12.4 机械能与内能的相互转化（课件） -2024-2025学年苏科版物理九年级上学期

第十二章 机械能和内能 第4节 机械能与内能的相互转化 除了热传递外，还有什么途径可以改变物体的内能？ 冬天手冷时搓手 从滑梯上滑下，裤子会？ 思考 快速弯折铁丝 为什么它们会发热呢？ 力在做功 是发生了热传递吗？ 观察实验 ① 描述实验现象 ② 实验中硝化棉的作用是什么？ ③ 实验中谁对谁做功？ 空气压缩引火仪 观察思考 硝化棉花 【实验现象】 空气 被压缩 空气温度升高 （内能增大） 热传递 对物体做功，可以使物体的内能会增大； 做功是改变物体内能的另一方式 研究对象是___________________。 放入棉花的目的是____________________________。 空气，而不是硝化棉 利用转换法显示空气温度升高 空气压缩引火仪 棉花燃烧了 【原理分析】 棉花点燃 人通过活塞对空气 施加压力做功 【实验结论】 【能量转化】 活塞的 转化为 物体的 。 机械能 内能 观察实验 ①描述观察到的实验现象，此现象形成的原因是什么？ ②瓶内放水的作用？ ③实验中谁对谁做功？ 观察思考 观察思考 【实验现象】 物体对外做功，物体的内能会减小 研究对象是___________________。 放入水的目的是____________________________________。 空气(包括水蒸气) 利用转换法显示空气内能（温度）变化 木塞被顶飞，瓶内出现水雾 【原理分析】 对木塞做功 【实验结论】 水雾 瓶内空气温度降低 内能减小 水蒸气液化 木塞被顶飞 空气 【能量转化】 空气的 转化为 物体的 。 内能 机械能 对物体做功，内能增加，温度升高。 物体对外做功，内能减少，温度降低。 结论 总结 做功改变内能的本质： 机械能与内能的相互转化 【能量变化】 如图所示，在试管里装入一些水，用软木塞塞住，加热使水沸腾，水蒸气会把软木塞冲开。在这一过程中，水蒸气膨胀时对软木塞 ，消耗了水蒸气的一部分 能，转化为软木塞的 能。 做功 机械 内 典型例题 流星雨的产生是流星体与地球大气层相摩擦的结果 机械能内能 打气时，筒壁发烫 机械能内能 蒸汽机 内能机械能 热传递（热量：传递内能的多少） 做功 改变物体 内能的方法 ①外界对物体做功，内能增加 ②物体对外界做功，内能减小 实质：内能的转移 实质：其它形式的能和内能的相互转化 总结 如图，在透明塑料盒的底部钻一个孔，把电火花发生器的放电管紧紧塞进孔中，打开塑料盒盖，向盒中滴入几滴酒精,再将盒盖盖紧，然后按动电火花发生器的按钮。 在上述活动中，酒精燃烧产生的高温燃气对外做功，燃气的内能转化为机械能。根据这一原理，可以制造出将内能转化为机械能的机器。 你观察到什么现象？？ 我们利用这个原理制成了热机 观察与思考 盒盖被顶飞 【原理分析】 热机是热力发动机的简称。热机是将燃料燃烧产生的高温、高压燃气的内能转化为机械能的装置。 汽油机 柴油机 热机 蒸汽机 内燃机 燃气轮机 喷气发动机 … 汽油机的工作过程 冲程： 活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程 活塞往复一次，完成两个冲程 汽油机 【工作原理】 利用汽缸内燃烧的汽油产生高温、高压的燃气推动活塞做功 实物透视图 模型图 【构造】 汽缸 进气口 排气口 火花塞 曲轴 连杆 活塞 ①吸气冲程： 进气门____，排气门____， 活塞向___运动，__________的混合物进入气缸。 曲轴转____周。 打开 关闭 下 汽油和空气 半 汽油机的工作原理 ②压缩冲程： 进气门和排气门_______， 活塞向__运动，燃料混合物被____。 