12.4 机械能与内能的相互转化（讲义）物理新教材苏科版九年级上册

第十二章 机械能和内能 四、机械能与内能的相互转化 课标要点 1.知道机械能与内能可以相互转化，能通过生活实例（如滑滑梯臀部发热、水蒸气冲开橡胶塞等）分析能量转化过程。 2.知道做功是改变物体内能的另一种方式，理解做功改变内能的实质是其他形式的能与内能之间的转化，热传递改变内能的实质是内能的转移。 3.知道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，了解热机在生活生产中的应用。 4.知道内燃机是最常见的热机，了解汽油机的一个工作循环由吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程四个冲程组成，能分析各冲程中的能量转化情况。 5.知道燃料的热值概念，知道热值的单位是焦每千克（J/kg），会利用公式 Q放 = mq 进行简单计算。 6.通过探究“做功对物体内能的影响”“点火爆炸”“比较不同燃料燃烧放出的热量”等活动，进一步掌握转换法和控制变量法，培养实验观察、数据分析和归纳总结能力。 7.了解热机的发展历程（蒸汽机、内燃机、涡轮喷气发动机、火箭发动机），关注我国在火箭发动机研制方面的成就，激发爱国情怀和科学探索精神。 学习重难点 重点：做功改变内能的实质——机械能与其他形式的能转化为内能；热传递改变内能的实质——内能的转移；机械能与内能相互转化的实例分析；汽油机四个冲程的名称、工作过程和能量转化；燃料热值的概念、单位及公式 Q放= mq 的应用；理解热机是将内能转化为机械能的装置。 难点：区分做功改变内能与热传递改变内能的实质；汽油机四个冲程中能量转化的准确判断；热值概念的理解；吸热效率、热机效率的理解与计算。 知识点 做功——改变物体内能的另一种方式 1. 做功改变内能的实验探究： 实验 操作 现象 能量转化 弯折铁丝 将铁丝快速弯折十余次，用手触摸弯折处 弯折处温度升高，铁丝内能增大 机械能→内能 压缩空气引火 在空气压缩引火仪的玻璃筒底部放一小片硝化棉，将活塞迅速下压 弯折处温度升高，铁丝内能增大 机械能→内能 水蒸气冲开橡胶塞 加热试管中的水至沸腾，橡胶塞被水蒸气冲出去 橡胶塞被冲出，管口出现白雾 内能→机械能 2. 做功改变内能的实质： 做功改变物体内能的实质是其他形式的能与内能之间的转化。 对物体做功，机械能转化为内能，物体内能增大； 物体对外做功，内能转化为机械能，物体内能减小。 3. 改变内能的两种方式对比： 做功 热传递 实质 能量的转化（其他形式的能与内能相互转化） 能量的转移（内能从高温处转移到低温处） 条件 对物体做功或物体对外做功 存在温度差 效果 做功和热传递在改变物体内能上是等效的 实例 摩擦生热、压缩气体、水蒸气冲开橡胶塞 金属勺放热汤中、食品放冰箱 4. 做功改变内能的实例分析： 实例 能量转化 内能变化 摩擦生热（搓手取暖） 机械能→内能 内能增大 压缩气体（打气筒发热） 机械能→内能 内能增大 气体膨胀对外做功（水蒸气冲开橡胶塞） 内能→机械能 内能减小 弯折铁丝发热 机械能→内能 内能增大 随学随练 1．寒冷冬天，我们用力搓搓手，手会发热，以下事例中，与此现象改变物体内能原理不同的是（     ） A．钻木取火 B．可乐加冰块 C．划燃火柴 D．滑下滑梯时臀部感到热 【答案】B 【详解】搓手发热的原理是通过克服双手之间的摩擦，将机械能转化为内能，使手的温度，是通过做功改变物体内能。 ACD．钻木取火、划燃火柴、滑下滑梯时臀部感到热，均是克服摩擦做功，机械能转化为内能，属于做功改变物体内能，与搓手发热原理相同，故ACD不符合题意； B．可乐加冰块，热量从可乐传递给冰块，属于热传递改变物体内能，与搓手发热原理不同，故B符合题意。 故选B。 2．如图所示的空气压缩引火仪，可以说是古代“钻木取火”智慧的延伸。关于改变物体内能的方式，下列说法错误的是（     ） A．钻木取火是通过做功的方式改变物体的内能 B．迅速压下引火仪的活塞，硝化棉燃烧起来，此过程机械能转化为内能 C．冬天用热水袋取暖，是通过做功的方式使手的内能增加 D．气体膨胀对外做功时，气体内能会减小 【答案】C 【详解】A．钻木取火是克服摩擦做功，机械能转化为内能，属于做功改变物体内能，故A正确； B．迅速压下活塞对气体做功，机械能转化为内能，气体温度升高引燃硝化棉，故B正确； C．用热水袋取暖是热量从高温物体传递给低温物体，通过热传递的方式使手的内能增加，故C错误； D．气体膨胀对外做功，内能转化为机械能，气体内能减小，故D正确。 本题选择错误的描述，故选C。 3．熨斗古代亦称火斗，最早出现于西汉，以青铜质地为主。使用时，先用炭火将其加热，再用它去熨烫衣物。其改变内能的方式是________。宋元时期，出现了如左图所示带木把的熨斗，由于木头的________性较差而比金属把更适合于手持。如右图所示是我国国家博物馆原始社会厅中展示的一种取火器，它以牛角作外套筒、木棒作推杆。取火时，先在杆前端粘附艾绒，再一手握住套筒，一手猛推杆入筒，然后迅即拔出推杆，便可得到燃烧的艾绒。其改变内能的方式是________。 【答案】 热传递 导热 做功 【详解】炭火加热后的熨斗温度高于衣物，熨烫时热量从熨斗转移到衣物上，是通过热传递的方式改变衣物的内能； 金属的导热性很强，高温熨斗的热量会快速传递到金属把手导致把手烫手；而木头的导热性较差，热量不容易快速传递到手持的位置，因此木把更适合手持； 压缩筒内空气时对气体做功，机械能转化为内能，属于做功改变物体的内能。 知识点 热机 1. 热机的定义： 热机是热力发动机的简称，它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。 2. 热机的种类： 蒸汽机：最早的熱机，燃料在汽缸外燃烧加热水产生蒸汽推动活塞（外燃机）。 内燃机：燃料在汽缸内直接燃烧，产生高温高压燃气推动活塞做功。最常见的内燃机有汽油机和柴油机。 涡轮喷气发动机：用于飞机，压缩后的混合气体在燃烧室内燃烧，高速喷出产生反冲力。 火箭发动机：自带燃料和氧化剂，可在大气层之外工作。 其中内燃机是最常见的一种热机，也是主要考察的对象。 3. 汽油机的工作过程（四冲程）： 汽油机工作时，活塞在汽缸里做往复运动。活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程，称为一个冲程。一个工作循环分为四个冲程： 冲程 进气门 排气门 活塞运动 能量转化 说明 吸气冲程 打开 关闭 向下 — 吸入空气和燃料的混合气体 压缩冲程 关闭 关闭 向上 机械能→内能 混合气体被压缩，温度升高 做功冲程 关闭 关闭 向下 内能→机械能 火花塞打火，混合气体猛烈燃烧，产生高温高压燃气推动活塞 排气冲程 关闭 打开 向上 — 将废气排出汽缸 注意：汽油机四冲程中的能量转化：压缩冲程机械能转化为内能，做功冲程内能转化为机械能。对汽油机而言，四冲程中真正获取能量的只有做功冲程，其他三个冲程依靠飞轮的惯性完成。 一个工作循环中，包括4个冲程，活塞往复2次，曲轴转动2圈，对外做功1次。 4. 汽油机和柴油机的比较： 汽油机 柴油机 结构 顶部有火花塞 顶部有喷油嘴 吸气冲程 吸入空气和汽油的混合物 只吸入空气 点火方式 火花塞点燃（点燃式） 喷油嘴喷出柴油，压燃（压燃式） 特点 轻巧，用于汽车、小型飞机 功率较大，热效率较高，用于载重汽车、拖拉机、坦克、轮船 随学随练 1．如图是四冲程汽油机的工作示意图，下列说法正确的是（     ） A．乙图是吸气冲程，吸入的只有汽油 B．甲图是做功冲程，将内能转化为机械能 C．汽油机一个工作循环正确的顺序是：乙→甲→丙→丁 D．汽油机工作时，提供动力的是丙图所示冲程 【答案】B 【详解】ABC．乙图进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，为吸气冲程，吸入气缸的是汽油和空气的混合物；甲图两气门关闭，火花塞点火，活塞向下运动，为做功冲程，将内能转化为机械能；丙图两个气门都关闭，活塞向上运动，是压缩冲程，将机械能转化为内能；丁图排气门打开，进气门关闭，活塞向上运动，是排气冲程。汽油机一个工作循环的正确顺序是吸气、压缩、做功、排气，即乙→丙→甲→丁，故B正确，AC错误； D．汽油机工作时，提供动力的是做功冲程，即甲图所示冲程，故D错误。 故选B。 2．一台单缸四冲程内燃机1秒内完成了60个冲程，则曲轴的转速为__________r/s。在曲轴处加润滑油可以__________（填“增大”或“减小”）曲轴转动时的摩擦力。在压缩冲程中气体的温度升高，这是通过__________的方式增加内能，如图__________（填字母）表示该冲程。 【答案】 30 减小 做功 B 【详解】由四冲程内燃机工作规律可知，一个工作循环包括4个冲程，对外做功1次曲轴转2圈，所以在1s时间内有个工作循环，对外做功15次，故曲轴转速为； 加润滑油可使接触面彼此分离，故减小曲轴转动时的摩擦力； 压缩冲程中活塞对汽缸内气体做功，机械能转化为内能，是通过做功的方式增加内能； 压缩冲程的特征为两气门均关闭、活塞向上运动，故图B表示该冲程。 3．图甲中气球在放气时，它喷气的嘴部温度和原来相比______________（变高/没有变化/变低），此过程发生的能量转化与图乙中的内燃机在图中______________（A/B）所示过程的能量转化是一致的。某单缸四冲程汽油机，飞轮每分钟转2400转，则每秒对外做功______________次。 【答案】 变低 A 20 【详解】气球内的气体向外喷出时，气体对外做功，自身内能减小，温度降低，因此喷气嘴部温度和原来相比变低。 气球放气过程内能转化为机械能。图A中内燃机的两个气门都关闭，活塞向下运动，火花塞点火，是做功冲程，该过程将内能转化为机械能；图B中两个气门都关闭，活塞向上运动，是压缩冲程，将机械能转化为内能。故选A。 飞轮每秒转动的转数 四冲程汽油机飞轮每转2周对外做功1次，故每秒对外做功次数。 知识点 燃料的热值 1. 实验探究：比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量： 实验方法 控制变量法（燃料质量相等、水的质量相等） + 转换法（水温变化反映燃料放热多少） 实验器材 酒精、面巾纸碎片（各5g）、两个燃烧皿、两支试管（各装约30g水）、温度计 实验步骤 ① 取质量相等的酒精和面巾纸碎片，分别放入两个燃烧皿中；② 点燃后对装有相等质量水的试管加热，使燃料充分燃烧；③ 记录加热前后两支温度计的示数 实验现象 质量相等的酒精和面巾纸碎片充分燃烧后，试管中水温的变化不一样 实验结论 质量相等的不同燃料，完全燃烧所放出的热量一般是不相等的 2. 热值的定义： 通过上述实验可知，不同燃料在完全燃烧时放热的本领强弱不同，物理中为了描述这种燃料完全燃烧时的放热能力，引入了热值的概念。 燃料完全燃烧放出的热量与燃料的质量之比，叫作这种燃料的热值。燃料的热值用q表示，单位是J/kg （对于气体燃料，通常用体积形容燃料的量，这时热值是热量与燃料体积之比，单位是J/m3）。 完全燃烧：指燃料全部烧尽，无残留（实际中难以完全燃烧，因此实际放热通常小于理论值）。 3. 热量的计算： 公式：Q放=mq(固体或液体燃料) Q放=Vq（气体燃料）。 