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第1节 热机
第十四章 内能的利用
R·九年级上册
学习目标：
1.知道什么是热机和热机中能量的转化。
2.知道四冲程内燃机的构造和工作原理。
3.了解汽油机和柴油机的主要区别。
1.热机：将燃料燃烧时放出的_____能转化为_______能的机械（即利用内能做功的机械）。热机的常见种类有蒸汽机、________、汽轮机、_____________等。
2.内燃机：燃料直接在_____________内燃烧产生动力的热机叫做内燃机。内燃机是现代社会中最常见的一种热机。生活中，汽车的动力机械就是________。内燃机可以分为_________和_________两大类，它们分别用汽油和柴油作为燃料。
内
机械
内燃机
喷气发动机
发动机汽缸
内燃机
汽油机
柴油机
18世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有数千米每小时，而目前最快的汽车速度已经超过了声速。汽车是如何获得机械能的呢？
观察现象，思考这个过程中不同形式的能量之间的转化情况。
1.你看到了什么现象？
水沸腾后橡胶塞冲出，试管口出现“白雾”。
2.如何解释你看到的现象？
酒精燃烧放出热量，热量通过试管传递给水，使其内能增加，温度升高，产生大量的水蒸气，将橡胶塞推出试管口，同时水蒸气的内能减少，温度降低，液化成小水滴。在试管口形成“白雾”。
3.简述该过程的能量转化。
酒精燃烧，化学能转化为内能；水蒸气的内能转化为橡胶塞的机械能。
这个实验基本展示了蒸汽机的工作原理，是原始的热机模型。
蒸汽机的雏形——汽转球
一、热机
热机——利用内能做功的机械
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
热机的种类
热机介绍视频
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。
瓦特
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！
蒸汽机：锅炉与汽缸分离，是“外燃机”。
缺点：
体积庞大，车身笨重，热量损失大，效率低。
锅炉
汽缸
内燃机——燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机
优点：
体积小，重量轻，启动快，效率高。
奔驰1号
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．构造
二、汽油机
2．工作原理
活塞在汽缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。
汽油在汽缸里面燃烧时生成高温高压的燃气，推动活塞做功。
3．工作过程
点火方式：点燃式
吸气
压缩
做功
排气
甲：吸气
乙：压缩
丙：做功
丁：排气
汽油机工作原理
吸气冲程
汽油和空气
进气门状态：
排气门状态：
活塞运动方向：
能量转化：
过程描述：
打开
汽缸中气体体积增大，压强减小，大气压将汽油和空气组成的燃料混合物从进气门压入汽缸。
向下运动
无
关闭
压缩冲程
进气门状态：
排气门状态：
活塞运动方向：
能量转化：
过程描述：
关闭
活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高。
向上运动
机械能转化为内能
关闭
做功冲程
进气门状态：
排气门状态：
活塞运动方向：
能量转化：
过程描述：
关闭
压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压气体，推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。
向下运动
内能转化为机械能
关闭
排气冲程
进气门状态：
排气门状态：
活塞运动方向：
能量转化：
过程描述：
关闭
气缸内气体体积减少，气压增大，废气排出气缸。
向上运动
无
打开
1．在四个冲程中，哪些冲程发生了能量的转化？
2．哪个冲程使汽车获得动力？
3．哪个冲程排出了汽车的尾气？
想想议议
压缩冲程把机械能转化为内能；做功冲程把内能转化为机械能。
做功冲程
排气冲程
例1 如图所示是内燃机工作循环中的一个冲程，它是（ ）
A.压缩冲程，将化学能转化成内能
B.压缩冲程，将机械能转化成内能
C.做功冲程，将内能转化成机械能
D.做功冲程，将机械能转化成内能
解析：判断内燃机工作过程属于哪一个冲程，需分两步：一是看气门开闭状况，二是看活塞运动情况。
B
具体判断方法是：一气门打开，若进气为吸气冲程，若排气为排气冲程；两气门都关闭，活塞向上是压缩冲程，活塞向下为做功冲程.本题是两气门都关闭，活塞向上是压缩冲程.压缩冲程是将机械能转化为内能。
例2 一台单缸四冲程汽油机，飞轮转速为6000r/min，则每秒钟发动机完成______个冲程，对外做功______次。
200
50
解析：由6000r/min，算出飞轮每秒转动的转数为 。飞轮转一周完成2个冲程，一个工作循环为4个冲程，做1次功，飞轮需要转动2周，则每秒完成冲程数为100×2＝200（个），每秒做功次数为 ×100＝50（次）。
例3 如图所示的是汽油机汽化器的工作原理图，油管的喷嘴为什么要安装在进气管的狭窄处？请作出简要解释。
解：将油管的喷嘴安装在进气管的狭窄处，是因为进气管狭窄处的空气流速较大，压强较小（小于油箱内油面的大气压），汽油才能在气压的作用下流出喷嘴，在高速气流的冲击下变成雾状，与空气混合。
柴油机结构和汽油机相似，但是柴油机汽缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴。
喷油嘴
三、柴油机
喷油嘴
进气门
活塞
连杆
排气门
气缸
曲轴
1．柴油机的构造
点火方式：压燃式
2．工作过程
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
排气冲程
柴油机工作原理
点火方式：压燃式
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
排气冲程
将空气吸进气缸。
活塞向上把空气压缩得非常小，空气的压强更大，温度更高。