内能变___ 能量转化：______________ 都关闭 上 压缩 曲轴转____周。 半 机械能 内能 大 汽油机的工作原理 ③做功冲程： 在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧产生高温高压的气体。 高温高压的气体推动活塞向___运动，带动曲轴转动，对外_____。 下 做功 内能 机械能 能量转化：______________ 汽油机的工作原理 曲轴转____周 ④排气冲程： 进气门_____，排气门_____， 活塞向____运动， 把______排出气缸 废气 上 打开 关闭 半 汽油机的工作原理 机械能转化为内能 4个冲程 工作过程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 内能转化为机械能 活塞往复2次 燃气对外做1次功 曲轴旋转2圈 做功冲程： 燃气推动活塞做功 其余三个冲程： 靠飞轮的惯性来完成 (一个循环) 汽油机 一个循环 吸气 压缩 做功 排气 开始 结束 循环 1. 压缩冲程和做功冲程中的能量是怎样转化的？ 压缩冲程：机械能转化为内能； 2. 汽油机的一个工作循环，活塞经历___个冲程，曲轴旋转___圈，活塞往复运动___次，燃气对外做___次功。 2 4 2 1 3. 在汽油机的四冲程中，只有做功冲程是燃气对外做功，那么其他3个冲程是靠什么完成的？ 飞轮的惯性 巩固练习 4.一台单缸四冲程汽油机的飞轮转速1200r/min，则汽油机每秒钟内完成 个冲程，做功 次。 40 10 做功冲程：内能转化为机械能 汽油机和柴油机的异同点比较 种类 汽油机 柴油机 相同点 不 同 点 构 造 燃 料 吸入气体 点火方式 都是内燃机，一个工作循环都经历四个冲程 火花塞 喷油嘴 汽油 柴油 汽油和空气 空气 点燃式 压燃式 汽缸 进气口 排气口 曲轴 连杆 活塞 火花塞 汽油机 柴油机 柴油机比汽油机要笨重些，噪音大一些， 但柴油机的效率___，功率____。　 高 大 随堂小练21页 通过燃料的燃烧，燃料内部的_____能转化为____能 从能量转化的角度分析： 化学 内 内能的获得方式 内能的利用 燃烧放热，直接向人们提供热量，供人类取暖和加热食物。 直接加热物体 最常见获得内能的方法是？ 燃烧 燃烧 燃料可分为三类 你知道常见的燃料有哪些，它们分别属于哪一类？ 常见的燃料有煤、石油（加工炼制成汽油、煤油、柴油和液化气等）、天燃气等，农村还用草木等植物的秸杆作燃料。 固体燃料 气体燃料 液体燃料 思考 根据你的经验，相同质量的不同燃料，完全燃烧时放出的热量是不是相同？ 这说明了什么？ 根据生活实验发现：1kg的煤燃烧释放出的热量比1kg木柴燃烧放出的热量 。 由此可见：质量相同的不同燃料在完全燃烧时所放出的热量是不同的。 不同燃料燃烧时放热本领是不同的。 思考 多 【提出问题】 【猜想假设】 如图所示，用天平分别测出质量均为10g的酒精和碎纸片，将它们分别放入燃烧皿中，点燃后，分别给用两个完全相同的烧杯装质量相同的水加热，待酒精和碎纸片完全燃烧后分别记录水的温度 探究燃料燃烧放热的本领 【设计实验】 如何比较等质量不同燃料完全燃烧放热多少？ 【进行实验】 转换法 将燃料释放的热量给物体吸热升温，观察温度变化 【数据表格】 探究燃料燃烧放热的本领 【实验结论】 相同质量的不同燃料，在完全燃烧时放出的热量是不相等的。物理学中，用热值表示燃料在完全燃烧时放热本领的大小。 【方法】 【定义】 【单位】 J/kg 读作：焦耳每千克 如何科学地比较不同燃料燃烧时放热本领的强弱呢？ 