4. 一些燃料的热值（常见值）： 5. 热值的理解要点： 热值是燃料的一种属性，只与燃料的种类有关； 热值与燃料的质量、体积、是否完全燃烧、放热多少均无关； "完全燃烧"是计算热值的前提条件。 随学随练 1．我国“人造太阳”EAST装置运行时会产生大量热量，可用水冷却。若冷却系统中装有、初始温度为25℃的水，吸收了的热量，则水温升高到_______℃；若这些热量由氢气完全燃烧提供，不计热量损失，需要氢气的质量为_______。[，] 【答案】 65 0.6 【详解】根据可得，水升高的温度 水的末温 因不计热量损失，故氢气完全燃烧放出的热量等于水吸收的热量，即 根据可得，需要氢气的质量 2．在一个标准大气压下，完全燃烧0.5kg焦炭，用来加热初温为60℃、体积为20L的水，这些热量的28%被水吸收。[q焦炭=3.0×107J/kg，ρ水=1.0×103kg/m3，c水=4.2×103J/（kg·℃）]求： (1)完全燃烧0.5kg焦炭放出的热量； (2)加热后水的末温； 【答案】(1) (2) 【详解】（1）焦炭完全燃烧，放出的热量 （2）水的体积 水的质量 水吸收的热量 理论上水升高的温度 理论上水的末温 而标准大气压下水的沸点是100℃，水温最高不会超过沸点，所以水的末温为100℃。 3．天然气灶使用方便、经济环保。天然气灶将一壶质量为1kg、温度为的水加热至，大约需要8min，已知水的比热容为，天然气的热值为。求： (1)水吸收的热量； (2)若天然气完全燃烧放出的热量60%被水吸收，则加热这壶水需要多少天然气？ 【答案】(1) (2) 【详解】（1）由题可知，水升高的温度 水吸收的热量 （2）由得天然气完全燃烧放出的热量 由得需要天然气的体积 知识点 热机效率和吸热效率 1. 热机效率： （1）定义：热机工作时，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫做热机效率。 （2）计算公式：，因为能量不可能完全转换，机械效率必然小于1。 （3）热机效率总小于1的原因： 废气带走大量热量（最主要的热损失）； 冷却水带走热量； 克服摩擦做功消耗能量； 燃料不可能完全燃烧。 （4）提高热机效率的途径： 使燃料尽可能充分燃烧； 尽量减少各种热量损失（如利用废气余热）； 减小机械摩擦损耗； 改进机械结构，提高密封性。 常见热机效率参考值：汽油机约 20%~30%，柴油机约 30%~45%，涡轮喷气发动机约 40%~50%。 2. 吸热效率（加热效率）： （1）定义：在加热过程中，被加热物质吸收的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫做吸热效率。 （2）公式：。吸热效率也必然小于1。 3. 热机效率与吸热效率的对比： 热机效率 吸热效率 定义 有用功与燃料完全燃烧放热之比 被加热物质吸收的热量与燃料完全燃烧放热之比 公式 对象 热机（将内能转化为机械能） 加热装置（将热量传递给水等物质） 能量流向 内能→机械能（有用功） 燃料放热→水吸热 转化/转移过程中的主要损耗 废气带走热量、摩擦损耗等 向周围环境散热、容器吸热等 随学随练 1．如图所示为某折叠卡式炉，采用丁烷气体作为燃料。水壶装入初温为的水，用卡式炉加热至，消耗了丁烷气体（丁烷的热值为）。求： (1)壶中水的质量； (2)水吸收的热量； (3)卡式炉的加热效率。 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）水的体积 由得水的质量 （2）水升高的温度 水吸收的热量 （3）丁烷的质量 丁烷完全燃烧放出的热量 卡式炉的加热效率 2．我国自行设计研制的AG600鲲龙水陆两栖飞机，当该飞机以360km/h的速度水平匀速直线运动10min。消耗航空煤油90kg，飞机发动机的功率为3000kW。求：（航空煤油的热值为4×107J/kg） (1)90 kg航空煤油完全燃烧放出的热量； (2)飞机在匀速直线运动过程中，发动机的牵引力； (3)飞机发动机的效率。 【答案】(1) (2) (3)50% 【详解】（1）煤油完全燃烧放出的热量 （2）飞机水平匀速直线运动，先换算单位， 由功率公式，得发动机的牵引力 （3）发动机运动时间 发动机做的有用功 飞机发动机的效率 3．为改善城市空气质量，很多城市用雾炮车洒水除尘。如图为一台正在水平路面上洒水的雾炮车，车和驾驶员的总质量为8吨。（柴油的热值取，g取）求： (1)雾炮车洒水前匀速行驶时受到路面阻力是车重的0.1倍，则发动机的牵引力为多少N； (2)洒水前雾炮车在水平路面上匀速行驶12km，牵引力所做的功是多少J； (3)若匀速行驶12km消耗的柴油为6kg，则雾炮车发动机的效率是多少？ 【答案】(1) (2) (3) 40% 【详解】（1）车和驾驶员的总重力为 洒水前雾炮车匀速行驶，水平方向受力平衡，此时牵引力等于阻力，所以发动机的牵引力为 （2）牵引力所做的功是 （3）消耗6kg柴油放出的热量为 雾炮车发动机的效率是 题型 改变内能的两种方式——做功和热传递的辨析 题型描述：给出生活实例或实验现象，判断改变内能的方式是做功还是热传递；或比较两种方式的实质区别；常见形式有：判断说法正误、解释现象、分析能量转化。 解题方法： 核心区别： 做功：实质是能量的转化（其他形式的能与内能相互转化）； 热传递：实质是能量的转移（内能从高温处转移到低温处）。 判断方法： 若存在温度差，能量从高温物体传到低温物体 → 热传递； 若物体对外做功或外界对物体做功（如压缩、摩擦、膨胀） → 做功。 等效性：做功和热传递在改变内能上是等效的，但本质不同。 避坑口诀：“做功转化，热传递转移；温度差找热传递，压缩摩擦是做功。” 活学活用 1．下列事例中利用热传递改变内能的是（     ） A．太空中的陨石坠入地球大气层成为流星 B．滑冰时，冰刀在长时间使用下，温度升高 C．双手反复摩擦，手会感觉暖和 D．夏天，广场上的石凳因太阳照射而发烫 【答案】D 【详解】改变内能的方式有做功和热传递两种，做功本质是能量的转化，热传递本质是内能的转移。 A．陨石坠入大气层时与空气摩擦做功，机械能转化为内能，属于做功改变内能，故A不符合题意； B．滑冰时冰刀与冰面摩擦做功，机械能转化为内能，属于做功改变内能，故B不符合题意； C．双手反复摩擦做功，机械能转化为内能，属于做功改变内能，故C不符合题意； D．石凳通过热辐射吸收太阳的热量，内能增加温度升高，属于热传递改变内能，故D符合题意。 故选D。 2．如图所示的实验或事例，属于内能转化为机械能的是（    ） A．滑下滑梯，臀部有灼热感 B．搓手取暖 C．压缩空气，棉花燃烧 D．水沸腾壶盖跳动 【答案】D 【详解】依据做功改变物体内能的规律：对物体做功，机械能转化为内能；物体对外做功，内能转化为机械能； A．滑下滑梯时克服摩擦做功，机械能转化为内能，故A不符合题意； B．搓手时克服摩擦做功，机械能转化为内能，故B不符合题意； C．压缩空气时对空气做功，机械能转化为内能，故C不符合题意； D．水沸腾时水蒸气膨胀对壶盖做功，内能转化为机械能，故D符合题意。 故选D。 3．如图所示，在烧瓶内盛有少量水，并盖紧瓶塞。向瓶内打气，当瓶塞跳起时，你会观察到瓶内出现____________，这说明空气膨胀对外____________，空气内能____________，温度____________。 【答案】 白雾 做功 减小 降低 【详解】向瓶内打气后，瓶内气压足够大推动瓶塞跳起时，瓶内的高压空气膨胀，对瓶塞做功。物体对外做功，自身内能会减小，温度随之降低。瓶内的水蒸气，遇冷后液化成细小的小水滴，聚集起来就形成了我们观察到的白雾。 题型 热机的冲程判断及其对应的能量转化 题型描述：给出汽油机（或柴油机）的某个冲程示意图，要求判断冲程名称、气门开闭情况、活塞运动方向及能量转化；或根据能量转化判断是哪个冲程。 解题方法： 快速判断口诀： 两门一开一闭 → 吸气或排气（进气门开是吸气，排气门开是排气）； 两门都关 → 压缩或做功（活塞向上是压缩，活塞向下是做功，且做功冲程通常有火花塞点火）。 重要规律： 一个工作循环中，活塞往复 2 次，曲轴转 2 圈，对外做功 1 次； 只有做功冲程是燃气对外做功，将内能转化为机械能，其他冲程依靠飞轮的惯性完成。 压缩冲程是机械能转化为内能。 避坑口诀：“两门同闭看活塞，向上压缩下做功；进气开是吸气，排气开是排气。” 活学活用 1．如图所示为四冲程汽油机工作过程中某一冲程的示意图，关于该冲程，下列说法正确的是（     ） A．进气门打开，吸入汽油和空气的混合物 B．火花塞产生电火花，燃气推动活塞向下运动 C．两气门关闭，活塞向上运动，机械能转化为内能 D．排气门打开，排出废气 【答案】C 【详解】图中两气门均关闭，活塞向上运动，为压缩冲程，机械能转化为内能，气缸内物质的内能增大，温度升高，故选C。 2．汽油机的一个工作循环是由四个冲程组成的，如图中表示______冲程，在此冲程中汽油机实现了______能转化为______能。 【答案】 做功 内 机械 【详解】由图可知，进气门和排气门都关闭，活塞下行，火花塞发出电火花，是做功冲程； 在做功冲程中，汽油燃烧释放的内能推动活塞向下运动，将内能转化为活塞运动的机械能，对外输出动力。 3．“辽宁舰”服役，圆了中国航母梦，如图为航母上简化的蒸汽弹射装置，能带动舰载机在两秒钟内达到起飞速度。 (1)牵引索与蒸汽活塞连接的两个滑轮为___________（选填”定滑轮”或“动滑轮”）。 (2)气缸内蒸汽体积膨胀对外做功，同时推动活塞，使舰载机获得巨大的牵引力，___________能转化为___________能。这时从能量的转化角度讲，相当于内燃机的___________冲程。 (3)使舰载机从静止到起飞速度的2秒钟内，牵引索的拉力___________（选填“小于”、“大于”或“等于”）舰载机的摩擦力。 【答案】(1)定滑轮 (2) 内 机械 做功 (3)大于 【详解】（1）图中两个滑轮的轴位置固定，不会随牵引索的运动发生位置移动，这是定滑轮的特点，所以这两个滑轮是定滑轮。 （2）气缸内的高温高压蒸汽具有内能，体积膨胀对外做功时，将自身的内能转化为活塞运动的机械能。 内燃机的做功冲程也是将燃气的内能转化为机械能，二者能量转化形式完全一致。 （3）舰载机从静止加速到起飞速度，运动状态不断改变，说明它受到的是非平衡力：只有牵引索的拉力大于舰载机受到的摩擦力，合力方向与物体运动方向一致，舰载机的速度才会持续增大。 题型 热机工作循环、冲程数、转速与做功次数的计算 题型描述：已知热机（汽油机/柴油机）的转速、工作循环数、冲程数或做功次数中的某一个量，求其他相关量；常见形式有：已知转速求每秒做功次数、已知做功次数求转速、判断某段时间内完成的工作循环数等。 解题方法： 核心关系（四冲程内燃机）： 1 个工作循环 = 4 个冲程 = 活塞往复 2 次 = 曲轴转 2 圈 = 对外做功 1 次。 这是一个工作循环中个事件完成的次数，同时也是完成相应计算时对应的比例关系。 标准解题步骤： ① 明确已知量（转速、做功次数、时间等）； ② 根据“1个工作循环 = 4 个冲程= 曲轴转2圈 = 做功1次”建立比例关系； ③ 统一时间单位（通常换算为秒）； ④ 代入计算，得出结果。 