第10章 内能（复习课件）物理沪科版（五四学制）2024九年级上册

沪科版（五·四学制） 九年级上册 第10章 内能 单元复习 01 02 03 04 05 CONTENTS 热量 比热容 内能 热机及其工作原理 热机的效率 PART ONE 热量 比热容 能量从温度高的太阳辐射到温度低的沙子， 又从沙子传导到温度更低的脚底，这是一种热传递现象。 温度高 温度低 辐射 传导 温度更低 热传递 注：“的物体（或部分）”是指温度不同的两个物体，或温度不同的两个部分（同一物体）。 1.热传递的三种方式：(热)辐射、（热）传导、*（热）对流； 2.热传递的条件：温度差； 3.热传递传递的是：能量（而不是温度）。 热传递的特点 在物理学中，把物体在热传递过程中吸收或放出能量的多少称为热量。热量通常用Q表示。在国际单位制中，热量的单位与能量的单位相同，都是焦耳，简称焦，符号是J。 温度、热量、能量的概念的联系与区别（在热传递中） ①热量不能说含有（是一个过程量）、温度不能说传递； ②热量与能量：热量是在热传递过程中吸收或放出能量的多少。 热量 如图10-1-2所示，木棒和铜棒安装在金属支架上，在这两根棒的末端分别用凡士林等距离地粘上一根牙签。用酒精灯加热金属支架A端，观察哪根牙签先落下。 自主活动：比较比较不同物质的导热性 大量实验表明，不同物质的导热性一般不同。铜、铁、铝等（金属）物质容易导热，制成拖鞋的塑料、橡胶、木材等物质则不容易导热。 通过上述实验发现，粘在铜棒上的牙签落下时，木棒上的牙签还牢牢地粘在上面。这说明铜棒的导热性比木棒的导热性强。 在上述实验中，要使相同质量的水和砂石升高相同的温度，水需要加热的时间长，说明水吸收的热量更多。 同样，质量相同的水和砂石降低相同的温度，水放出的热量也比砂石多。 大量实验表明，物质吸收或放出的热量与物质的质量、升高或降低的温度，以及物质的种类有关。 物质的吸放热与哪些因素有关 1.比热容描述不同物质吸放热的性质：为了描述不同物质吸放热的性质，物理学中引入了比热容这一物理量。 2.比热容的定义：一定质量的某种物质，温度升高(或降低) 时吸收(或放出)的热量与它的质量和升高(或 降低)的温度乘积之比，叫做这种物质的比热容。 3.比热容用c表示，单位是焦/(千克 · 摄氏度),符号是J/(kg·℃) 。与密度一样，比热容是反映物质自身性质的物理量。 物质的比热容 c = Q m·∆t Q的单位：焦耳（J） m的单位：千克（kg） ∆t的单位：摄氏度（℃） 5. 单位：J/（kg·℃），读作：焦每千克摄氏度。 4. 如果用m表示物质的质量，△t表示物质升高或降低的温度，Q表示物质吸收或放出的热量，物质的比热容c可表示为  水的比热容是： 4.2×103J／（kg·℃） 4.2× 103焦耳每千克摄氏度 1kg水每升高(或降低)1℃时，吸收(或放出)热量为4.2×103J。 读 作: 物理意义： 举例辨析 想一想：同一天上海的日温差比新疆库尔勒小(图10-1-5),你能用比热容的知识解释这一现象吗? 水的比热容较大 水的比热容相对较大，水的这一热学特性有许多实际应用。 1. 夏季蒸发吸热降温：夏季，城市街道通过洒水降温。 2.调节地表温度：除了蒸发吸热外，水在温度上升时，可以更多地吸收地表的热量。地球表面大部分面积被海水所覆盖。白天，来自太阳的热量大多被海水吸收；夜晚，海水放出大量的热量。因此，整个地表附近温度变化不大，适合生命生存。 3.汽车发动机的冷却剂：此外，汽车发动机及发电机线圈中的冷却剂通常都采用水或水溶液(图10-1-6),可以更多地吸收发动机、发电机工作过程中放出的热量。 4.航天服的液冷服和通风服：我国自主研发的舱外航天服有六层，其中的液冷服和通风服用来帮助航天员出舱活动中散发过剩的体热。