把所有燃料都取1kg，让它们完全燃烧，比较它们放出的热量的多少。 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(q)。 J/m3 读作：焦耳每立方米 热值 【公式】 q = 理论上 完全充分燃烧 观察热值表，你有什么收获？ 热值是燃料的一种特性，其大小只与燃料的种类有关，与燃料的质量（体积）、是否燃烧、是否完全燃烧无关。 常见燃料的热值 1kg汽油完全燃烧放出的热量为4.6×107J 1m3煤气完全燃烧放出的热量为3.9×107J 氢与其他燃料相比，具有较大的热值 ①汽油热值是4.6×107J/kg，物理意义是？ ②煤气热值是3.9×107J/m3，物理意义是？ ③为什么发射上天的火箭要用液态氢做燃料？ 热值 如图，甲、乙、丙三图中的装置完全相同，燃料的质量都是10g，烧杯内的液体质量和初温也相同。 (1)比较不同燃料热值，应选择 两图进行实验，燃料完全燃烧放出的热量，是通过________反映； (2)比较不同物质吸热升温的特点： ①应选择 两图进行实验； ②不同物质吸热的多少是通过 来反映的； ③ 关于该实验的变量控制，下列要求中不正确的是： 。 A. 采用相同的加热方法 B. 烧杯中分别装入相同体积的物质 C. 使用相同的烧杯 ④如果质量和初始温度均相同的A、B两种液体，吸热后它们的温度随时间变化的图象如图所示，由图可以看出，___液体的温度升高得较快，___液体的比热容较大。 ⑤如果已知a液体的比热容是1.8×103J/(kg•℃)，则b液体的比热容是　 J/(kg•℃)。 甲乙 温度计 示数变化 甲丙 加热时间 B a b 3.6×103　 典型例题 我们已经知道：氢的热值是1.4×108J/kg，物理意义是： 1kg氢完全燃烧时放出的热量是1.4×108J。 10kg氢完全燃烧放出的热量 = 10kg×1.4×108 J/kg = 1.4×109J Q放= mq 热量的计算 注意：只有燃料完全燃烧时放出的热量才能用Q放 = mq进行计算，不要与Q放 = cm(t0 − t)混淆 气体： Q放 = Vq 已知无烟煤的热值为3.4×107 J/kg，则10kg无烟煤完全燃烧放出多少热量？ 已知干木柴的热值为1.2×107J/kg，则完全燃烧多少干木柴可获得1.44×1012 J的热量？ =3.4×107 J/kg× 10kg =3.4×108J 解：需要干木柴 解：10kg无烟煤完全燃烧放出的热量 Q放= qm 热量的计算 用煤气灶烧水时，煤气能完全燃烧吗？煤气燃烧放出的热量能全部被水吸收吗？ 燃料的内能 Q燃料 ④燃料不能完全燃烧 ① 散热 ②加热煤气灶壁 水吸收的热量Q利用 ③ 加热水壶 热机效率 燃料的利用率η = 100% 内燃机中能量损失： 用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率。 ④燃料不能完全燃烧 有用机械能 W有用 燃料的 内能Q放 ②克服机器的摩擦 ①散热 ③废气带走 热机效率 η = 100% 蒸汽机的效率只有6%~15% 汽油机的效率为 20%~30% 柴油机的效率为30%~45% 常见热机的效率 如何提高热机的效率呢？ ①改善燃烧环境，使燃料尽可能完全燃烧，提高燃料的燃烧效率。　　 ②尽量减小各种热散失。　 ③减小各部件间的摩擦以减小因克服摩擦做功而消耗的能量。　　 ④充分利用废气带走的能量，从而提高燃料的利用率。　　 提高热机效率的途径 有用机械能 W有用 燃料的 内能Q放 ③克服机器摩擦 ②散热 ④废气带走 ①燃料不能完全燃烧 热机的效率能达到100%吗？