避坑口诀： “一循环四冲程，曲轴两圈一做功；转速先换每秒整，除以二得做功数；乘二得冲程数，时间统一不犯错。” 易错警示： 转速单位是 r/min，计算时看清楚问题的单位，是否需要换算为 r/s； “做功次数”与“冲程数”不同：做功次数 = 工作循环数，冲程数 = 4 × 工作循环数； 活塞往复 2 次对应曲轴转 2 圈，不要误以为往复 1 次就是 1 个工作循环。 活学活用 1．如图是四冲程汽油机___________冲程的示意图；该单缸四冲程汽油机的飞轮转速是1800r/min，则它1min对外做功___________次，完成___________次工作循环。 【答案】 压缩 900 900 【详解】由图可知，汽油机两气门均关闭、活塞向上运动，可知为压缩冲程；因四冲程汽油机每完成1次对外做功，飞轮转动2周，对应1个工作循环，由题知飞轮每分钟转动1800转，故1min对外做功次数为 1min完成的工作循环数为 2．为使舰载机在短时间内达到起飞速度，航母上安装了蒸汽弹射装置，如图所示为其简化原理图。气缸内蒸汽体积膨胀对外做功，同时推动活塞，从而使舰载机获得巨大的牵引力，弹射出去。从能量转化角度讲，蒸汽弹射装置原理与汽油机工作的______（选填“甲”或“乙”）冲程相似。若该汽油机的转速为3000r/min，则1s内汽油机对外做功______次。汽油机发动机在工作时还会产生大量的热，通常采用水循环将热量带走，这是利用水的______的特性。 【答案】 甲 25 比热容大 【详解】因蒸汽弹射装置工作时将内能转化为机械能，甲冲程为汽油机的做功冲程，二者能量转化形式相同，故与甲冲程相似。 1s内飞轮转动的圈数为 因四冲程汽油机一个工作循环飞轮转2圈，对外做功1次，故1s内汽油机对外做功次数为 次。 水的比热容大，相同质量的水和其他物质相比，升高相同温度可以吸收更多热量，冷却效果更好，因此汽油机用水循环带走热量利用的是水的比热容大的特性。 3．某单缸四冲程汽油机的汽缸活塞横截面积为，一个冲程活塞在汽缸中移动的距离是，满负荷工作时做功冲程中燃气的平均压强为，飞轮内转动。若汽油机满负荷工作（不计摩擦），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）汽油机的功率。 【答案】（1）；（2）；（3） 【详解】（1）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）内燃气对活塞做功的次数 汽油机的功率 题型 热值的概念及其物理意义 题型描述：考查热值的定义、单位、物理意义；常见形式有：判断关于热值的说法是否正确、比较不同燃料热值的大小、解释热值属性。 解题方法： 热值是燃料的一种属性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧、放热多少无关。 常见说法辨析： “燃料燃烧越充分，热值越大” ✗ 热值与是否完全燃烧无关 “质量越大的燃料，热值越大” ✗ 热值与质量无关 “热值越大的燃料，燃烧放热越多” ✗ 放热还与质量有关 “热值是燃料的一种属性” √ 只与种类有关 避坑口诀：“热值属性看种类，质量燃烧都不管；Q放等于mq，气体还要乘体积。”。 活学活用 1．干木柴、焦炭和无烟煤的热值柱状图如图所示，下列说法中正确的是（     ） A．焦炭的热值大于无烟煤的热值 B．在完全燃烧的条件下，无烟煤放出的热量最多 C．在质量相同的条件下，干木柴燃烧放出的热量最少 D．焦炭的热值等于焦炭的热值 【答案】D 【详解】A．由图可知，故A错误； B．由可知，未知质量的关系，无法比较放出热量的多少，故B错误； C．由可知，只有在质量相同且完全燃烧的条件下，热值越小放出热量才越少，未指明完全燃烧，故C错误； D．热值是燃料的一种特性，只与燃料种类有关，与质量无关，故D正确。 故选D。 2．小丽用相同的加热器分别对质量为0.2kg的水和0.3kg的另一种液体进行加热，得到实验数据如图所示，水在16min内吸收的热量为________J，则这些水吸收的热量等于完全燃烧________天然气所放出的热量，天然气在燃烧过程中，热值________（选填“变大”、“变小”或“不变”）。根据图像可知，另一种液体的比热容为________。[已知水的比热容，天然气的热值] 【答案】 不变 【详解】由图像可知，水的初温为，第16min时的温度为，16min内升高的温度 水在16min吸收的热量为 由题意知，由可得，需要完全燃烧的天然气 热值是燃料的固有特性，与燃烧的燃料质量、体积无关，故天然气燃烧过程中热值不变。 水16min吸收的热量是，所以水8min吸收的热量为 由图像可知，另一种液体的初温为，第8min时的温度为，8min内升高的温度 另一种液体8min吸收的热量等于水8min吸收的热量，即 由可得 3．吉利牌“涡轮增压”（T型）轿车，通过给发动机更足量空气使汽油更充分地燃烧，比普通轿车（L型）更节能，排气更清洁，同样的汽油加在T型轿车内与加在L型轿车内相比，热值_______（选填“更大”、“一样大”或“更小”）；为防止发动机温度过高，用水进行冷却，这是利用水的_______较大；若该汽油机每秒钟对外做功15次，则飞轮转速为_______r/min。 【答案】 一样大 比热容 1800 【详解】[1]热值是燃料本身的特性，与燃烧是否充分无关，所以同样的汽油加在T型轿车内与加在L型轿车内相比，热值一样大。 [2]因为水的比热容较大，相同质量升高相同温度时，水吸收热量更多。所以用水进行冷却。 [3]汽油机每秒钟对外做功15次，所以每秒完成15个工作循环。每个工作循环飞轮转2圈，所以每秒飞轮转转，每分钟转转。 题型 热机效率的计算 题型描述：已知热机做的有用功和燃料完全燃烧放出的热量，求热机效率；或已知热机效率和燃料放热，求有用功；常见于热机性能分析。 解题方法： 核心公式： 热机效率总小于1的原因：废气带走热量、冷却水带走热量、摩擦损耗、燃料不完全燃烧。 提高热机效率的途径：使燃料充分燃烧、减少热量损失、减小摩擦、改进结构。 标准解题步骤： ① 计算燃料完全燃烧放出的热量 Q总 = mq； ② 明确有用功 W有用（通常为牵引力做的功 W = Fs 或输出功）； ③ 代入公式 η = W有用 / Q总 计算。 避坑口诀：“热机效率看有用，除以总热是比值；废气散热摩擦耗，提高效率三途径。” 活学活用 1．2023年9月，南通建造的远洋货轮“中远川崎337”出海试航。假设试航10min，试航过程中以10m/s的速度匀速直线航行，航行过程中牵引力为。已知燃油机完全燃烧3000kg的燃油，。求试航过程中： (1)货轮牵引力做的功。 (2)求货轮的功率。 (3)货轮的热机效率。 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）试航时间 货轮航行的路程 货轮牵引力做的功 （2）货轮的功率 （3）燃油完全燃烧放出的总热量 热机效率 2．如图所示是9·3阅兵式，我国自主研发的无侦无人机，具备全球唯一的隐形电子作战能力，该无人机最大航程4000km，最大载油量为1.6 t。水平飞行过程中所受的阻力与速度的关系如下表所示。 速度/m•s﹣1 100 150 200 300 阻力/N 800 1800 3200 7200 (1)该无人机以200m/s的速度水平匀速飞行时，发动机的牵引力功率是多少？ (2)若在油箱中加满燃油，燃料完全燃烧能放出热量为6.4×1010J，求燃油的热值是多少？ (3)该飞机加满油以200m/s的速度水平匀速飞行达到最大航程，则发动机的效率至少为多大？ 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）由表格数据可知，无人机以200m/s的速度水平匀速飞行时，处于平衡状态，发动机的牵引力等于其所受的阻力，即 发动机的牵引力功率 （2）无人机最大载油量 燃油的热值 （3）该无人机最大航程 无人机以200m/s的速度水平匀速飞行达到最大航程时，所做的功 则发动机的效率至少 3．小明学习热机知识后，研究了自家汽车的汽油机的情况。查阅资料得知：自家汽车使用的是92号汽油，油箱可容纳最多42kg的汽油。[，]。 (1)满箱汽油完全燃烧放出的热量是多少？ (2)发动机正常工作时，需要用冷却水在汽缸周围循环的流动给汽油机降温。根据图的相关数据，若满箱汽油使用完之后被冷却水吸收的那部分热量全部用来给水加热，则可以使多少千克的水从20℃升高到80℃？ (3)满箱汽油完全燃烧，可使小汽车输出的有用功是多少？ 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）满箱汽油完全燃烧放出的总热量为 （2）冷却水吸收的热量为燃料总放热的30%，且全部被水吸收。水吸收的热量为 水升高的温度为 由得，水的质量为 （3）由能流图可知，有用功占燃料总放热的比例为热机效率。热机效率为 输出的有用功为 题型 吸热效率的计算 题型描述：在加热过程中，已知被加热物质吸收的热量和燃料完全燃烧放出的热量，求吸热效率；或已知吸热效率求燃料质量、水质量等。 解题方法： 核心公式： 与热机效率的区别： 热机效率：W有用 / Q总（对象是热机，将内能转化为机械能）； 吸热效率：Q吸 / Q放（对象是加热装置，燃料放热传递给水等物质）。 标准解题步骤： ① 计算水吸收的热量 Q吸 = cmΔt； ② 计算燃料完全燃烧放出的热量 Q放 = mq； ③ 代入效率公式 η = Q吸 / Q放。 避坑口诀：“热机效率看有用，吸热效率看水吸；两者公式要分清，不要混淆记心里。” 活学活用 1．如图所示，某同学用燃气灶烧水给餐具消毒。在一个标准大气压下，锅内水的质量为5kg，水的初温为22℃，当水刚好烧开时，共消耗了的天然气，该燃气灶烧水的热效率为70%。[水的比热容为，天然气的热值为]求： (1)的天然气完全燃烧所放出的热量； (2)以上过程中，水吸收的热量； (3)整个过程，水温度的变化量。 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）的天然气完全燃烧所放出的热量 （2）由可得，水吸收的热量为 （3）理论上水升高的温度为 理论末温 因一个标准大气压下水的沸点为，水沸腾时温度保持不变，故实际末温为，水温度实际的变化量 2．在用酒精灯做“冰的熔化”实验时，描绘出温度随加热时间变化的关系图像如图所示。根据相关知识，若冰的质量是，比热容是，酒精热值为，若燃烧始终稳定，且加热过程中酒精灯的热效率始终为。求： (1)冰从第至第吸收的热量？ (2)从第至第，消耗酒精的质量是多少？ (3)分析说明图像中和倾斜程度不同的原因？ 【答案】(1) (2)/ (3)水的比热容大于冰的比热容，质量相同的水和冰吸收相同热量时，水升高的温度更小，因此CD段倾斜程度比AB段小。 【详解】（1）冰从第至第吸收的热量为 （2）燃烧酒精放出的热量为 消耗酒精的质量为 （3）水的比热容大于冰的比热容，质量相同的水和冰吸收相同热量时，由可知，水升高的温度更小，因此CD段倾斜程度比AB段小。 3．某种晶体在熔化时变成同温度的液体所吸收的热量与其质量的比值叫作这种晶体的熔化热，用字母表示。现将质量为初温为-20℃的冰，使用天然气灶加热，其温度随加热时间变化的关系图线如图所示。水的比热容为，天然气的热值为。