通过水在液冷服内部管道中的循环流动，航天员的体温得以及时、有效的调节，对航天员起到保护作用(图10-1-7)。 ②物体温度升高时，所吸收的热量为： ③物体温度降低时，所放出的热量为： t0 表示物体原来的初温度，t 表示物体的末温度。 Q吸=cm (t-t0) ＝cmΔt Q放=cm (t0-t) ＝cmΔt c ①根据比热容公式 热量的计算公式 热平衡 （1）概念：两个温度不同的物体放在一起时，高温物体放出热量，温度降低；低温物体吸收热量，温度升高.若放出的热量没有损失，全部被低温物体吸收，最后两物体温度相同，称为“达到热平衡”. （2）热平衡方程：Q吸 = Q放. 热量和热平衡 （1）如果某物体的比热容为c，质量为m，温度变化为Δt，则物体吸收或放出的热量为Q=cmΔt. （2）此公式适用于物体温度改变时，物体吸收或放出热量的计算，对物态变化的过程不适用. 热量和热平衡问题的计算 （3）物体的温度升高时吸收的热量Q吸=cmΔt升=cm(t-t0)；物体的温度降低时放出的热量Q放=cmΔt降=cm(t0-t)，Δt为物体温度的变化值，即物体高温值和低温值之差. （4）在热传递过程中，当两个物体之间只有热传递而没有热量的损失时，根据热平衡，则有Q吸=Q放. PART TWO 内能 1.分子动能：构成物体的分子都在永不停息地做无规则热运动，运动的物体具有动能，我们把分子因热运动而具有的动能叫做分子动能。 分子动能 分子势能 2.分子势能：分子之间存在着相互作用的引力和斥力，与弹簧被拉伸或压缩时产生的弹力类似，由于分子之间的相互作用而使分子具有的势能叫做分子势能。 1.内能：在物理学中，把组成物体的所有分子的动能和势能的总和 叫做物体的内能。 内能 2.内能的单位：在国际单位制中，内能的单位与功和机械能的单位相同，也是焦耳(J) 。 3.一切物体都具有内能：如图10-2-2 (a) 所示. 火山喷出的高温岩浆具有内能：而图10-2-2(b)所示的冰山，虽然温度很低，也具有内能。一切物体，不论温度高低，都具有内能。 图 10-2-2 火山和冰山 影响内能大小的因素 1.温度——影响内能大小的因素 如左图，加热烧杯中的水 温度越高，分子热运动越剧烈 分子动能越大 物体的内能增加 （物体的内能越大） 注：无特别说明，此处不考虑分子势能的变化。 2.体积——影响内能大小的因素 如上图，温度相同（20℃），状态相同（液态），两杯不同体积的水（100mL和200mL） 相同条件下，体积越大，质量越大。 分子动能越大 物体的内能增加 （物体的内能越大） 3.状态——影响内能大小的因素 将一定质量100℃的水，变成100℃的水蒸气，内能发生变化吗? 变成100℃的水蒸气后，内能增加。 小结 影响内能大小的因素：物体的温度、体积、状态。 （a） 煤炉烧水 （b）围炉烤火 （c）用“退热贴”降温 如图（a），煤炉烧水，水吸收热量，温度升高；如图（b），围炉烤火；如图（c），在寒冷的冬季，可以在身上贴“暖宝宝”取暖；发烧时，可以将“退热贴”贴在额头上进行物理降温。 这些过程都是通过热传递的方式使物体的内能发生改变。 改变内能的方式一 ——热传递 热传递过程中，高温物体放出热量，内能减少；低温物体吸收热量，内能增加。 高温物体 热传递 热量 低温物体 放出热量，内能减少 吸收热量，内能增加 内能转移 改变内能的方式二 ——做功 自主活动 如图 10-2-4 所示，将少许易燃粉末放入密闭的厚壁玻璃筒底部，快速向下按压活塞2 ～ 3 次，观察玻璃筒内发生的现象。 图 10-2-4 压缩气体改变内能 现象：上述实验中，快速向下按压活塞，玻璃筒内的易燃粉末会燃烧。 解释：这是因为活塞对玻璃筒内的气体做功，气体的内能增加，温度升高，引燃粉末。 可见，做功也是改变内能的一种方式。 