(共42张PPT)
第14章 内能的利用
14.1 热 机
热蒸汽为我们提供了强大的推力，把人们从繁重的体力劳作中解放出来.
蒸汽机带来一场革命！第一次工业革命！
导入新课
世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家希罗于 1 世纪发明的汽转球，但它只不过是一个玩具而已.
瓦特在前人的启迪下，对蒸汽机作出一系列重大改进，在工业上得到广泛应用.他开辟了人类利用能源新时代，标志着工业革命的开始.
其实，瓦特观察水壶中的水烧开，推动壶盖，从而发明了蒸汽机，是一个善意的杜撰.
蒸汽机的遗憾——体积太庞大
用什么来代替高温高压的水蒸气呢？那样，锅炉就可以不要啦！
想一想
最早的汽车（1886年）
汽车中的巨无霸
（额定核载360吨）
内燃机——电气时代
第二次工业革命
最快的汽车（1 600 km/h）
内燃机分为汽油机和柴油机两大类
使用汽油作为燃料的叫汽油机.
使用柴油作为燃料的叫柴油机.
内燃机的分类
1、热机
——利用内能做功的机器
讨论这个实验中能量转化的情况.
一.热 机
演 示
燃料燃烧时化学能转化为内能，传给水和水蒸气；水蒸气把塞子冲出去，内能转化为塞子的动能.
塞子冲出，管口有雾
酒精的化学能转化为内能
内能转移给水和水蒸气
水蒸气对塞子做功，内能转化为塞子的
机械能
塞子不要塞得太紧或试管外加金属网等
热机
练一练
如图所示，在试管内装些水，
用橡皮塞塞住，加热使水沸腾.
⑴ 在水沸腾后，你观察到的现象
是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿.
⑵ 整个实验中能量的转化（或转移）情况是：
① ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；
② ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；
③____________________________________
____________.
⑶ 在实验中为了安全，你认为应采取的措施是：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿.
⑷ 这个实验展示了人类利用内能的过程，其主要应用是＿＿＿＿.
利用内能做功的机器有很多，例如蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等.
蒸汽机车
蒸汽机车
喷气发动机
火箭发动机
火电站的汽轮机
2、热机的种类
1、构造
二.汽油机
2、工作过程
甲 吸气
乙 压缩
丙 做功
丁 排气
⑴ 吸气冲程
汽油和空气
进气门打开，排气门关闭.活塞由上端向下端运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸入气缸.
⑵ 压缩冲程
进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高.
⑶ 做功冲程
在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动.
⑷ 排气冲程
燃烧后的废气
进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸.
如图所示是四冲程汽油机的一个工作循环示意图，其中属于做功冲程的是【 】
C
练一练
【小结】汽油机一个工作循环包括＿＿冲程，活塞往复＿＿次，曲轴转动＿＿圈，做功＿＿次.有＿＿次能量转化.
汽油机工作的四个冲程中，只有＿＿＿＿燃气对外做功，其他三个冲程都是辅助冲程，要靠安装在曲轴上的＿＿＿＿＿来完成.必须靠外力来启动.
做功冲程
飞轮的惯性
4
2
2
1
2
想想议议
1.在四个冲程中，压缩冲程和做功冲程各发生了怎样的能量转化？
2.哪个冲程使汽车获得动力？
3.哪个冲程排出了汽车的废气？
压缩冲程是机械能转化为内能；做功冲程是内能转化为机械能.
做功冲程使汽车获得动力.
排气 冲程排出汽车的废气.
喷油嘴
进气门
活塞
连杆
曲轴
气缸
排气门
1、构造
三.柴油机
2、工作过程
⑴ 吸气冲程
空气
进气门打开，排气门关闭.活塞由上端向下端运动，将空气吸进气缸.
⑵ 压缩冲程
进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，活塞把空气压缩得很小，空气的压强更大，温度更高.在压缩冲程末，缸内空气温度已超过柴油的着火点.