若段冰熔化时消耗的天然气体积为，天然气灶效率为40%，求： (1)CD段水吸收的热量； (2)BC段冰熔化过程，消耗的天然气放出热量； (3)冰的熔化过程吸收的热量； (4)冰的熔化热。 【答案】(1) (2) (3) (4) 【详解】（1）由质量属性可知，1kg的冰熔化成水的质量保持不变，故水的质量为1kg。 CD段水升高的温度为 吸收的热量为 （2）天然气放出热量为 （3）天然气灶效率为40%，则冰的熔化过程吸收的热量为 （4）由题意可知，冰的熔化热为 基础通关 1．青瓦是古建筑常用的建筑材料，制瓦工艺有上千年的历史。制瓦工艺分为成坯、晒制、高温烧制等诸多流程。高温烧制时下列说法正确的是（     ） A．燃料的质量越大，完全燃烧放出的热量越多 B．蜂窝煤做成空心的，可增大受热面，使燃烧更充分一些 C．烧制青瓦时，燃料燃烧越充分其热值越大 D．技术改造可提高锅炉效率，效率可达到100% 【答案】B 【详解】A．由燃料完全燃烧放热公式可知，放出热量由燃料质量和热值共同决定，仅质量大无法确定放热更多，故A错误； B．蜂窝煤做成空心，增大了燃料与氧气的接触面积，可使燃烧更充分，故B正确； C．热值是燃料的固有属性，仅与燃料种类有关，与燃烧是否充分无关，故C错误； D．锅炉工作时不可避免存在热量散失、废气带走热量等损耗，效率不可能达到100%，故D错误。 故选B。 2．如图所示，羊肉泡馍是陕西一道有名的地方传统小吃，它料重味醇，肉烂汤浓，营养丰富，食后回味无穷。下列有关说法正确的是（    ） A．刚出锅的羊肉汤很烫是因为它含有很高的热量 B．在熬制羊肉汤时，汤汁沸腾后，温度不变，但内能增大 C．将掰碎的饦饦馍放入羊肉汤中后，羊肉汤将温度传递给饦饦馍 D．改变羊肉泡馍内能的方式是做功 【答案】B 【详解】A．刚出锅的羊肉汤很烫，是因为它的温度很高。热量是过程量，只能描述热传递过程中转移能量的多少，不能说物体“含有很高的热量”，故A错误； B．液体沸腾的特点是持续吸热、温度保持不变；沸腾过程中汤汁持续吸收热量，内能会增大，故B正确； C．发生热传递时，传递的是热量，不是温度，羊肉汤是将热量传递给温度更低的饦饦馍，故C错误； D．制作羊肉泡馍时，馍吸收汤的热量升温，是通过热传递的方式改变内能，故D错误。 故选B。 3．如图所示是鸳鸯火锅。在左边加入牛油红汤，右边加入菌菇清汤，两种汤料质量均为1.5kg，初温均为20℃，沸点都是100℃。将火锅放在天然气灶上加热，经过6min牛油红汤开始沸腾，又过了3min菌菇清汤开始沸腾，该过程共消耗天然气。若相同时间红汤和清汤的吸热相同，汤料质量变化不计，且不考虑红汤和清汤之间的热传递，菌菇清汤比热容为，天然气热值为，下列说法正确的是（     ） A．沸腾的牛油红汤再继续加热温度不变，比热容变大 B．菌菇清汤从20℃加热到100℃吸收的热量为 C．牛油红汤的比热容为 D．天然气灶的加热效率为50.4% 【答案】D 【详解】A．液体沸腾时温度保持在沸点不变，比热容是物质的一种特性，其大小不随温度变化，故A错误； B．菌菇清汤吸收的热量，故B错误； C．红汤加热6min沸腾，清汤加热9min沸腾，因相同时间吸热相同，则红汤升温吸热 牛油红汤的比热容为 ，故C错误； D．该过程共加热9min，红汤和清汤吸热相同，总吸热 天然气完全燃烧放出的热量 加热效率，故D正确。 故选D。 4．某固态物体的质量为m，其物质的比热容为c，用稳定的加热装置对它加热35min。物体在相同时间内吸收的热量相等。上述实验过程中记录了不同时刻的温度，最后绘制出温度随时间变化的图像，如图所示。下列说法正确的是（     ） A．该物体在熔化过程中吸收的热量为 B．在10~25min，该物体的内能不变 C．该物质固态与液态比热容之比为 D．若将该物体切去一半，仍用原加热装置加热，其温度将在10min后达到 【答案】A 【详解】A. 0~10min固态升温吸热，用时10min。10~25min熔化过程用时15min，因相同时间吸热相等，熔化吸热，故A正确； B. 10~25min物体处于熔化过程，持续吸热，内能增加，故B错误； C. 25~35min液态升温用时10min，吸热与固态升温阶段相等，即，解得，故C错误； D. 质量减半后，升温至所需热量减半，加热时间，故D错误。 故选A。 5．如图所示，用完全相同的装置利用燃料加热液体和液体。已知燃料的质量、烧杯内的液体质量、加热方式等均相同，不计热量损失，将燃料点燃直至燃尽，甲、乙、丙三套装置的烧杯中液体升高的温度随时间变化的图像如图丁所示，则下列说法正确的是（     ） A．选择甲、丙两图可比较燃料1、2的热值 B．选择乙、丙两图可比较液体、的比热容 C．由丁图得，燃料1和燃料2的热值之比为4∶3 D．由丁图得，液体和液体的比热容之比为2∶1 【答案】C 【详解】A．比较燃料热值时，需要控制烧杯内的液体种类、质量完全相同，仅改变燃料种类。甲、丙的液体分别是a和b，液体种类不同，无法比较燃料1、2的热值，故A错误； B．比较液体的比热容时，需要控制燃料种类相同（保证相同时间内放出的热量相同）、液体质量相同，仅改变液体种类。乙、丙的燃料分别是燃料2和燃料1，燃料种类不同，无法比较a、b的比热容，故B错误； C．要比较燃料热值，应选甲、乙装置：二者液体都是且质量相同，燃料质量相等、种类不同。不计热量损失，燃料完全燃烧放出的热量全部被液体吸收，即。 由丁图得，燃料燃尽时，甲的液体升温为，乙的液体升温为，代入得 即燃料1、2的热值之比为，故C正确； D．要比较液体比热容，应选甲、丙装置：二者燃料都是燃料1且质量相同，相同时间内放出的热量相等，液体质量相等。取加热时间为时，甲的液体升温，丙的液体升温，此时吸收热量相同，代入得 即液体、的比热容之比为，故D错误。 故选C。 6．如图所示是某辆汽车汽油机的能量流向图，由图可知该汽油机的效率为__________，汽油机工作消耗的汽油可以对外输出__________的有用功（）。当汽油在发动机内燃烧不充分时会冒“黑烟”，这时发动机的效率__________（选填“升高”“降低”或“不变”）。 【答案】 30% 降低 【详解】由能量占比关系可知，汽油机的效率为 汽油完全燃烧放出的热量为 对外输出的有用功为 因汽油燃烧不充分时，有用功占燃料完全燃烧总放热量的比例减小，故发动机的效率降低。 7．图甲中气球在放气时，它喷气的嘴部温度和原来相比______（变高/变低/没有变化），此过程发生的能量转化与图乙中的内燃机在______（A/B）图所示过程的能量转化是一致的。某汽车四冲程汽油机，飞轮转速为，若气缸在做功冲程中每次做功400J，则对外做功的功率为______W。若汽油燃烧不充分，汽油的热值将______（变大/变小/不变）。 【答案】 变低 A 不变 【详解】气球放气时，内部气体对外做功，内能减小，温度降低，故喷气的嘴部温度变低。 图A中内燃机两个气门关闭，火花塞点火，活塞向下运动，是做功冲程，将内能转化为机械能；图B中两个气门关闭，活塞向上运动，是压缩冲程，将机械能转化为内能。气球放气的能量转化是内能转化为机械能，因此该过程与A的能量转化一致。 四冲程汽油机飞轮转2圈完成一个工作循环、对外做功1次，因此1min内汽油机对外做功的次数 为1500次。 1min内汽油机做的总功 对外做功的功率 热值是燃料的固有特性，只和燃料的种类有关，和燃烧是否充分无关，因此汽油燃烧不充分时，汽油的热值不变。 8．小林周末在家做家务，他在水壶中装入质量为、温度为的水后，放在燃气灶上加热，直至将水加热到，该过程水吸收的热量为_____J，如果该过程中消耗燃气，则消耗的燃气完全燃烧放出的热量为_____J，该燃气灶的加热效率为_____。［水的比热容为，燃气的热值为] 【答案】 【详解】水吸收的热量为 燃气完全燃烧放出的热量为 燃气灶的加热效率为 9．如图所示，是最新一款无人驾驶汽车原型图。汽车自动驾驶时使用雷达传感器，以及激光测距器来了解周围的交通状况。该款车以72km/h的速度在一段平直的公路上匀速行驶了8km时，消耗汽油1.5L。假设燃油完全燃烧，汽油机的效率为30%，那么，在这段运动过程中，求：（已知：汽油的密度为，汽油的热值为） (1)这段路程中汽车消耗的汽油质量； (2)这些汽油完全燃烧后放出的热量； (3)该汽车的输出功率。 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）汽车消耗的汽油的体积为 汽车消耗的汽油的质量为 （2）这些汽油完全燃烧后放出的热量为 （3）根据得，有用功 汽车行驶的速度 汽车行驶的时间 汽车的输出功率为 10．如图所示是我国自主研制的机械狗，它是基于仿生学的四腿仿生机器人，在救援、安防、物流等方面有着重要的作用。某型号机械狗在水平路上可以实现负重40 kg，10分钟移动1.2 km。机械狗的运动利用液压系统，为其提供动力的是CatC9燃油发动机。求： (1)为使用安全，机械狗的液压系统的液压油温度不能高于80。4 kg的液压油温度由20升高到80需要吸收 5.76×105 J的热量，求该液压油的比热容c； (2)机械狗使用发动机消耗12 kg的燃油能提供1.44×108 J的有用功，求该发动机的效率（燃油的热值为 4×107 J/kg）； (3)若一台该型号机械狗的燃油发动机正常使用月平均消耗燃油64 kg，如果将发动机效率提高为32%，则一个月可以节约燃油多少kg？ 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）液压油吸热升温，温度变化量，由得 （2）燃油完全燃烧放出的热量 发动机效率 （3）发动机效率提高前后，机械狗月有用功不变，原效率下有用功 效率提高后所需燃油质量 故节约的燃油质量 素养提升 11．二氧化碳（CO2）爆破技术是现代工程中非常环保的技术。起爆前高压泵将CO2压缩成高压气体，液化后输入爆破筒内。如图甲所示，爆破时电加热管发热使筒内的液态CO2迅速汽化，形成高压气体从泄气孔中喷出实施爆破，下列说法正确的是（　　） A．高压泵压缩CO2，气体内能增大，温度降低 B．高压CO2喷出时的能量转化与图乙中B一致 C．图乙中汽油机一个工作循环的顺序是ACDB D．若图乙中汽油机的飞轮转速为2400r/min，则每秒完成20次做功冲程 【答案】D 【详解】A．高压泵压缩CO2，对CO2气体做功，气体内能增大，温度升高，故A错误； B．高压CO2喷出时气体膨胀对外做功，气体的内能转化为机械能。图乙中C图冲程中是高温高压燃气推动活塞做功，内能转化为机械能，是做功冲程。所以高压CO2喷出时的能量转化与图乙中C一致。故B错误； C．图乙中A冲程，进气门开，排气门关，活塞向下运动是吸气冲程；B冲程，进气门关，排气门开，活塞向上运动是排气冲程；结合前面分析可知C冲程，是做功冲程；D冲程，进气门和排气门关闭，活塞向上运动，是压缩冲程。所以汽油机一个工作循环的顺序是ADCB，故C错误； D．若图乙中汽油机的飞轮转速为 即1s的时间内飞轮转动40转。根据汽油机一个工作循环飞轮转动２转对外做功１次可知，每秒完成次做功冲程。故D正确。 故选D。 12．汽油机是很多工具的动力来源，若某台单缸四冲程汽油机的飞轮转速稳定在1200r/min，图甲、乙分别是该汽油机的某冲程及能量流向图。则下列有关说法正确的是（　　） A．甲图是压缩冲程，活塞对气缸内的气体做功，气体的温度升高 B．