活塞 做功 玻璃瓶内的气体 其他形式能 内能 转化 *分析 *人体的能量 活塞的机械能 气体的内能 * 转化 转化 1.钻木取火：钻木取火时，木头相互摩擦，使得干草等易燃物体温度升高，达到燃点而燃烧。 2.流星现象：近地空间大量的尘埃微粒和微小固体高速进入地球大气层时，会与大气发生剧烈摩擦而燃烧发光，形成美丽的流星（图 10-2-5）。 做功改变内能 实例分析 这些现象中都存在做功改变内能的过程。 图10-2-5 流星划过天空 钻木取火 天冷时，我们可以把手放在暖手袋上，通过热传递让双手变得温暖；也可以搓搓手，通过做功让双手暖和起来。 因此，热传递和做功在改变物体的内能上是等效的。 它们的差异是，热传递是物体间内能转移的过程，做功是其他形式能转化为内能的过程。 热传递、做功在改变内能上的区别与联系 1.热传递和做功在改变物体的内能上是等效的。 2.热传递和做功在改变物体的内能上的区别。 热传递 做功 区别 改变内能 高温物体放出热量，内能增加；低温物体吸收热量，热量减少 热传递的条件：温度差 外界对物体做功，物体内能增加 实质 内能的转移 其他形式能转化为内能 联系 热传递和做功在改变物体的内能上是等效的。 小结 注意：有资料显示把物体对外做功，物体内能减少，也归类为做功改变内能，且做功的实质是其他形式能与内能的相互转化。 物体对外做功我们在下节的学习中将会有更深入的了解。 PART THREE 热机及其工作原理 如图 10-3-2 所示，将适量水注入试管并用橡胶塞塞住试管口。用酒精灯加热试管，直至橡胶塞被“顶出”试管口。讨论并交流橡胶塞被“顶出”试管口的原因。 图 10-3-2 加热封闭的试管 自主活动 在上述实验中，酒精燃烧放出的热量，使水蒸气受热膨胀对橡胶塞做功，使橡胶塞被“顶出”试管口。 上述实验可以用来简单模拟热机产生动力的过程。 内能 思考 上述实验过程中能量是如何转化的？ 机械能 转化 热机 飞机 火箭 热机：我们把利用燃料燃烧释放的能量做功的机械叫做热机 。 汽车 船舶 蒸汽机 热机工作原理：图10-3-3为热机工作原理的示意图，热机自高温物体处吸收热量，其中一部分用来对外做功，另一部分流向低温物体。 对外做功 图 10-3-3 热机的工作原理图 热机工作原理 热机的分类 热机的种类较多，按照燃料燃烧场所的差异，热机可分为外燃机和内燃机两种。 1. 外燃机：燃料在发动机外的锅炉内燃烧并产生动力的热机叫做外燃机，蒸汽机就是最早的外燃机，它利用燃料加热锅炉中的水产生高压水蒸气，高压水蒸气推动活塞对外做功。由于老式蒸汽机过于笨重、能耗大、效率低，已逐渐被淘汰 。 举例：蒸汽轮机与蒸汽机工作模式相似，由大型锅炉产生的高温高压水蒸气直接喷射到汽轮机的叶片上，推动巨型汽轮机转动，带动大型发电机发电。目前，蒸汽轮机被广泛运用于电力工业领域。 蒸汽机 蒸汽轮机 燃料直接在发动机内的气缸中燃烧并产生动力的热机叫做内燃机。现代社会中大部分交通工 具的发动机都是内燃机，如汽车，飞机等。 内燃机 最常见的内燃机是汽油机和柴油机，它们分 别用汽油和柴油作为燃料。 如图 10-3-4 所示，汽油机主要由气缸、活 塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴和连杆组成。 图 10-3-4 汽油机结构示意图 活塞向下运动 进气门开启，排气门关闭，汽油和空气的混合气体进入气缸。 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，将混合气体压缩。 气缸顶端的火花塞通电点火，混合气体爆发性燃烧，高温高压气体向下推动活塞做功。 活塞向上运动，排气门开启，废气被排出气缸。 汽油机工作时，活塞在气缸内做往复运动，如图是汽油机工作过程示意图。 