为什么？ 不能达到100%，因为热机中可用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的能量的一部分，因为各种热量损失以及燃烧条件的限制，这部分能量远远小于总能量，所以其与燃料完全燃烧所放出的总能量的比值必然小于1，即热机效率小于100%。 思考 化石燃料为人类发展做出了重大贡献，但也带来许多环境污染 化石燃料的燃烧与环境保护 烟尘 酸雨 1.化石燃料的燃烧 (1)化石燃料的燃烧产生一氧化碳、二氧化氮等气体污染物和粉尘，污染空气，产生酸雨，对人类的健康及动植物的正常生长等有影响。 (2)以化石燃料为燃料的汽油机和柴油机的广泛使用，不仅会产生废气粉尘，还会产生噪声污染，噪声直接影响着人类的正常生活和心理健康。 化石燃料的燃烧与环境保护 2.我们要认识到环境污染的危害，提高环境保护的意识，加强对环境污染的控制，保护我们生存的环境。保护环境的主要措施： (1) 改进燃烧设备，消除烟尘； (2) 提高燃料的综合利用率，如采取集中供热。 (3) 充分开发利用污染小或无污染的能源，如风能、太阳能等。 (4) 在内燃机排气管上安装消音器，以减小噪声污染。 化石燃料的燃烧与环境保护 PM2.5监测 PM的英文全称为Particu-late Matter(颗粒物)。PM2.5是指大气中直径为2.5 μm及2.5μm以下的颗粒物。每立方米空气中PM2.5的含量越高，表明空气的此类污染越严重。 PM2.5主要来源于工业生产、交通运输等过程中使用化石燃料后排放的烟尘,大多含有重金属等有毒物质。医学认为，人体的生理结构决定了对粒径在2.5μm以下的细颗粒物，没有任何过滤、阻拦能力。吸入肺泡的细颗粒物会迅速被吸收，在不经过肝脏解毒的情况下直接进人血液循环，分布到全身，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等疾病。 化石燃料的燃烧与环境保护 PM2.5污染的治理，必须从生产、生活和生态方面采取综合措施。例如，改变能源结构,加大清洁能源的使用力度，淘汰高耗能、高污染的企业；发展公交导向型城市交通，减少居民出行对机动车的依赖；提倡植树造林，提高城市绿化率，创造良好的生态环境等。 化石燃料的燃烧与环境保护 C 练一练 1.对于燃料的热值，下列说法中，属于正确理解的是 (　 ) A.燃料的热值跟燃料燃烧时放出的热量成正比 B.燃料没燃烧时就没有热值 C.就某种确定的燃料而言，它的热值是一个确定的值，跟燃料 的质量及燃料燃烧放出的热量无关 D.容易燃烧的燃料热值一定大 2.烟煤的热值比木炭的小，这表示（ ） A.燃烧烟煤比燃烧木炭放出的热量少 B.燃烧烟煤比燃烧木炭放出的热量多 C.相同质量的烟煤和木炭，完全燃烧时，木炭放出的热量少 D.相同质量的烟煤和木炭，完全燃烧时，木炭放出的热量多 D 练一练 3.下列提高热机效率的方法中，不可行的是（ ） A.减少各种热损失 B.加润滑油减少机器各部件之间的摩擦 C.充分利用废气的能量，如建热电站 D.采取少消耗总能量的办法 D 练一练 4.用燃气灶烧水，燃烧0.5kg的煤气，使50kg的水从20℃升高到70 ℃。已知水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），煤气的热值为4.2×107J/kg。求： （1）0.5kg煤气完全燃烧放出的热量。 （2）水吸收的热量。 （3）燃气灶烧水的效率。 Q放 = m煤q = 2.1×107J Q吸 = cm水∆t = 1.05×107J η = Q吸 / Q放 = 50% 练一练 $$