由乙图可知该汽油机的效率是30% C．汽车尾气中的“汽油味”越浓燃料燃烧得越不充分，这会降低燃料的热值 D．该汽油机每秒对外做功20次 【答案】A 【详解】A．根据图甲可知，两个气门关闭、活塞上行，为压缩冲程，活塞对气缸内的气体做功，机械能转化为内能，气体的温度升高，故A正确； B．由乙图可知该汽油机的效率是，故B错误； C．汽车尾气中的“汽油味”越浓，燃料燃烧得越不充分，而热值是燃料的一种特性，与燃料燃烧充分与否无关，所以不会降低热值，故C错误； D．该汽油机飞轮的转速为，即汽油机飞轮每秒转圈，由于汽油机一个工作循环完成个冲程，飞轮和曲轴转圈，对外做功一次，则在内汽油机对外做了次功，故D错误。 故选A。 13．如图所示，是最新一款无人驾驶汽车原型图。汽车自动驾驶时使用雷达传感器，以及激光测距器来了解周围的交通状况。该款车以72km/h的速度在一段平直的公路上匀速行驶了8km时，消耗汽油1.5L。假设燃油完全燃烧，汽油机的效率为30%，那么，在这段运动过程中，已知汽油的密度约为0.8×103kg/m3，汽油热值约为4.5107J/kg，则该汽车发动机的牵引力为______N。 【答案】2025 【详解】该汽车这段时间内燃烧汽油的体积 消耗汽油的质量 该汽车这段时间内消耗汽油完全燃烧放出热量为 汽油机的效率为30%，该汽车发动机做的有用功为 汽车运动的距离 该汽车发动机的牵引力为 14．小明学习了热机后，对汽车产生兴趣。查阅资料发现：为保证汽车性能，发动机并不直接将动力输出给车辆。而是通过如图所示的液力变矩器来实现“柔性连接”。变矩器内充满传动液。发动机带动输入轴和泵轮转动，将传动液“吹”向涡轮，带动涡轮和输出轴转动，将动力输出给车辆。其传动效率等于输出轴功率与输入轴功率的比值。 (1)小明爸爸踩着刹车等红灯，发动机运转着但输出轴停止了转动，发动机功率为1kW，其能量全部由传动液所受的阻力做功转化成了内能，其中被传动液吸收。则等红灯的10s内，变矩器中5kg的传动液将升温______；（） (2)转动轴上的功率等于轴上的力与轴转动速度的乘积，而泵轮和涡轮没有直接相连，当车辆需要更大动力时，可以不改变发动机的转速和输入功率，涡轮能自动______（选填“提高”或“降低”）转动速度而获得更大的输出动力。若某时刻，输出轴与输入轴上的力之比为4∶2，输出轴与输入轴转动速度之比为2∶5，则此时变矩器的传动效率为______。 【答案】(1)0.5 (2) 降低 【详解】（1）发动机输出的机械能为 传动液吸收的热量为 则变矩器中5kg的传动液升高的温度为 （2）[1]功率等于轴上的力与轴转动速度的乘积，即，在发动机的转速和输入功率不变的条件下，当车辆需要更大动力时，就需要降低转动速度。 [2]传动效率等于输出轴功率与输入轴功率的比值，功率等于轴上的力与轴转动速度的乘积，即，若某时刻，输出轴与输入轴上的力之比为4∶2，输出轴与输入轴转动速度之比为2∶5，则此时变矩器的传动效率为 15．如图-1所示，某品牌增程式电动汽车，是以电力驱动为主，燃油发电为辅的新能源汽车。其工作原理可概括为“电机直驱，燃油发电补能”，工作流程如图-2所示：当蓄电池电量充足时为纯电驱动模式，动力电池供电，由电动机直接驱动车轮，此时发动机不工作；当蓄电池电量降低到设定阈值时启动增程模式，增程器（由内燃机和发电机组成）发电为电动机直接供电，剩余电能存储至电池。某次测试中该汽车在“纯电模式”下匀速行驶15km，蓄电池储存的电量从30%减少至25%。已知汽车受到的阻力为500N，蓄电池容量为50kW·h，汽油热值为。求： (1)测试中，牵引力所做的功是多少？ (2)汽车的电驱综合效率η1是多少？（百分号前保留整数） (3)若启动增程模式完成上述测试，增程模式下测试的综合效率为35%（综合效率输出的有用能量/燃料完全燃烧放出的热量），该测试结束时，蓄电池电量增加了2%，则增程模式下，完成测试需消耗汽油多少升？（结果保留1位小数） 【答案】(1) (2)83% (3)0.9L 【详解】（1）因为汽车做匀速直线运动，所以牵引力 牵引力所做的功为 （2）由题意可知，测试中蓄电池消耗的能量为 电驱综合效率 （3）由（1）知，增程模式下，完成相同测试，牵引力做的功，由题知，蓄电池增加的电量 输出的总有用功为 汽油燃烧放出的热量 消耗汽油的体积 迁移创新 16．阅读短文，回答短文后的问题。 四缸发动机 随着生活水平的提高，汽车逐渐走进普通百姓家，现在汽车的发动机多是用汽油作燃料的四缸发动机。 如图甲所示为四缸发动机工作原理图：内燃机通过连杆把四个汽缸的活塞连在一根曲轴上，并使各汽缸的做功冲程错开，在飞轮转动的每半周里，都有一个汽缸在做功，其他三个汽缸分别在做吸气、压缩和排气工作。 一些汽车的尾部都标有“0.8”、“1.6”、“1.8”或“2.0”等字样，这是汽车发动机“排气量”的数值，单位：升。所谓排气量就是发动机汽缸的工作容积，是指所有汽缸内活塞从下止点到达上止点所扫过的容积之和，如图乙。一般情况下发动机的“排气量”越大，功率越大。如图乙设活塞的面积为，冲程长为L，燃气对活塞的压强为。 (1)四个冲程中，不是靠飞轮的惯性完成的冲程是_________冲程。 (2)如图甲，位于中间的两个汽缸活塞均向上运动，若其中一个汽缸处在压缩冲程，另外一个汽缸所处的冲程是_________。 A．吸气 B．压缩 C．做功 D．排气 (3)汽车行驶中，若飞轮的转速为3000 r/min，该发动机每秒对外做功_________次。 (4)该发动机在一次工作时的能量流向图如图所示，求该热机的效率。 (5)若一台排气量为1.6升的家用小汽车，四缸发动机工作时的功率为80 kW，飞轮的转速为3000 r/min，求每个做功冲程中，燃气对活塞的压强。 【答案】(1) 做功 (2)D (3) 100 (4) 30% (5) 【详解】（1）四冲程内燃机中，做功冲程由燃气膨胀推动活塞做功、带动曲轴转动，其余三个冲程依靠飞轮惯性完成。 （2）活塞向上运动的冲程为压缩冲程和排气冲程，两汽缸活塞均向上运动，一个为压缩冲程，则另一个为排气冲程，故选D。 （3）飞轮转速，由题意知飞轮每半周有一个汽缸做功，即飞轮每转1周对外做功2次，故每秒对外做功次数为次。 （4）输出的有用机械能为 热机效率为 （5）每秒发动机做的总功为 每秒对外做功100次，每个做功冲程做的功为 单缸工作容积为 燃气对活塞的压强为 17．请阅读《汽油机与柴油机谁的热机效率高？》 汽油机与柴油机谁的热机效率高？ 内燃机的活塞在汽缸里做往复运动时，活塞顶部离开汽缸盖最近时的位置，叫做上止点；活塞顶部离开汽缸盖最远时的位置，叫做下止点。上、下止点的距离叫做活塞行程，简称冲程。活塞在下止点时，活塞上面的空间叫做“汽缸总容积”；活塞在上止点时，活塞上面的空间叫做“燃烧室容积”；汽缸总容积与燃烧室容积的比值叫做“压缩比”。压缩比表示空气（或燃料混合物）在汽缸中被压缩的程度。压缩比越大，汽缸内气体压缩后的压强越大，温度越高。压缩比是内燃机的主要技术规格之一，汽油机和柴油机的压缩比是不同的。例如：上海生产的165型汽油机的压缩比是6，压缩终了时的压强约为，温度可达到430℃；东风195型柴油机的压缩比是20，压缩终了时的压强约为，温度可达到500℃~700℃。压缩比越大，热机效率就越高。在汽油机里，吸入汽缸内的是燃料混合物，由汽化器把空气和汽油按一定比例进行均匀混合雾化而成，燃料混合物被压缩后，用火花塞点火引爆。汽油机的压缩比在5~8之间，不能任意提高。因为压缩比过大，压缩终了时的气体温度太高，密度太大，使点火时气体的燃烧太剧烈，会造成某一局部压力增长太快，对汽缸和活塞产生巨大的冲击力，发出很大的响声和震动，这种现象叫做“爆震”。发生爆震不仅对机件保养不利，而且使功率显著降低，经济性能大为恶化。柴油机的点火方式与汽油机不同，当压缩冲程快结束前，由喷油嘴喷出雾状柴油，会自动着火。由于柴油机汽缸里压缩的只是纯空气，没有“爆震”问题，提高压缩比不受此限制。但由于汽缸、活塞等部件能承受的压力限制，柴油机的压缩比也不能过大，通常限制在12~20之间。与汽油机相比，柴油机的热机效率更高一些，其自重也比同样功率的汽油机要大些。 请根据上述材料，回答下列问题： (1)内燃机的“压缩比”是指________的比值。压缩比越大，热机效率越高。 (2)在汽油机里，当火花塞产生电火花点燃燃料混合物时，会产生高温高压气体推动活塞向下运动，在此过程中将内能转化为________。 (3)通常汽油机的压缩比要小于柴油机的压缩比，其原因在于它们________的不同。 (4)某汽车发动机是以92号汽油为燃料的内燃机，后面表中给出了发动机的相关数据（空燃比是指汽缸内空气和燃油的质量比）。单缸四冲程内燃机完成一个工作循环时，燃料完全燃烧放出的热量是________J。 1min内完成的工作循环数 2400次 汽缸内汽油和空气混合气体的密度 汽缸的工作容积 2.0L 汽油的热值 发动机最大功率 82.8kW 空燃比 【答案】(1) 汽缸总容积与燃烧室容积 (2) 机械能 (3) 点火方式 (4) 【详解】（1）由材料中压缩比的定义可知，汽缸总容积与燃烧室容积的比值为压缩比。 （2）高温高压气体推动活塞向下运动时，气体对外做功，内能转化为活塞的机械能。 （3）汽油机采用火花塞点燃式，压缩的是燃料混合物，压缩比过高会引发爆震，因此压缩比受限；柴油机采用压燃式点火，压缩冲程末喷油自燃，压缩的是纯空气，无爆震问题，压缩比可更高，故压缩比不同的原因是点火方式不同。 （4）一个工作循环吸入混合气体的体积等于汽缸工作容积；混合气体的质量为 由空燃比可知，燃油质量占混合气体总质量的，则燃油质量为 燃料完全燃烧放出的热量为 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 第十二章 机械能和内能 四、机械能与内能的相互转化 课标要点 1.知道机械能与内能可以相互转化，能通过生活实例（如滑滑梯臀部发热、水蒸气冲开橡胶塞等）分析能量转化过程。 2.知道做功是改变物体内能的另一种方式，理解做功改变内能的实质是其他形式的能与内能之间的转化，热传递改变内能的实质是内能的转移。 3.知道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，了解热机在生活生产中的应用。 4.知道内燃机是最常见的热机，了解汽油机的一个工作循环由吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程四个冲程组成，能分析各冲程中的能量转化情况。 5.知道燃料的热值概念，知道热值的单位是焦每千克（J/kg），会利用公式 Q放 = mq 进行简单计算。 6.通过探究“做功对物体内能的影响”“点火爆炸”“比较不同燃料燃烧放出的热量”等活动，进一步掌握转换法和控制变量法，培养实验观察、数据分析和归纳总结能力。 7.了解热机的发展历程（蒸汽机、内燃机、涡轮喷气发动机、火箭发动机），关注我国在火箭发动机研制方面的成就，激发爱国情怀和科学探索精神。 学习重难点 重点：做功改变内能的实质——机械能与其他形式的能转化为内能；热传递改变内能的实质——内能的转移；机械能与内能相互转化的实例分析；汽油机四个冲程的名称、工作过程和能量转化；燃料热值的概念、单位及公式 Q放= mq 的应用；理解热机是将内能转化为机械能的装置。 