压缩冲程与做功冲程 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，将混合气体压缩。 气缸顶端的火花塞通电点火，混合气体爆发性燃烧，高温高压气体向下推动活塞做功。 图10-2-4 压缩气体改变内能 图10-3-2 加热封闭的试管 机械能 内能 转化 内能 机械能 转化 从工作示意图分辨四个冲程的两点方法 1.看进气门与排气门开关：①全关，则是压缩冲程与做功冲程； ②一开一闭，则是吸气冲程与排气冲程。 2.看活塞处的箭头方向： ①箭头向下，则是吸气冲程与做功冲程； ②箭头向上，则是压缩冲程与冲程排气。 运用以上两点技巧前提是还须明白气缸所在的位置。 活塞往复运动 次; 飞轮转动______周； 对外做功 次; 汽缸内的燃油爆发性燃烧 次。 2. 四冲程内燃机一个工作循环： 2 1 1 做功冲程的重要性+四冲程内燃机一个工作循环的有关参数 1. 做功冲程中，燃气对外做功，带动与曲轴相连的飞轮实现持续运转。其余三个冲程是辅助冲程，活塞靠旋转飞轮的惯性带动曲轴连杆运动。 2 汽油机质量小，转速大，启动方便，运转平稳，主要用于汽车的发动机。 柴油机的结构与汽油机相似，图 10-3-6 为柴油机的结构示意图，由于柴油机通过压缩空气直接点燃柴油，气缸顶部的火花塞换成了喷油嘴。 图10-3-6 柴油机结构示意图 柴油机的结构 柴油机的工作循环过程：柴油机的工作循环过程也分为吸气、压缩 、做功、排气四个冲程。 1. 吸气冲程中只有空气进入气缸。 2. 压缩冲程使气缸内的空气温度升高。压缩结束时，气缸内温度超过柴油燃点，此时，从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气立即燃烧起来。 3. 做功冲程中气缸内气体的压强、温度急剧增大，从而有力地推动活塞对外做功。 柴油机的工作循环工程 与汽油机相比，柴油机的零件结构强度更高， 也更笨重，但柴油机油耗低、功率大，因此多用于载重汽车、坦克、轮船及小型发电机。近年来，随着柴油机技术的进步，传统柴油机的缺点逐步得到改善，目前许多汽车也采用柴油机作为动力装置。 柴油机的应用 载重汽车 坦克 轮船 小型发电机 想想议议：柴油机和汽油机不同点有哪些？ 内燃机 项目 汽油机 柴油机 燃料 汽油 柴油 构造 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 主要特点 主要用途 火花塞 喷油嘴 汽油和空气的混合物 空气 压缩程度小 压缩程度大 点燃式 压燃式 轻巧、效率较低 笨重、效率较高 小汽车和小型农业机 械、低速飞机等 载重汽车、 拖拉机、火车、轮船等 PART FOUR 热机的效率 在历史上很长一段时期，木柴和煤炭是人类的主要生活燃料。20 世纪末，煤气成为城市居民日常使用的生活燃料，煤气生产出来后储存在巨大的“煤气包”（图 10-4-2）中，并通过管道 输送到千家万户；进入 21世纪以后，更清洁环保的天然气逐步替代煤气成为居民的主要生活燃料，遍布城市各处的“煤气包”也陆续退出历史舞台。 人类燃料的发展 图 10-4-2 “煤气包” 木材 煤炭 天然气管道 通常情况下，体积相同的煤气和天然气完全燃烧，天然气放出的热量比煤气放出的热量多。 研究发现，质量或体积相等的不同燃料，在完全燃烧时所放出的热量一般不同。 1.热值：在物理学中，把某种燃料完全燃烧时放出的热量 Q 与燃料质量 m 之比，叫做这种燃料的热值,用 q 表示. 单位:焦 / 千克，读作“焦每立方米”； 符号是 J/kg。 热值 燃料完全燃烧放出的热量 Q = mq。 q: 燃料的热值；单位：J/kg Q：燃料完全燃烧放出的热量；单位：J m: 燃料的质量；单位：kg 3.物理意义：热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。 