（t－t0水）=c水m水·△t水升，由Q放=Q吸=c水m水·△t水升

（1）放出2.3×107J热量；（2）升高约80℃。

有关内能的利用例题
[例1] 内能的重要应用，一是可用它直接来______物体；另一个是用它来______。对物体做功，可以使物体的内能______，反过来，物体的内能也可以对外做功，这时内能_______。
分析：可从改变物体内能的两种方法中来考虑本题。另外，对物体做功，物体内能会增加；物体对外做功，将消耗内能，使物体的内能减少。
解答：加热；做功；增加；减少

[例2] 分析热机的发明思路。
分析：可从内能的利用上去探索。
解答：人们在研究利用内能做功时，设计这样一个实验：在试管内装些水，用软木塞塞住管口，加热使水沸腾，水蒸气会把软木塞冲击。实验的结果，实现了内能向机械能的转化。同时也启发人们去进一步思考：如将软木塞改成活塞，将试管改成汽缸，再解决一些技术问题，就可以做成一种将内能转化成机械能的机器，在这种思考下，人们逐渐制造了蒸汽机、内燃机等各种热机

有关内燃机例题
[例1] 怎样从内燃机工作过程示意图中辨别汽油机和柴油机？怎样辨别冲程？

分析：可从进气阀、排气阀的开、闭合活塞的运动方向结合起来来确认所处的工作状态。
解答：学习过程中，我们要掌握汽油机和柴油机结构上的主要区别或特征，如图1所示，气缸顶部画火花塞的（甲）图是汽油机，（乙）图画喷油嘴的是柴油机。
辨别冲程时，要抓住四个冲程中进气门、排气门的开闭情况以及活塞上、下运动情况。图（A）中活塞向下运动，一侧气门关闭，另一侧气门打开，说明是吸气冲程，且左侧关闭的是排气阀，右侧打开的是进气阀。图（B）中两阀均关闭，由于活塞向下运动，是燃气膨胀对活塞做功所致，故为做功冲程，图（C）中两阀均关闭，活塞向上运动，气缸内气体被压缩，属压缩冲程，图（D）中活塞向上运动，左侧气门（排气阀）打开，废气排出，为排气冲程。

[例2] 一柴油机的飞轮转速为2400r/min，由此可推断，该柴油机每秒做功多少次？
分析：柴油机曲轴每转动2周完成一个工作循环，而柴油机每个工作循环只做功一次。
解答：因该柴油机飞轮转速为2400 r/min=40r/s，即1s内完成20个工作循环，所以每秒做功20次。

有关热机的效率例题
[例1] 关于热机的效率，以下说法中正确的是（ ）
A. 热机做的有用功越多，效率就一定越高。
　　B. 热机的功率大，效率就一定高。
　　C. 热机单位时间里耗费的燃料少，热机的效率就一定高
　　D. 以上说法都不对。
分析：热机的效率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。热机做的有用功多，但消耗的燃料完全燃烧所放出的能量没有确定。就无法比较热机效率的高低。热机的功率大，只表示单位时间内做的有用功多。在热机单位时间里所消耗燃料完全燃烧所放出的能量没有确定的情况下，也无法判断热机效率高低。热机单位时间里消耗的燃料少，在热机功率没有确定的情况下，无法确定单位时间里热机所做的有用功的多少。因而无法判断热机的效率高低。
解答：D

[例2] 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）。
分析：计算发动机的热效率可根据热机效率的定义，先求出发动机做的有用功和消耗的燃料完全燃烧放出的能量。然后再求效率。
解答：发动机每小时做的功
　　W=Pt=66150W×3600s=2.38×108J
　　完全燃烧14kg柴油放出的能量
　　Q总=4.3×107J/kg×14kg=6.02×108J
　　做有用功的能量Q有=W=2.38×108J　

　　发动机的效率是39.5％。

【模拟试题】
一. 填空题
1. 燃料的燃烧过程是一种______变化，在燃烧的过程中，燃料的______能转化为______能，也就是通常所说的释放出能量。
2. 1kg某种燃料______放出的热量，叫做这种燃料的燃烧值，无烟煤的燃烧值是
3.4×107J/kg，它的物理意义是________________。
3. 酒精的燃烧值是3.0×107J/kg，酒精炉里装有100g酒精，若燃烧掉一半，放出的热量是______J，剩余部分酒精的燃烧值是______。
4. 内能的一个重要应用就是直接用它来______物体，物体在获得内能以后，______会升高；内能的另一个重要应用就是用它来_________。
5. 内燃机的工作特点是：让燃料在______燃烧，生成______的燃气，利用这个燃气作为______去推动______。
6. 一般内燃机完成一个工作循环具有______个冲程，其中压缩冲程和做功冲程分别是第______和第______冲程在压缩冲程里______能转变为______能，在做功冲程里______能转化为______能。
7. 内燃机工作的一个循环中，只有______冲程对外做功，其它几个冲程是______冲程，要靠飞轮的______来完成，但从全局看，______冲程，______冲程和______冲程都是必不可少的，它们为_____冲程对外做功创造了条件。
8. 汽油机是用______使燃料燃烧的，这种点火方式叫做______，柴油机是在_______冲程末，由______向气缸内喷射______，它在远远超过它的燃点的热空气中立即燃烧，这种点火方式叫做______。
9. 柴油机和汽油机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______。
10. 用来做______那部分能量和燃料______放出的能量之比，叫做热机的效率，提高热机效率的途径是__________________。