在压缩冲程末，汽缸内空气温度已超过柴油的燃点，此时从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气立刻燃烧起来，燃烧放出的热使得气体的压强和温度急剧升高，从而推动活塞对外做功。
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。
柴油机比较笨重，主要用于载重汽车、拖拉机、火车、轮船上。
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
柴油机和汽油机的区别与联系
相同点：
（1）都是燃料在汽缸内燃烧。
（2）都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。
（3）压缩冲程都是机械能转化为内能，做功冲程都是内能转化为机械能。
不同点：
内燃机 项目 汽油机 柴油机
燃料 汽油 柴油
构造
工作循环 吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
主要特点
主要用途
汽缸顶部是火花塞
汽缸顶部是喷油嘴
吸入汽油和空气的混合物
吸入空气
压缩程度较小
压缩程度较大
点燃式
压燃式
轻巧但输出功率小
笨重但输出功率大
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
例4 下列关于柴油机的叙述中，正确的是（ ）
A.柴油机是把内能转化为机械能的装置
B.四冲程柴油机每经过一个工作循环，曲轴就要转动两周
C.汽油机有喷油嘴，柴油机有火花塞
D.汽油机用压燃式点火，柴油机用点燃式点火
热机
B
在做功冲程中，汽油机是通过火花塞产生电火花点燃高温高压的油气混合物，是点燃式；
而柴油机是用喷油嘴向远高于柴油燃点的空气喷射雾状柴油而使柴油燃烧的，称之为压燃式，故C、D选项错误。
×
×
阅读教材P20《科学世界》——“现代汽车”
现代汽车多数采用四缸或六缸等多缸发动机，每个汽缸都进行这种四冲程循环。
图14.1-5 汽车的动力系统
例5 某单缸四冲程柴油机的汽缸活塞面积为30cm2，一个做功冲程活塞在汽缸中移动的距离是50mm，满负荷工作时做功冲程中燃气的平均压强为9.0×105Pa，飞轮1min转动1800周，当柴油机满负荷工作时（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）柴油机的功率.
F = pS
W = Fs
解析：（3）柴油机工作时，飞轮转动两周，对外做功一次，由此可根据飞轮的转速求出飞轮1s做功的次数，从而可以求出柴油机的功率。
s
解：（1）做功冲程燃气对活塞的平均压力
F = pS = 9.0×105Pa×30×10-4m2 = 2.7×103N；
（2）一个做功冲程燃气对活塞的功
W = Fs = 2.7×103N×50×10-3m = 135J；
（3）因为飞轮的转速是1800r/min=30r/s，
每秒做功次数 次，
柴油机的功率
1．内燃机压缩冲程中 能转化为 能；在做功冲程中 能转化为 能。
机械
内
机械
内
知识点1 热机
2．依靠飞轮惯性完成的冲程是（ ）
BCD
A
D
B
C
知识点2 汽油机
做功
吸气
排气
压缩
3．汽油机在压缩冲程工作中物质被压缩，汽缸中的 （ ）
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
C
4．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
C
×
空气
汽油和空气的混合物
汽油机的压缩程度较小，柴油机的较大
×
×
√
知识点3 柴油机
概念
能量转化情况
内燃机
汽油机
柴油机
构造
一个工作循环
能量转化
热机
利用内能做功的机械
内能转化为机械能
应用
吸气、压缩、做功、排气
压缩冲程中机械能转化成内能；做功冲程中内能转化成机械能
内燃机 项目 汽油机 柴油机
燃料 汽油 柴油
构造
工作循环 吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
主要特点
主要用途
汽缸顶部是火花塞
汽缸顶部是喷油嘴
吸入汽油和空气的混合物
吸入空气
压缩程度较小
压缩程度较大
点燃式
压燃式
轻巧但输出功率小
笨重但输出功率大
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
柴油机和汽油机的区别：
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？
解：除了飞机、汽车、摩托车外，还有轮船、拖拉机、收割机、推土机、压路机、坦克等都使用了热机，这些热机都是
内燃机。火车可分为电力机车、内燃机车和蒸汽机车，其中内燃机车使用的是内燃机。
（见教材P21 动手动脑学物理）
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。
3.从能量转化的角度看，一台四冲程内燃机在一个循环中
（1）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？
解：（1）做功冲程；
（2）做功冲程；
（3）压缩冲程。
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？
解：相同点：
（1）一个工作循环相同：一般都包括吸气、压缩、做功、排气四个冲程。
（2）能量转化相同：四个冲程的内燃机中，吸气和排气冲程都不发生能量转化，压缩冲程将机械能转化为内能；做功冲程将内能转化为机械能。
（3）启动与动力方式相同：都需要外力（人力、电力、重力）启动，启动后只有做功冲程对外提供动力，其他三个辅助冲程要靠飞轮的惯性完成。
不同点：
（1）构造不同：柴油机汽缸顶部是喷油嘴；汽油机汽缸顶部是火花塞。
（2）吸气成分不同：柴油机在吸气冲程中，吸入的只有空气；汽油机在吸气冲程中，吸入的是空气和雾状汽油的混合物。
（3）点火方式不同：柴油机为压燃式；汽油机为点燃式。
（4）压缩程度不同：柴油机对空气的压缩程度比汽油机更高，因而可以输出更大的功率。
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？