难点：区分做功改变内能与热传递改变内能的实质；汽油机四个冲程中能量转化的准确判断；热值概念的理解；吸热效率、热机效率的理解与计算。 知识点 做功——改变物体内能的另一种方式 1. 做功改变内能的实验探究： 实验 操作 现象 能量转化 弯折铁丝 将铁丝快速弯折十余次，用手触摸弯折处 弯折处温度升高，铁丝内能增大 机械能→内能 压缩空气引火 在空气压缩引火仪的玻璃筒底部放一小片硝化棉，将活塞迅速下压 弯折处温度升高，铁丝内能增大 机械能→内能 水蒸气冲开橡胶塞 加热试管中的水至沸腾，橡胶塞被水蒸气冲出去 橡胶塞被冲出，管口出现白雾 内能→机械能 2. 做功改变内能的实质： 做功改变物体内能的实质是其他形式的能与内能之间的 。 对物体做功， 转化为 ，物体内能 ； 物体对外做功， 转化为 ，物体内能 。 3. 改变内能的两种方式对比： 做功 热传递 实质 能量的转化（其他形式的能与内能相互转化） 能量的转移（内能从高温处转移到低温处） 条件 对物体做功或物体对外做功 存在温度差 效果 做功和热传递在改变物体内能上是等效的 实例 摩擦生热、压缩气体、水蒸气冲开橡胶塞 金属勺放热汤中、食品放冰箱 4. 做功改变内能的实例分析： 实例 能量转化 内能变化 摩擦生热（搓手取暖） 机械能→内能 内能增大 压缩气体（打气筒发热） 机械能→内能 内能增大 气体膨胀对外做功（水蒸气冲开橡胶塞） 内能→机械能 内能减小 弯折铁丝发热 机械能→内能 内能增大 随学随练 1．寒冷冬天，我们用力搓搓手，手会发热，以下事例中，与此现象改变物体内能原理不同的是（     ） A．钻木取火 B．可乐加冰块 C．划燃火柴 D．滑下滑梯时臀部感到热 2．如图所示的空气压缩引火仪，可以说是古代“钻木取火”智慧的延伸。关于改变物体内能的方式，下列说法错误的是（     ） A．钻木取火是通过做功的方式改变物体的内能 B．迅速压下引火仪的活塞，硝化棉燃烧起来，此过程机械能转化为内能 C．冬天用热水袋取暖，是通过做功的方式使手的内能增加 D．气体膨胀对外做功时，气体内能会减小 3．熨斗古代亦称火斗，最早出现于西汉，以青铜质地为主。使用时，先用炭火将其加热，再用它去熨烫衣物。其改变内能的方式是________。宋元时期，出现了如左图所示带木把的熨斗，由于木头的________性较差而比金属把更适合于手持。如右图所示是我国国家博物馆原始社会厅中展示的一种取火器，它以牛角作外套筒、木棒作推杆。取火时，先在杆前端粘附艾绒，再一手握住套筒，一手猛推杆入筒，然后迅即拔出推杆，便可得到燃烧的艾绒。其改变内能的方式是________。 知识点 热机 1. 热机的定义： 热机是热力发动机的简称，它是将燃料燃烧产生的高温、高压燃气的 转化为 的装置。 2. 热机的种类： 蒸汽机：最早的熱机，燃料在汽缸外燃烧加热水产生蒸汽推动活塞（外燃机）。 内燃机：燃料在汽缸内直接燃烧，产生高温高压燃气推动活塞做功。最常见的内燃机有 和 。 涡轮喷气发动机：用于飞机，压缩后的混合气体在燃烧室内燃烧，高速喷出产生反冲力。 火箭发动机：自带燃料和氧化剂，可在大气层之外工作。 其中内燃机是最常见的一种热机，也是主要考察的对象。 3. 汽油机的工作过程（四冲程）： 汽油机工作时，活塞在汽缸里做往复运动。活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程，称为一个 。一个工作循环分为 ： 冲程 进气门 排气门 活塞运动 能量转化 说明 吸气冲程 打开 关闭 向下 — 吸入空气和燃料的混合气体 压缩冲程 关闭 关闭 向上 机械能→内能 混合气体被压缩，温度升高 做功冲程 关闭 关闭 向下 内能→机械能 火花塞打火，混合气体猛烈燃烧，产生高温高压燃气推动活塞 排气冲程 关闭 打开 向上 — 将废气排出汽缸 注意：汽油机四冲程中的能量转化：压缩冲程 转化为 ，做功冲程 转化为 。对汽油机而言，四冲程中真正获取能量的只有 冲程，其他三个冲程依靠飞轮的 完成。 一个工作循环中，包括 个冲程，活塞往复 次，曲轴转动 圈，对外做功 次。 4. 汽油机和柴油机的比较： 汽油机 柴油机 结构 顶部有火花塞 顶部有喷油嘴 吸气冲程 吸入空气和汽油的混合物 只吸入空气 点火方式 火花塞点燃（点燃式） 喷油嘴喷出柴油，压燃（压燃式） 特点 轻巧，用于汽车、小型飞机 功率较大，热效率较高，用于载重汽车、拖拉机、坦克、轮船 随学随练 1．如图是四冲程汽油机的工作示意图，下列说法正确的是（     ） A．乙图是吸气冲程，吸入的只有汽油 B．甲图是做功冲程，将内能转化为机械能 C．汽油机一个工作循环正确的顺序是：乙→甲→丙→丁 D．汽油机工作时，提供动力的是丙图所示冲程 2．一台单缸四冲程内燃机1秒内完成了60个冲程，则曲轴的转速为__________r/s。在曲轴处加润滑油可以__________（填“增大”或“减小”）曲轴转动时的摩擦力。在压缩冲程中气体的温度升高，这是通过__________的方式增加内能，如图__________（填字母）表示该冲程。 3．图甲中气球在放气时，它喷气的嘴部温度和原来相比______________（变高/没有变化/变低），此过程发生的能量转化与图乙中的内燃机在图中______________（A/B）所示过程的能量转化是一致的。某单缸四冲程汽油机，飞轮每分钟转2400转，则每秒对外做功______________次。 知识点 燃料的热值 1. 实验探究：比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量： 实验方法 控制变量法（燃料质量相等、水的质量相等） + 转换法（水温变化反映燃料放热多少） 实验器材 酒精、面巾纸碎片（各5g）、两个燃烧皿、两支试管（各装约30g水）、温度计 实验步骤 ① 取质量相等的酒精和面巾纸碎片，分别放入两个燃烧皿中；② 点燃后对装有相等质量水的试管加热，使燃料充分燃烧；③ 记录加热前后两支温度计的示数 实验现象 质量相等的酒精和面巾纸碎片充分燃烧后，试管中水温的变化不一样 实验结论 质量相等的不同燃料，完全燃烧所放出的热量一般是不相等的 2. 热值的定义： 通过上述实验可知，不同燃料在完全燃烧时放热的本领强弱不同，物理中为了描述这种燃料完全燃烧时的放热能力，引入了 的概念。 燃料完全燃烧放出的热量与燃料的 之比，叫作这种燃料的热值。燃料的热值用q表示，单位是 （对于气体燃料，通常用体积形容燃料的量，这时热值是热量与燃料 之比，单位是 ）。 完全燃烧：指燃料全部烧尽，无残留（实际中难以完全燃烧，因此实际放热通常小于理论值）。 3. 热量的计算： 公式：Q放=mq(固体或液体燃料) Q放=Vq（气体燃料）。 4. 一些燃料的热值（常见值）： 5. 热值的理解要点： 热值是燃料的一种属性，只与燃料的 有关； 热值与燃料的质量、体积、是否完全燃烧、放热多少均 ； "完全燃烧"是计算热值的前提条件。 随学随练 1．我国“人造太阳”EAST装置运行时会产生大量热量，可用水冷却。若冷却系统中装有、初始温度为25℃的水，吸收了的热量，则水温升高到_______℃；若这些热量由氢气完全燃烧提供，不计热量损失，需要氢气的质量为_______。[，] 2．在一个标准大气压下，完全燃烧0.5kg焦炭，用来加热初温为60℃、体积为20L的水，这些热量的28%被水吸收。[q焦炭=3.0×107J/kg，ρ水=1.0×103kg/m3，c水=4.2×103J/（kg·℃）]求： (1)完全燃烧0.5kg焦炭放出的热量； (2)加热后水的末温； 3．天然气灶使用方便、经济环保。天然气灶将一壶质量为1kg、温度为的水加热至，大约需要8min，已知水的比热容为，天然气的热值为。求： (1)水吸收的热量； (2)若天然气完全燃烧放出的热量60%被水吸收，则加热这壶水需要多少天然气？ 知识点 热机效率和吸热效率 1. 热机效率： （1）定义：热机工作时，用来做 的能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫做 。 （2）计算公式： ，因为能量不可能完全转换，机械效率必然 1。 （3）热机效率总小于1的原因： 废气带走大量热量（最主要的热损失）； 冷却水带走热量； 克服摩擦做功消耗能量； 燃料不可能完全燃烧。 （4）提高热机效率的途径： 使燃料尽可能充分燃烧； 尽量减少各种热量损失（如利用废气余热）； 减小机械摩擦损耗； 改进机械结构，提高密封性。 常见热机效率参考值：汽油机约 20%~30%，柴油机约 30%~45%，涡轮喷气发动机约 40%~50%。 2. 吸热效率（加热效率）： （1）定义：在加热过程中，被加热物质 的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫做吸热效率。 （2）公式： 。吸热效率也必然小于1。 3. 热机效率与吸热效率的对比： 热机效率 吸热效率 定义 有用功与燃料完全燃烧放热之比 被加热物质吸收的热量与燃料完全燃烧放热之比 公式 对象 热机（将内能转化为机械能） 加热装置（将热量传递给水等物质） 能量流向 内能→机械能（有用功） 燃料放热→水吸热 转化/转移过程中的主要损耗 废气带走热量、摩擦损耗等 向周围环境散热、容器吸热等 随学随练 1．如图所示为某折叠卡式炉，采用丁烷气体作为燃料。水壶装入初温为的水，用卡式炉加热至，消耗了丁烷气体（丁烷的热值为）。求： (1)壶中水的质量； (2)水吸收的热量； (3)卡式炉的加热效率。 2．我国自行设计研制的AG600鲲龙水陆两栖飞机，当该飞机以360km/h的速度水平匀速直线运动10min。消耗航空煤油90kg，飞机发动机的功率为3000kW。求：（航空煤油的热值为4×107J/kg） (1)90 kg航空煤油完全燃烧放出的热量； (2)飞机在匀速直线运动过程中，发动机的牵引力； (3)飞机发动机的效率。 3．为改善城市空气质量，很多城市用雾炮车洒水除尘。如图为一台正在水平路面上洒水的雾炮车，车和驾驶员的总质量为8吨。（柴油的热值取，g取）求： (1)雾炮车洒水前匀速行驶时受到路面阻力是车重的0.1倍，则发动机的牵引力为多少N； (2)洒水前雾炮车在水平路面上匀速行驶12km，牵引力所做的功是多少J； (3)若匀速行驶12km消耗的柴油为6kg，则雾炮车发动机的效率是多少？ 题型 改变内能的两种方式——做功和热传递的辨析 题型描述：给出生活实例或实验现象，判断改变内能的方式是做功还是热传递；或比较两种方式的实质区别；常见形式有：判断说法正误、解释现象、分析能量转化。 解题方法： 核心区别： 做功：实质是能量的转化（其他形式的能与内能相互转化）； 热传递：实质是能量的转移（内能从高温处转移到低温处）。 判断方法： 若存在温度差，能量从高温物体传到低温物体 → 热传递； 若物体对外做功或外界对物体做功（如压缩、摩擦、膨胀） → 做功。 等效性：做功和热传递在改变内能上是等效的，但本质不同。 避坑口诀：“做功转化，热传递转移；温度差找热传递，压缩摩擦是做功。” 活学活用 1．下列事例中利用热传递改变内能的是（     ） A．太空中的陨石坠入地球大气层成为流星 B．滑冰时，冰刀在长时间使用下，温度升高 C．双手反复摩擦，手会感觉暖和 D．夏天，广场上的石凳因太阳照射而发烫 2．如图所示的实验或事例，属于内能转化为机械能的是（    ） A．