比值定义法 2.公式： 1.与比热容相似，不同燃料的热值一般不同，其大小与燃料的种类有关，与燃料的质量（或体积）、是否燃烧、是否完全燃烧无关； 2.液氢的热值最大：液氢的热值为1.43×108J/kg。 表 10-4-1 一些常见燃料的热值 为什么发射火箭上天要用氢做燃料？ 因为氢的热值大，质量相等的不同燃料完全燃烧，氢释放的热量最多，故利用氢做燃料。 氢的热值大的应用 1.气体燃料的热值：气态燃料的热值也可以用 1 个标准大气压、 0 ℃ 时，气体完全燃烧时放出的热量与其体积之比来表示. 4.物理意义：热值在数值上等于在标准状况下1m3的燃料完全燃烧放出的热量。 2.公式： 3.气体燃料的单位：焦/米³，读作“焦每立方米”；符号：J/m3。 气体燃料的热值 例如，氢气的热值又可表示为1.28×10⁷J/m³, 它表示在标准状况下1m³ 氢气完全燃烧，放出的热量为1.28×10⁷J。 燃料的热值三点说明： ①热值与燃料的种类有关，反映了燃料燃烧放出热量的本领大小. ②只有在完全燃烧时放出的热量与质量之比才是这种燃料的热值，如果用没有完全燃烧放出的热量计算出的热值就比实际值小. ③热值是针对一定质量或体积的燃料而言的，如果同种燃料的质量或体积不同，则完全燃烧时放出的热量大小不同. 56 热机工作时对外做功的能量只是从高温物体吸收的一部分能量；高温物体的相当一部分能量散失了。对于内燃机而言，由于其排出的废气温度较高，带走很大一部分能量；此外，还有一部分能量损耗在散热及克服摩擦做功上。 图 10-4-4 为某汽车发动机的能量分配图。 图 10-4-4 某汽车发动机能量分配图 汽车发动机能量分配图 1.热机效率：热机工作时，用来做功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率。 η *2.公式： 3.物理意义：热机的效率是热机性能的重要指标，在做功相同的情况下，热机的效率越高，燃料的消耗越少。高效率、低油耗热机的研制是现代科技的一个重要方向。 热机效率 蒸汽机的效率很低，只有 6% ～ 15%。内燃机中的燃料与空气充分混合后在气缸内燃烧，效率普遍高于蒸汽机。目前，汽油机的效率一般可达 20% ～ 30%， 柴油机的效率则可达 30% ～ 45%。 蒸汽机的效率 6% ～ 15% 柴油机的效率 20% ～ 30% 汽油机的效率 20% ～ 30% 所以，一般情况下，η蒸汽机＜η汽油机＜η柴油机 提高热机效率的主要途径： 为合理利用能源，人们一直在努力提高热机效率，其主要途径是减少热机工作中的各种能量损失、‌降低机械摩擦损失等。 1.减少热量散失： 使用陶瓷基复合材料等高效隔热材料包裹高温部件；‌‌ 强化冷却系统热管理，避免过量散热导致的能量浪费。‌‌ 2.‌降低机械摩擦损失‌： 采用纳米润滑油或磁悬浮轴承技术减少运动部件摩擦；‌‌ 优化活塞环与气缸壁间隙设计，降低摩擦力损耗。‌‌ 提高热机效率的主要途径 第一次工业革命以来，热机的大量使用使人类摆脱了繁重的体力劳动，促进了生产力的发 展。但是热机工作时所排放的废气中含有二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等多种气 体，会对环境产生一定程度的破坏。二氧化硫与氮氧化物排放在大气中形成酸雨（图 10-4-5 ）。 二氧化碳及大量热量通过废气排入空气中，导致温室效应加剧、全球气候变暖。 为此，我国不断提升机动车污染物排放标准，促进热机技术升级。与此同时，大力发展公 共交通系统，鼓励公众绿色环保出行，倡导节能减排的生活方式。 图 10-4-5 工业废气形成酸雨 热机的使用对环境的影响 感谢观看 THANK YOU FOR WATCHING $$