⑶ 做功冲程
在压缩冲程末，从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气立即猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动.
⑷ 排气冲程
燃烧后的废气
进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸.
吸气
压缩
做功
排气
内燃机的
冲程和工作循环
【汽油机与柴油机的区别】
1、构造：
汽油机
喷油嘴
进气门
活塞
连杆
曲轴
气缸
排气门
柴油机
2、燃料：
汽油机用汽油；柴油机用柴油.
汽油机吸入汽油和空气的混合物；柴油机只吸入空气.
3、吸气冲程：
4、压缩冲程：
汽油机压缩程度较小；柴油机压缩程度较大.
机械能
内能
5、做功冲程：
汽油机为点燃式；柴油机为压燃式.
6、排气冲程：
都是排出废气。
7、主要特点：
汽油机轻巧、效率较低；柴油机笨重、效率较高.
机械能
内能
8、适用范围：
汽油机适用于小汽车、飞机等；柴油机适用于载重汽车、火车等.
9、相同点：
⑴ 都是燃料在汽缸中燃烧；
⑵ 汽油机的火花塞与柴油机的喷油嘴的工作时刻都是在压缩冲程末；
⑶ 都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，曲轴和飞轮转两周，对外做功一次；
⑷ 排气冲程排出废气的过程相同；
⑸ 启动时都是靠外力先使飞轮和曲轴转动起来.
柴油机结构和汽油机相似，它们的主要区别是：柴油机通过压缩空气直接点燃柴油.柴油机的汽缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴.吸入物质也只有空气，在压缩冲程结束时，压缩空气的温度已经超过柴油的燃点，此时从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气就立刻燃烧起来.
喷
油
嘴
柴油机比较笨重，主要用于载重汽车、拖拉机、火车轮船上.
汽油机转速高，结构简单，质量轻，造价低廉，运转平稳，使用维修方便。汽油机在汽车上，特别是小型汽车上大量使用，至今不衰.
柴油发动机与汽油发动机相比热效率高30%，因而从节约能源、降低燃料成本角度上讲，柴油发动机轿车的推广使用具有重大意义.
汽油机和柴油机的优缺点
汽车在开动前，是如何使内燃机起动的？
答：通过外力先使飞轮和曲轴转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，消耗机械能来帮助内燃机完成吸气、压缩两个冲程内燃机一旦开始做功，内能就会转化成曲轴的机械能.这时曲轴获得的机械能一部分通过做功，一部分通过飞轮（与曲轴相连的质量较大的轮子）保存起来.然后依靠飞轮的惯性再反过来向外输出带动曲轴转动，靠消耗飞轮的机械能完成排气以及下一循环的吸气、压缩.这样内燃机就可连续工作下去了.
思 考
1. 依靠飞轮惯性完成的冲程是【 】（多选）
B C D
A
D
B
C
练一练
2.内燃机压缩冲程中 _ 能转化为 _____；在做功冲程中 能转化为 能.
机械
内能
机械
内
C
3. 汽油机和柴油机相比较，下列叙述中正确的是【 】
A. 柴油机吸入汽缸的是柴油和空气的混合物，汽油机吸入的是空气
B. 在压缩冲程中它们的压缩程度是一样的
C. 柴油机里推动活塞做功的燃气的压强比汽油机里的高
D. 在压缩冲程末，汽油机汽缸内的温度比柴油机的高
动手动脑学物理
1. 除了飞机、汽车、摩托车之外，你还知道哪些地方用到了热机？你列举的这些热机中哪些是内燃机？
用到了热机的地方有：轮船、内燃机车、蒸汽机车、火箭、坦克、挖掘机、农业机械、小型发电机组、大型燃煤发电机等.
应用内燃机的有：轮船、内燃机车、坦克、挖掘机、农业机械、小型发电机组.
2. 在下图中，甲为四冲程内燃机吸气冲程的示意图，图中画出了吸气冲程中活塞和曲轴的位置和进气门、排气门的开闭情况.请在图乙、丙、丁中，分别画出压缩、做功、排气冲程中活塞和曲轴的位置和进气门、排气门的开闭情况.