二. 判断题
11. 一台单缸汽油机，飞轮每分钟转600转，那么这台汽油机每分钟内完成300个工作循环。（ ）
　12. 热机的效率总小于或等于1. （ ）
13. 总的看来，内燃机实现了内能向机械能的转化，但在它的工作过程中，也有机械能转化为内能的过程。（ ）
14. 燃料的燃烧值要随着燃料的不断燃烧而减小。（ ）

三. 选择题
15. 热机工作的共同特点是（ ）
A. 都有燃料进入汽缸。
B. 将燃料燃烧放出的内能传递给工作物质，使工作物质受热膨胀，对外作功。
C. 都能把燃料燃烧所释放出的内能全部转化为机械能。
D. 都有四个冲程。
16. 四冲程汽油机的转速是60l/s，那么它每秒钟对外做功的次数是（ ）
A. 30次 　　B. 20次　　 C. 600次　 　D. 300次
　17. 为了提高热机的效率，应尽可能（ ）
A. 采用优质燃料
B. 减少热机的各种热损失，保证良好的润滑
C. 降低热机的功率
D. 避免使用热机
18. 内燃机的工作物质是（ ）
A. 水蒸气
B. 空气
C. 燃料燃烧生成的高温高压气体
D. 柴油、汽油和天然气
　19. 热能的效率越高，说明（ ）
A. 能作的有用功越多
B. 燃料的燃烧值越大
C. 这台热机的马力越大
D. 机器对燃料的利用率越高
20. 汽油机在压缩冲程中工作物质被压缩，气缸中的（ ）
A. 压强增大，温度降低 B. 压强减小，温度升高
C. 压强增大，温度升高 D. 压强减小，温度降低
　21. 关于热机效率以下几种说法中，正确的是（ ）
A. 有用功跟燃料燃烧值的比值
B. 用来做有用功的那部分能量跟燃料燃烧所放出的能量之比
C. 用来做有用功的那部分能量跟燃料完全燃烧所放出的能量之比
D. 燃料完全燃烧所放出的能量跟用来做有用功的那部分能量之比
22. 一般来说柴油机的效率比汽油机高，其原因是（ ）
A. 压缩冲程末，气缸内温度和压强都比汽油机的低
B. 在柴油机里，推动活塞做功的燃气的压强比汽油机里的高，燃气的功较多
C. 柴油机的燃烧值比汽油高
D. 柴油机的功率较大

四. 实验题
23. 内燃机中，连杆和曲轴的作用是____________飞轮的作用是___________。
24. 图为汽油机冲程的示意图，请根据图示填出汽油机所处的工作状态。

25. 完成下页表，指出汽油机和柴油机的主要区别：

五. 计算题
26. 完全燃烧140g焦炭（焦炭的燃烧值为3.0×107J/kg）能放出多少焦的热量？若这些热量的30％被水吸收，则能使30kg20℃的水温升高到多少度？

[参考答案]

1. 化学，化学，内
2. 完全燃烧，1kg无烟煤在完全燃烧时放出的热量是3.4×107J
3. 1.5×106J，3.0×107J/kg
4. 加热，物体温度，做功
5. 气缸内，高温高压，工作物质，活塞做功
6. 四，二，三，机械，内，内，机械
7. 做功，辅助，惯性，吸气，压缩，排气，做功
8. 火花塞，点燃式，压缩，喷油嘴，雾状柴油，压燃式
9. 汽油和空气的混合物，空气
10. 有用功；完全燃烧；减少各种热损失，保证良好的润滑，减少因克服摩擦而额外消耗的功
11. √ 12. × 13. √ 14. ×
15. B 　 16. A　 17. B 　 18. C
19. D 　 20.C　　 21. C 　 22. B
23. 外力先使曲轴转动，通过连杆带动活塞运动，依靠飞轮的惯性贮存能量，以帮助完成三个辅助冲程
24.（a）吸气；（b）排气；（c）压缩；（d）做功
25. 汽油和空气混合物，空气，有火花塞，有喷油嘴，点燃式，压燃式
26. 4.2×106J，30℃