滑下滑梯，臀部有灼热感 B．搓手取暖 C．压缩空气，棉花燃烧 D．水沸腾壶盖跳动 3．如图所示，在烧瓶内盛有少量水，并盖紧瓶塞。向瓶内打气，当瓶塞跳起时，你会观察到瓶内出现____________，这说明空气膨胀对外____________，空气内能____________，温度____________。 题型 热机的冲程判断及其对应的能量转化 题型描述：给出汽油机（或柴油机）的某个冲程示意图，要求判断冲程名称、气门开闭情况、活塞运动方向及能量转化；或根据能量转化判断是哪个冲程。 解题方法： 快速判断口诀： 两门一开一闭 → 吸气或排气（进气门开是吸气，排气门开是排气）； 两门都关 → 压缩或做功（活塞向上是压缩，活塞向下是做功，且做功冲程通常有火花塞点火）。 重要规律： 一个工作循环中，活塞往复 2 次，曲轴转 2 圈，对外做功 1 次； 只有做功冲程是燃气对外做功，将内能转化为机械能，其他冲程依靠飞轮的惯性完成。 压缩冲程是机械能转化为内能。 避坑口诀：“两门同闭看活塞，向上压缩下做功；进气开是吸气，排气开是排气。” 活学活用 1．如图所示为四冲程汽油机工作过程中某一冲程的示意图，关于该冲程，下列说法正确的是（     ） A．进气门打开，吸入汽油和空气的混合物 B．火花塞产生电火花，燃气推动活塞向下运动 C．两气门关闭，活塞向上运动，机械能转化为内能 D．排气门打开，排出废气 2．汽油机的一个工作循环是由四个冲程组成的，如图中表示______冲程，在此冲程中汽油机实现了______能转化为______能。 3．“辽宁舰”服役，圆了中国航母梦，如图为航母上简化的蒸汽弹射装置，能带动舰载机在两秒钟内达到起飞速度。 (1)牵引索与蒸汽活塞连接的两个滑轮为___________（选填”定滑轮”或“动滑轮”）。 (2)气缸内蒸汽体积膨胀对外做功，同时推动活塞，使舰载机获得巨大的牵引力，___________能转化为___________能。这时从能量的转化角度讲，相当于内燃机的___________冲程。 (3)使舰载机从静止到起飞速度的2秒钟内，牵引索的拉力___________（选填“小于”、“大于”或“等于”）舰载机的摩擦力。 题型 热机工作循环、冲程数、转速与做功次数的计算 题型描述：已知热机（汽油机/柴油机）的转速、工作循环数、冲程数或做功次数中的某一个量，求其他相关量；常见形式有：已知转速求每秒做功次数、已知做功次数求转速、判断某段时间内完成的工作循环数等。 解题方法： 核心关系（四冲程内燃机）： 1 个工作循环 = 4 个冲程 = 活塞往复 2 次 = 曲轴转 2 圈 = 对外做功 1 次。 这是一个工作循环中个事件完成的次数，同时也是完成相应计算时对应的比例关系。 标准解题步骤： ① 明确已知量（转速、做功次数、时间等）； ② 根据“1个工作循环 = 4 个冲程= 曲轴转2圈 = 做功1次”建立比例关系； ③ 统一时间单位（通常换算为秒）； ④ 代入计算，得出结果。 避坑口诀： “一循环四冲程，曲轴两圈一做功；转速先换每秒整，除以二得做功数；乘二得冲程数，时间统一不犯错。” 易错警示： 转速单位是 r/min，计算时看清楚问题的单位，是否需要换算为 r/s； “做功次数”与“冲程数”不同：做功次数 = 工作循环数，冲程数 = 4 × 工作循环数； 活塞往复 2 次对应曲轴转 2 圈，不要误以为往复 1 次就是 1 个工作循环。 活学活用 1．如图是四冲程汽油机___________冲程的示意图；该单缸四冲程汽油机的飞轮转速是1800r/min，则它1min对外做功___________次，完成___________次工作循环。 2．为使舰载机在短时间内达到起飞速度，航母上安装了蒸汽弹射装置，如图所示为其简化原理图。气缸内蒸汽体积膨胀对外做功，同时推动活塞，从而使舰载机获得巨大的牵引力，弹射出去。从能量转化角度讲，蒸汽弹射装置原理与汽油机工作的______（选填“甲”或“乙”）冲程相似。若该汽油机的转速为3000r/min，则1s内汽油机对外做功______次。汽油机发动机在工作时还会产生大量的热，通常采用水循环将热量带走，这是利用水的______的特性。 3．某单缸四冲程汽油机的汽缸活塞横截面积为，一个冲程活塞在汽缸中移动的距离是，满负荷工作时做功冲程中燃气的平均压强为，飞轮内转动。若汽油机满负荷工作（不计摩擦），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）汽油机的功率。 题型 热值的概念及其物理意义 题型描述：考查热值的定义、单位、物理意义；常见形式有：判断关于热值的说法是否正确、比较不同燃料热值的大小、解释热值属性。 解题方法： 热值是燃料的一种属性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧、放热多少无关。 常见说法辨析： “燃料燃烧越充分，热值越大” ✗ 热值与是否完全燃烧无关 “质量越大的燃料，热值越大” ✗ 热值与质量无关 “热值越大的燃料，燃烧放热越多” ✗ 放热还与质量有关 “热值是燃料的一种属性” √ 只与种类有关 避坑口诀：“热值属性看种类，质量燃烧都不管；Q放等于mq，气体还要乘体积。”。 活学活用 1．干木柴、焦炭和无烟煤的热值柱状图如图所示，下列说法中正确的是（     ） A．焦炭的热值大于无烟煤的热值 B．在完全燃烧的条件下，无烟煤放出的热量最多 C．在质量相同的条件下，干木柴燃烧放出的热量最少 D．焦炭的热值等于焦炭的热值 2．小丽用相同的加热器分别对质量为0.2kg的水和0.3kg的另一种液体进行加热，得到实验数据如图所示，水在16min内吸收的热量为________J，则这些水吸收的热量等于完全燃烧________天然气所放出的热量，天然气在燃烧过程中，热值________（选填“变大”、“变小”或“不变”）。根据图像可知，另一种液体的比热容为________。[已知水的比热容，天然气的热值] 3．吉利牌“涡轮增压”（T型）轿车，通过给发动机更足量空气使汽油更充分地燃烧，比普通轿车（L型）更节能，排气更清洁，同样的汽油加在T型轿车内与加在L型轿车内相比，热值_______（选填“更大”、“一样大”或“更小”）；为防止发动机温度过高，用水进行冷却，这是利用水的_______较大；若该汽油机每秒钟对外做功15次，则飞轮转速为_______r/min。 题型 热机效率的计算 题型描述：已知热机做的有用功和燃料完全燃烧放出的热量，求热机效率；或已知热机效率和燃料放热，求有用功；常见于热机性能分析。 解题方法： 核心公式： 热机效率总小于1的原因：废气带走热量、冷却水带走热量、摩擦损耗、燃料不完全燃烧。 提高热机效率的途径：使燃料充分燃烧、减少热量损失、减小摩擦、改进结构。 标准解题步骤： ① 计算燃料完全燃烧放出的热量 Q总 = mq； ② 明确有用功 W有用（通常为牵引力做的功 W = Fs 或输出功）； ③ 代入公式 η = W有用 / Q总 计算。 避坑口诀：“热机效率看有用，除以总热是比值；废气散热摩擦耗，提高效率三途径。” 活学活用 1．2023年9月，南通建造的远洋货轮“中远川崎337”出海试航。假设试航10min，试航过程中以10m/s的速度匀速直线航行，航行过程中牵引力为。已知燃油机完全燃烧3000kg的燃油，。求试航过程中： (1)货轮牵引力做的功。 (2)求货轮的功率。 (3)货轮的热机效率。 2．如图所示是9·3阅兵式，我国自主研发的无侦无人机，具备全球唯一的隐形电子作战能力，该无人机最大航程4000km，最大载油量为1.6 t。水平飞行过程中所受的阻力与速度的关系如下表所示。 速度/m•s﹣1 100 150 200 300 阻力/N 800 1800 3200 7200 (1)该无人机以200m/s的速度水平匀速飞行时，发动机的牵引力功率是多少？ (2)若在油箱中加满燃油，燃料完全燃烧能放出热量为6.4×1010J，求燃油的热值是多少？ (3)该飞机加满油以200m/s的速度水平匀速飞行达到最大航程，则发动机的效率至少为多大？ 3．小明学习热机知识后，研究了自家汽车的汽油机的情况。查阅资料得知：自家汽车使用的是92号汽油，油箱可容纳最多42kg的汽油。[，]。 (1)满箱汽油完全燃烧放出的热量是多少？ (2)发动机正常工作时，需要用冷却水在汽缸周围循环的流动给汽油机降温。根据图的相关数据，若满箱汽油使用完之后被冷却水吸收的那部分热量全部用来给水加热，则可以使多少千克的水从20℃升高到80℃？ (3)满箱汽油完全燃烧，可使小汽车输出的有用功是多少？ 题型 吸热效率的计算 题型描述：在加热过程中，已知被加热物质吸收的热量和燃料完全燃烧放出的热量，求吸热效率；或已知吸热效率求燃料质量、水质量等。 解题方法： 核心公式： 与热机效率的区别： 热机效率：W有用 / Q总（对象是热机，将内能转化为机械能）； 吸热效率：Q吸 / Q放（对象是加热装置，燃料放热传递给水等物质）。 标准解题步骤： ① 计算水吸收的热量 Q吸 = cmΔt； ② 计算燃料完全燃烧放出的热量 Q放 = mq； ③ 代入效率公式 η = Q吸 / Q放。 避坑口诀：“热机效率看有用，吸热效率看水吸；两者公式要分清，不要混淆记心里。” 活学活用 1．如图所示，某同学用燃气灶烧水给餐具消毒。在一个标准大气压下，锅内水的质量为5kg，水的初温为22℃，当水刚好烧开时，共消耗了的天然气，该燃气灶烧水的热效率为70%。[水的比热容为，天然气的热值为]求： (1)的天然气完全燃烧所放出的热量； (2)以上过程中，水吸收的热量； (3)整个过程，水温度的变化量。 2．在用酒精灯做“冰的熔化”实验时，描绘出温度随加热时间变化的关系图像如图所示。根据相关知识，若冰的质量是，比热容是，酒精热值为，若燃烧始终稳定，且加热过程中酒精灯的热效率始终为。求： (1)冰从第至第吸收的热量？ (2)从第至第，消耗酒精的质量是多少？ (3)分析说明图像中和倾斜程度不同的原因？ 3．某种晶体在熔化时变成同温度的液体所吸收的热量与其质量的比值叫作这种晶体的熔化热，用字母表示。现将质量为初温为-20℃的冰，使用天然气灶加热，其温度随加热时间变化的关系图线如图所示。水的比热容为，天然气的热值为。若段冰熔化时消耗的天然气体积为，天然气灶效率为40%，求： (1)CD段水吸收的热量； (2)BC段冰熔化过程，消耗的天然气放出热量； (3)冰的熔化过程吸收的热量； (4)冰的熔化热。 基础通关 1．青瓦是古建筑常用的建筑材料，制瓦工艺有上千年的历史。制瓦工艺分为成坯、晒制、高温烧制等诸多流程。高温烧制时下列说法正确的是（     ） A．燃料的质量越大，完全燃烧放出的热量越多 B．蜂窝煤做成空心的，可增大受热面，使燃烧更充分一些 C．烧制青瓦时，燃料燃烧越充分其热值越大 D．技术改造可提高锅炉效率，效率可达到100% 2．如图所示，羊肉泡馍是陕西一道有名的地方传统小吃，它料重味醇，肉烂汤浓，营养丰富，食后回味无穷。下列有关说法正确的是（    ） A．刚出锅的羊肉汤很烫是因为它含有很高的热量 B．在熬制羊肉汤时，汤汁沸腾后，温度不变，但内能增大 C．将掰碎的饦饦馍放入羊肉汤中后，羊肉汤将温度传递给饦饦馍 D．改变羊肉泡馍内能的方式是做功 3．如图所示是鸳鸯火锅。