甲 吸气
乙 压缩
丙 做功
丁 排气
3. 从能量转化的角度看，一台四冲程内燃机在一个循环中：
哪个冲程存在着化学能转化为内能的过程？
(2) 哪个冲程存在着内能转化为机械能的过程？
(3) 哪个冲程具有很明显的机械能转化为内能的过程？
（1）做功冲程中燃油的化学能转化为内能.
（2）做功冲程中高温高压的燃气膨胀做功，内能转化为机械能.
（3）压缩冲程中机械能转化为内能.
相同点：都是燃料在汽缸中燃烧；都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，曲轴和飞轮转两周，对外做功一次；四个冲程中，气门的开闭情况相同；吸气冲程都是吸进空气；压缩冲程都是将机械能转化为内能；做功冲程都是将内能转化为机械能；排气冲程都是排出废气；启动时都要靠外力先使飞轮转动起来，等等.
不同点：吸气冲程中，汽油机吸入的是汽油和空气的混合物，柴油机只吸入空气；压缩冲程中，柴油机活塞把空气的体积压缩得比汽油机的小得多，使得空气的温度很高；压缩冲程末，汽油机是火花塞点火，而柴油机是喷油嘴向汽缸中喷出雾状的柴油；做功冲程中，柴油机气体的压强大于汽油机.
4. 柴油机和汽油机的工作过程有什么相同点，有什么不同点？
小 结
1、热机
——利用内能做功的机器
2、热机的种类
利用内能做功的机器有很多，例如蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等.
一.热 机
内燃机分为汽油机和柴油机两大类
内燃机的分类
二.汽油机
汽油机一个工作循环包括 4 冲程，活塞往复 2 次，曲轴转动 2 圈，做功 1 次.有 2 次能量转化.
汽油机工作的四个冲程中，只有做功冲程燃气对外做功，其他三个冲程都是辅助冲程，要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成.必须靠外力来启动.
三.柴油机
吸气冲程中，柴油机只吸入空气；压缩冲程中，柴油机活塞把空气的体积压缩得比汽油机的小得多，使得空气的温度很高；压缩冲程末，柴油机喷油嘴向汽缸中喷出雾状的柴油；做功冲程中，柴油机气体的压强大于汽油机.
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《14.1 热机》同步练习
一.选择题：(每小题给出的四个选项中，只有一个选项符合题意， 请把符合题意的选项序号填入题后的括号内. )www.21-cn-jy.com
1.以下交通工具中，常用汽油机作为动力装置的是（ ）
A.小轿车 B.载重汽车 C.远洋轮船 D.动车
2.四冲程柴油机的转速为 600 r / min ，则在每秒钟内，柴油机对外做功的次数为（ ）
A.300次 B.600次 C.10次 D.5次
3.汽车已走进很多家庭，如图所示为四冲程汽油机汽缸的工作示意图，按吸气、压缩、做功、排气的顺序排列，下列排序正确的是（ ）【来源：21·世纪·教育·网】
A.乙甲丙丁 B.甲丁乙丙 C.丙乙甲丁 D.丙丁甲乙
( http: / / www.21cnjy.com ) ( http: / / www.21cnjy.com ) ( http: / / www.21cnjy.com ) ( http: / / www.21cnjy.com )
甲 乙 丙 丁
4.在四冲程汽油机的工作循环中，机械能转化为内能的冲程是（ ）
A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程
5.如图所示的四种交通工具，不用热机作为动力机械的是（ ）
( http: / / www.21cnjy.com ) ( http: / / www.21cnjy.com ) ( http: / / www.21cnjy.com ) ( http: / / www.21cnjy.com )
A.自行车 B.轮船 C.卡车 D.飞机
6.如图所示是四冲程内燃机工作循环中的一个冲程，它是（ ）
A.压缩冲程，将内能转化为机械能
B.压缩冲程，将机械能转化为内能
C.做功冲程，将内能转化为机械能
D.做功冲程，将机械能转化为内能
7.一个四冲程热机的飞轮转速为1800r/min，它1s内完成了（ ）
A.30个冲程，做了30次功 B. 60个冲程，做了60次功
C. 120个冲程，做了30次功 D. 60个冲程，做了15次功
二.填空题：(将答案直接写在横线上，不必写出解题过程.)
8.汽油机的一个工作循环由______个冲程组成，其中对外做功______次.在压缩冲程中，气体的温度升高，这是通过______的方式增加内能.为了不让汽油机在工作时温度升得太高，在设计制造时，汽缸外有一个水套，让汽缸被水包围着，这是通过__________的方式减少汽缸内能.用水来冷却汽缸是因为水的__________较大.21·世纪*教育网
9.内燃机有四个冲程，如图所示是内燃机的_________冲程，活塞下降时，燃气内能________（填“减少” 或“增加”）. 2·1·c·n·j·y
( http: / / www.21cnjy.com )
第9题图 第10题图
10.如图所示，在试管中装一些水，用软木塞 ( http: / / www.21cnjy.com )塞紧，对试管加热使水沸腾，会看到蒸汽把软木塞“砰”的一声顶开.“蒸汽顶开软木塞”是一个能量转化的过程，请对此能量转化过程作出描述：________________________________________________________.
11.在汽油机的一个工作循环中，内能转化为机械能的是________冲程，其他三个冲程都是靠飞轮的________来完成的.www-2-1-cnjy-com
12.如图所示是四冲程汽油机工作示意图，其 ( http: / / www.21cnjy.com )中压缩冲程是把________能转化为________能.如图甲、乙所示，是我们课堂演示的两个实验，与压缩冲程原理相同的是________.
( http: / / www.21cnjy.com )
甲.吸气 乙.压缩 丙.做功 丁.排气 甲 乙
三.实验题：
13.如图甲为四缸发动机原 ( http: / / www.21cnjy.com )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. 21世纪教育网版权所有
排量 2.0L
输出功率 120kW
转速 6000r/min
( http: / / www.21cnjy.com ) ( http: / / www.21cnjy.com )
(1)发动机在做功冲程里，高温、高压的燃气推动活塞向下运动，对外做功，同时将_________能转化为_________能. 21教育网
(2)有一台四缸四缸发动机，其主要技术 ( http: / / www.21cnjy.com )指标如上表所示.其中排量等于四个汽缸工作容积的总和，汽缸工作容积指活塞从上止点到下止点所扫过的容积，又称单缸排量，它取决于活塞的面积和活塞上下运动的距离（即冲程长）.转速表示每分钟曲轴或飞轮所转的周数.21cnjy.com
①该发动机在1s内做功__________J，单缸排量V＝___________L.
②在每个做功冲程里，发动机做功W＝_____________J.
(3)在做功冲程里，燃气对活塞所做 ( http: / / www.21cnjy.com )的功可表示为W＝pV，式中p表示燃气对活塞的压强，则p＝___________Pa.（1L＝10－3m3）21·cn·jy·com
(4)图乙为发动机在做功冲程中的示 ( http: / / www.21cnjy.com )意图.下面给出了公式W＝pV的证明，请将推导过程补充完整（要求各表达式均用S、l或p表示）：设活塞的面积为S，冲程长为l，燃气对活塞的压强为p，则燃气对活塞的压力F＝________，燃气对活塞所做的功W＝_______，又根据数学知识可知发动机的单缸排量V＝________，故W＝pV.
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《14.1 热机》同步练习——答案与解析
一.选择题：(每小题给出的四个选项中，只有一个选项符合题意， 请把符合题意的选项序号填入题后的括号内. )www.21-cn-jy.com
1.A
【解析】由于柴油机工作的过程中 ( http: / / www.21cnjy.com )压强较大，要求各有关零件具有较高的结构强度，因此柴油机比较笨重，且输出功率更大，主要应用在载重汽车、拖拉机、坦克、火车、轮船上.故选A.21教育网
2.D
【解析】转速为600 r / min ＝10r/s，而四冲程内燃机转2周，做功1次，所以在每秒钟内，柴油机对外做功次数为5次.故选D．21cnjy.com
3.C
【解析】吸气冲程中进气门打开，排气门关 ( http: / / www.21cnjy.com )闭.活塞由上端向下端运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸入气缸.压缩冲程中进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高.做功冲程中在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动.排气冲程中进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸．故选Ｃ.2·1·c·n·j·y
4.B
【解析】压缩冲程中进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高，机械能转化为内能．故选B.【来源：21·世纪·教育·网】
5.A
【解析】轮船、卡车和飞机都需要热机作为动力机械才能正常工作．故选A.
6.B
【解析】由题图可知该冲程为压缩冲程，此冲程中机械能转化为内能. 故选B.
7.D
【解析】因为内燃机每一个工作循环曲轴转动2周，每周完成2个冲程，所以每秒完成的冲程数为＝60个，又因为内燃机每一个工作循环活塞对外做功一次（即每4个冲程中有1个做功冲程），所以该内燃机1s内做功＝15次.故选D.
二.填空题：(将答案直接写在横线上，不必写出解题过程.)
8.四 一 做功 热传递 比热容
【解析】汽油机的一个工作循环由4个冲程组成 ( http: / / www.21cnjy.com )，其中对外做功1次.在压缩冲程中，气体的温度升高，这是通过做功的方式增加内能.为了不让汽油机在工作时温度升得太高，在设计制造时，汽缸外有一个水套，让汽缸被水包围着，这是通过热传递的方式减少汽缸内能.用水来冷却汽缸是因为水的比热容较大.21·世纪*教育网
9.做功 减少
【解析】由题图可知，两气门关闭，活塞向下运动，是做功冲程.在做功冲程中，燃气膨胀做功，内能减少，温度降低，将内能转化为机械能.www-2-1-cnjy-com
10.内能转化为动能（或内能转化为机械能）
【解析】蒸汽顶开软木塞时，对软木塞做功，消耗蒸汽的内能，转化为软木塞的动能.
11.做功 惯性
【解析】在汽油机的一个工作循环中，内能转化为机械能的是做功冲程，其他三个冲程都是靠飞轮的惯性来完成的.21世纪教育网版权所有
12.机械 内 甲
【解析】四冲程汽油机的一个工 ( http: / / www.21cnjy.com )作循环中，压缩冲程是把机械能转化为内能.图甲是机械能转化为内能，图乙是内能转化为机械能，所以与压缩冲程原理相同的是图甲.
三.实验题：
13.(1)内 机械 (2)①1.2×105 0.5 ②600 (3)1.2×106 (4)pS pSl Sl21·cn·jy·com
【解析】(1) 发动机在做功冲程里，高温、高压的燃气推动活塞向下运动，对外做功，同时将内能转化为机械能.(2)①由P＝可得该发动机在1s内做功W＝Pt＝120kW×1s＝1.2×105W×1s＝1.2×105J；单缸排量V＝×2.0L＝0.5L. ②因为该发动机在1s内做功1.2×105J，所以每个缸1s内做功W＝×1.2×105J＝3×104J；因为该发动机转速为6000r/min，且每个工作循环曲轴旋转两周做功一次，可知该发动机每秒做功6000÷60÷2＝50次，在每个做功冲程里，发动机做功W′＝×3×104J J＝600J. (3)因为W′＝600J，V＝0.5L＝0.5×10－3m3，所以在做功冲程里， p＝＝＝1.2×106Pa. (4)设活塞的面积为S，冲程长为l，燃气对活塞的压强为p，则燃气对活塞的压力F＝pS，燃气对活塞所做的功W＝pSl，又根据数学知识可知发动机的单缸排量V＝Sl，故W＝pV.
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