在左边加入牛油红汤，右边加入菌菇清汤，两种汤料质量均为1.5kg，初温均为20℃，沸点都是100℃。将火锅放在天然气灶上加热，经过6min牛油红汤开始沸腾，又过了3min菌菇清汤开始沸腾，该过程共消耗天然气。若相同时间红汤和清汤的吸热相同，汤料质量变化不计，且不考虑红汤和清汤之间的热传递，菌菇清汤比热容为，天然气热值为，下列说法正确的是（     ） A．沸腾的牛油红汤再继续加热温度不变，比热容变大 B．菌菇清汤从20℃加热到100℃吸收的热量为 C．牛油红汤的比热容为 D．天然气灶的加热效率为50.4% 4．某固态物体的质量为m，其物质的比热容为c，用稳定的加热装置对它加热35min。物体在相同时间内吸收的热量相等。上述实验过程中记录了不同时刻的温度，最后绘制出温度随时间变化的图像，如图所示。下列说法正确的是（     ） A．该物体在熔化过程中吸收的热量为 B．在10~25min，该物体的内能不变 C．该物质固态与液态比热容之比为 D．若将该物体切去一半，仍用原加热装置加热，其温度将在10min后达到 5．如图所示，用完全相同的装置利用燃料加热液体和液体。已知燃料的质量、烧杯内的液体质量、加热方式等均相同，不计热量损失，将燃料点燃直至燃尽，甲、乙、丙三套装置的烧杯中液体升高的温度随时间变化的图像如图丁所示，则下列说法正确的是（     ） A．选择甲、丙两图可比较燃料1、2的热值 B．选择乙、丙两图可比较液体、的比热容 C．由丁图得，燃料1和燃料2的热值之比为4∶3 D．由丁图得，液体和液体的比热容之比为2∶1 6．如图所示是某辆汽车汽油机的能量流向图，由图可知该汽油机的效率为__________，汽油机工作消耗的汽油可以对外输出__________的有用功（）。当汽油在发动机内燃烧不充分时会冒“黑烟”，这时发动机的效率__________（选填“升高”“降低”或“不变”）。 7．图甲中气球在放气时，它喷气的嘴部温度和原来相比______（变高/变低/没有变化），此过程发生的能量转化与图乙中的内燃机在______（A/B）图所示过程的能量转化是一致的。某汽车四冲程汽油机，飞轮转速为，若气缸在做功冲程中每次做功400J，则对外做功的功率为______W。若汽油燃烧不充分，汽油的热值将______（变大/变小/不变）。 8．小林周末在家做家务，他在水壶中装入质量为、温度为的水后，放在燃气灶上加热，直至将水加热到，该过程水吸收的热量为_____J，如果该过程中消耗燃气，则消耗的燃气完全燃烧放出的热量为_____J，该燃气灶的加热效率为_____。［水的比热容为，燃气的热值为] 9．如图所示，是最新一款无人驾驶汽车原型图。汽车自动驾驶时使用雷达传感器，以及激光测距器来了解周围的交通状况。该款车以72km/h的速度在一段平直的公路上匀速行驶了8km时，消耗汽油1.5L。假设燃油完全燃烧，汽油机的效率为30%，那么，在这段运动过程中，求：（已知：汽油的密度为，汽油的热值为） (1)这段路程中汽车消耗的汽油质量； (2)这些汽油完全燃烧后放出的热量； (3)该汽车的输出功率。 10．如图所示是我国自主研制的机械狗，它是基于仿生学的四腿仿生机器人，在救援、安防、物流等方面有着重要的作用。某型号机械狗在水平路上可以实现负重40 kg，10分钟移动1.2 km。机械狗的运动利用液压系统，为其提供动力的是CatC9燃油发动机。求： (1)为使用安全，机械狗的液压系统的液压油温度不能高于80。4 kg的液压油温度由20升高到80需要吸收 5.76×105 J的热量，求该液压油的比热容c； (2)机械狗使用发动机消耗12 kg的燃油能提供1.44×108 J的有用功，求该发动机的效率（燃油的热值为 4×107 J/kg）； (3)若一台该型号机械狗的燃油发动机正常使用月平均消耗燃油64 kg，如果将发动机效率提高为32%，则一个月可以节约燃油多少kg？ 素养提升 11．二氧化碳（CO2）爆破技术是现代工程中非常环保的技术。起爆前高压泵将CO2压缩成高压气体，液化后输入爆破筒内。如图甲所示，爆破时电加热管发热使筒内的液态CO2迅速汽化，形成高压气体从泄气孔中喷出实施爆破，下列说法正确的是（　　） A．高压泵压缩CO2，气体内能增大，温度降低 B．高压CO2喷出时的能量转化与图乙中B一致 C．图乙中汽油机一个工作循环的顺序是ACDB D．若图乙中汽油机的飞轮转速为2400r/min，则每秒完成20次做功冲程 12．汽油机是很多工具的动力来源，若某台单缸四冲程汽油机的飞轮转速稳定在1200r/min，图甲、乙分别是该汽油机的某冲程及能量流向图。则下列有关说法正确的是（　　） A．甲图是压缩冲程，活塞对气缸内的气体做功，气体的温度升高 B．由乙图可知该汽油机的效率是30% C．汽车尾气中的“汽油味”越浓燃料燃烧得越不充分，这会降低燃料的热值 D．该汽油机每秒对外做功20次 13．如图所示，是最新一款无人驾驶汽车原型图。汽车自动驾驶时使用雷达传感器，以及激光测距器来了解周围的交通状况。该款车以72km/h的速度在一段平直的公路上匀速行驶了8km时，消耗汽油1.5L。假设燃油完全燃烧，汽油机的效率为30%，那么，在这段运动过程中，已知汽油的密度约为0.8×103kg/m3，汽油热值约为4.5107J/kg，则该汽车发动机的牵引力为______N。 14．小明学习了热机后，对汽车产生兴趣。查阅资料发现：为保证汽车性能，发动机并不直接将动力输出给车辆。而是通过如图所示的液力变矩器来实现“柔性连接”。变矩器内充满传动液。发动机带动输入轴和泵轮转动，将传动液“吹”向涡轮，带动涡轮和输出轴转动，将动力输出给车辆。其传动效率等于输出轴功率与输入轴功率的比值。 (1)小明爸爸踩着刹车等红灯，发动机运转着但输出轴停止了转动，发动机功率为1kW，其能量全部由传动液所受的阻力做功转化成了内能，其中被传动液吸收。则等红灯的10s内，变矩器中5kg的传动液将升温______；（） (2)转动轴上的功率等于轴上的力与轴转动速度的乘积，而泵轮和涡轮没有直接相连，当车辆需要更大动力时，可以不改变发动机的转速和输入功率，涡轮能自动______（选填“提高”或“降低”）转动速度而获得更大的输出动力。若某时刻，输出轴与输入轴上的力之比为4∶2，输出轴与输入轴转动速度之比为2∶5，则此时变矩器的传动效率为______。 15．如图-1所示，某品牌增程式电动汽车，是以电力驱动为主，燃油发电为辅的新能源汽车。其工作原理可概括为“电机直驱，燃油发电补能”，工作流程如图-2所示：当蓄电池电量充足时为纯电驱动模式，动力电池供电，由电动机直接驱动车轮，此时发动机不工作；当蓄电池电量降低到设定阈值时启动增程模式，增程器（由内燃机和发电机组成）发电为电动机直接供电，剩余电能存储至电池。某次测试中该汽车在“纯电模式”下匀速行驶15km，蓄电池储存的电量从30%减少至25%。已知汽车受到的阻力为500N，蓄电池容量为50kW·h，汽油热值为。求： (1)测试中，牵引力所做的功是多少？ (2)汽车的电驱综合效率η1是多少？（百分号前保留整数） (3)若启动增程模式完成上述测试，增程模式下测试的综合效率为35%（综合效率输出的有用能量/燃料完全燃烧放出的热量），该测试结束时，蓄电池电量增加了2%，则增程模式下，完成测试需消耗汽油多少升？（结果保留1位小数） 迁移创新 16．阅读短文，回答短文后的问题。 四缸发动机 随着生活水平的提高，汽车逐渐走进普通百姓家，现在汽车的发动机多是用汽油作燃料的四缸发动机。 如图甲所示为四缸发动机工作原理图：内燃机通过连杆把四个汽缸的活塞连在一根曲轴上，并使各汽缸的做功冲程错开，在飞轮转动的每半周里，都有一个汽缸在做功，其他三个汽缸分别在做吸气、压缩和排气工作。 一些汽车的尾部都标有“0.8”、“1.6”、“1.8”或“2.0”等字样，这是汽车发动机“排气量”的数值，单位：升。所谓排气量就是发动机汽缸的工作容积，是指所有汽缸内活塞从下止点到达上止点所扫过的容积之和，如图乙。一般情况下发动机的“排气量”越大，功率越大。如图乙设活塞的面积为，冲程长为L，燃气对活塞的压强为。 (1)四个冲程中，不是靠飞轮的惯性完成的冲程是_________冲程。 (2)如图甲，位于中间的两个汽缸活塞均向上运动，若其中一个汽缸处在压缩冲程，另外一个汽缸所处的冲程是_________。 A．吸气 B．压缩 C．做功 D．排气 (3)汽车行驶中，若飞轮的转速为3000 r/min，该发动机每秒对外做功_________次。 (4)该发动机在一次工作时的能量流向图如图所示，求该热机的效率。 (5)若一台排气量为1.6升的家用小汽车，四缸发动机工作时的功率为80 kW，飞轮的转速为3000 r/min，求每个做功冲程中，燃气对活塞的压强。 17．请阅读《汽油机与柴油机谁的热机效率高？》 汽油机与柴油机谁的热机效率高？ 内燃机的活塞在汽缸里做往复运动时，活塞顶部离开汽缸盖最近时的位置，叫做上止点；活塞顶部离开汽缸盖最远时的位置，叫做下止点。上、下止点的距离叫做活塞行程，简称冲程。活塞在下止点时，活塞上面的空间叫做“汽缸总容积”；活塞在上止点时，活塞上面的空间叫做“燃烧室容积”；汽缸总容积与燃烧室容积的比值叫做“压缩比”。压缩比表示空气（或燃料混合物）在汽缸中被压缩的程度。压缩比越大，汽缸内气体压缩后的压强越大，温度越高。压缩比是内燃机的主要技术规格之一，汽油机和柴油机的压缩比是不同的。例如：上海生产的165型汽油机的压缩比是6，压缩终了时的压强约为，温度可达到430℃；东风195型柴油机的压缩比是20，压缩终了时的压强约为，温度可达到500℃~700℃。压缩比越大，热机效率就越高。在汽油机里，吸入汽缸内的是燃料混合物，由汽化器把空气和汽油按一定比例进行均匀混合雾化而成，燃料混合物被压缩后，用火花塞点火引爆。汽油机的压缩比在5~8之间，不能任意提高。因为压缩比过大，压缩终了时的气体温度太高，密度太大，使点火时气体的燃烧太剧烈，会造成某一局部压力增长太快，对汽缸和活塞产生巨大的冲击力，发出很大的响声和震动，这种现象叫做“爆震”。发生爆震不仅对机件保养不利，而且使功率显著降低，经济性能大为恶化。柴油机的点火方式与汽油机不同，当压缩冲程快结束前，由喷油嘴喷出雾状柴油，会自动着火。由于柴油机汽缸里压缩的只是纯空气，没有“爆震”问题，提高压缩比不受此限制。但由于汽缸、活塞等部件能承受的压力限制，柴油机的压缩比也不能过大，通常限制在12~20之间。与汽油机相比，柴油机的热机效率更高一些，其自重也比同样功率的汽油机要大些。 请根据上述材料，回答下列问题： (1)内燃机的“压缩比”是指________的比值。压缩比越大，热机效率越高。 (2)在汽油机里，当火花塞产生电火花点燃燃料混合物时，会产生高温高压气体推动活塞向下运动，在此过程中将内能转化为________。 (3)通常汽油机的压缩比要小于柴油机的压缩比，其原因在于它们________的不同。 (4)某汽车发动机是以92号汽油为燃料的内燃机，后面表中给出了发动机的相关数据（空燃比是指汽缸内空气和燃油的质量比）。单缸四冲程内燃机完成一个工作循环时，燃料完全燃烧放出的热量是________J。 1min内完成的工作循环数 2400次 汽缸内汽油和空气混合气体的密度 汽缸的工作容积 2.0L 汽油的热值 发动机最大功率 82.8kW 空燃比 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $