第二十一讲 内能的利用
1.从能量转化的角度认识燃料的热值。
2.了解热机的工作原理。知道内能的利用在人类社会发展史中的重要意义。
3.了解能量及其存在的不同形式。能描述不同形式的能量和生产生活的联系。
4.通过实验,认识能量可以从一个物体转移到其他物体,不同形式的能量可以相互转化。
5.知道能量守恒定律。列举日常生活中能量守恒的实例。有用能量转化与守恒的观点分析问题的意识。
6.从能量转化和转移的角度认识效率。
一、热机
1.定义:利用内能 做功 的机械。
2.内燃机:燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机。
3.内燃机的工作原理:燃料在汽缸内燃烧,产生高温高压的燃气,把化学能转化为内能;然后燃气推动活塞做功,把内能转化为 机械 能。
4.内燃机的分类:汽油机和柴油机,它们分别用汽油和柴油作为燃料。
二、汽油机和柴油机
1.汽油机的四个冲程的特点:
冲程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
工作 示意 图
相应 特点 (1)进气门打开,排气门关闭,活塞向 下 运动 (2)吸入汽油和空气的混合物(柴油机吸入的是空气) (1)进气门、排气门都关闭 (2)活塞向 上 运动,压缩汽油和空气的混合物(柴油机压缩的是空气) (1)进气门、排气门都关闭 (2)活塞在高温高压的燃气作用下向 下 运动 (3)点火方式:点燃式(柴油机为压燃式) (1)进气门关闭,排气门打开 (2)活塞向 上 运动将废气排出汽缸 (3)废气中含有大量有害气体
能的 转化 (转移) — 机械 能转化成 内 能 内 能转化成 机械 能 废气带走很多燃气内能
2.柴油机和汽油机的区别:
项目 汽油机 柴油机
不同点 构造 汽缸顶部有火花塞 汽缸顶部有 喷油嘴
燃料 汽油 柴油
吸气冲程 吸入的是汽油和 空气的混合物 只吸入空气
点燃方式 点燃式 压燃式
效率 较低 较高
应用实例 小型汽车、摩托车 载重汽车、大型拖拉机
相同点 都有吸气、压缩、做功、排气四个冲程
压缩冲程 能量转化:将机械能转化为内能
做功冲程 能量转化:将内能转化为机械能
【名师点拨】 (1)在一个工作循环中,活塞在汽缸内往复2次,飞轮转2圈,完成4个冲程,对外做功1次。
(2)在四个冲程中,只有做功冲程是燃气对活塞做功,其他三个冲程都要靠曲轴上安装的飞轮的惯性来带动完成。
三、燃料的热值
1.定义:把某种燃料完全燃烧放出的热量与其 质量 或 体积 之比。(比值定义法)
2.单位: J/kg (气体燃料用J/m3)。
3.计算公式:
(1)固体和液体:Q放= qm 。(2)气体:Q放= qV 。
【名师点拨】 热值是燃料的一种特性,是反映燃料完全燃烧时放热本领大小的物理量;热值的大小只与燃料的种类有关,与燃料的质量、燃烧快慢、是否完全燃烧等因素无关。
四、热机的效率
1.概念: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。
2.热机效率的计算公式: η=或η= 。
3.提高热机效率的途径:
(1)让燃料尽可能地完全燃烧。(2)减少热量的损失。(3)设法利用废气带走的能量。
【名师点拨】 热机的效率只反映热机对燃料燃烧放出热量的利用(转化)率,与热机做功的多少、做功的快慢、耗油的多少等都无关。
五、能量的转化和守恒
1.普遍性:在一定条件下,各种形式的能是可以 相互转化 的。
2.能量守恒定律:能量既不会凭空消灭,也不会凭空产生,它只会从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到其他物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量 保持不变 。
【名师点拨】 永动机不可能制造出来,因为它违背能量守恒定律,任何机器都不可能无中生有地制造能量。
重难点一 热机的工作原理
【典题1】如图是四冲程汽油机的工作示意图。从能量转化的角度看,机械能转化为内能的冲程是(A)
【技法点拨】(1)内燃机四冲程的判断
可通过“观气门→看活塞→明冲程”的分析思路进行:气门一开一关时,活塞向下运动为吸气冲程,活塞向上运动为排气冲程;两气门都关闭,活塞向上运动为压缩冲程,活塞向下运动为做功冲程。
(2)能量转化的两个冲程:内能机械能
(3)N个工作循环中,做功N次,飞轮转2N圈,活塞往复2N次,包含4N个冲程。
【变式】如图所示,用酒精灯加热试管中的水,当水沸腾一段时间以后,塞子被试管内水蒸气推出。这是通过 做功 (选填“做功”或“热传递”)的方式将水蒸气的内能转化为塞子的机械能。图 乙 (选填“甲”或“乙”)中汽油机的工作过程与这一实验过程中原理是一致的。若该汽油机飞轮的转速是1 800 r/min,则汽油机每秒钟对外做功 15 次。
重难点二 热值、热机效率的相关计算
【典题2】羊汤是很多地方喜爱的特色菜肴,制作它的主要步骤是熬汤:在锅中放入水和羊骨、羊肉、羊杂,用大火将水煮至沸腾,然后转用文火持续煮沸,若一锅羊汤加水、羊骨、羊肉、羊杂共15 kg,设锅中水、羊骨、羊肉、羊杂初始温度都为20 ℃,水、羊骨、羊肉、羊杂平均比热容为3.5×103 J/(kg·℃),然后用掉2 kg木材将汤烧开(汤的沸点为100 ℃),木材的热值q木材=1.2×107 J/kg。求:
(1)羊汤吸收的热量是多少
(2)2 kg木材完全燃烧放出的热量是多少
(3)本次煮羊汤的加热效率为多少
解:(1)羊汤吸收的热量:
Q吸=cm(t-t0)=3.5×103 J/(kg·℃)×15 kg×(100 ℃-20 ℃)=4.2×106 J;
(2)2 kg木材完全燃烧放出的热量:
Q放=m木材q木材=2 kg×1.2×107 J/kg=2.4×107 J;
(3)本次煮羊汤的加热效率:
η===17.5%。
【技法点拨】
1.利用热值计算燃料完全燃烧放出的热量:
(1)固体、液体燃料:Q放=mq(m表示燃料的质量)。
(2)气体燃料:Q放=Vq(V表示燃料的体积)。
2.热机效率:(1)计算:η=用炉子加热物体:Q总为燃料完全燃烧放出的热量(Q总=mq),Q有为被加热物质吸收的热量;如果是太阳能热水器,则Q总为太阳辐射在热水器上的总能量,Q有为水吸收的热量;如果是电热器,则Q总为电流做功放出的热量(W=UIt), Q有为水吸收的热量。
(2)变形公式:Q有用=ηQ放。
【变式】正午,小明对水面获取太阳的能量情况进行研究,他将装有400 g水的盘子放在室外平台上,经阳光照射10 min,水温升高了2.5 ℃。不计水的蒸发,水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃)。
(1)该过程水吸收的热量是多少
(2)若照射到盘中水面上太阳能的功率为25 W,水获取太阳能的效率是多大
解:(1)水吸收的热量:
Q吸=cmΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×0.4 kg×2.5 ℃=4.2×103 J;
(2)由P=可得,照射到水面上的太阳能:
W=Pt=25 W×10×60 s=1.5×104 J,
水获取太阳能的效率:
η===28%。
命题点一 热机
1.下列工具工作过程中使用热机的是(A)
A.“山东舰”上的战斗机 B.奥运会上的帆船
C.共享单车 D.电动新能源汽车
2.(2022·广州中考)下列选项可能符合汽车热机能量流向的是(D)
命题点二 汽油机和柴油机、热机效率
3.柴油机与汽油机相比,下列说法错误的是(C)
A.柴油机有喷油嘴没有火花塞 B.柴油机吸气冲程进入汽缸的只有空气
C.柴油机效率更低一些 D.压缩冲程中,柴油机缸内气体被压缩程度更大
4.2024年10月30日,搭载神舟十九号载人飞船的长征二号F遥十九运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射。火箭使用一种叫作偏二甲肼的液体燃料,是因为该燃料具有较大的(A)
A.热值 B.比热容 C.密度 D.体积
5.为实现国家关于“碳达峰”“碳中和”目标,东风汽车集团研发了一款新型汽车,与旧款汽车同样油耗和使用条件下相比,其发动机工作时,尾气中“汽油味”明显降低,动力更强劲。如图为其发动机某一冲程示意图,下列有关说法正确的是(A)
A.尾气中有“汽油味”说明汽油在汽缸中燃烧不完全
B.该冲程为做功冲程,机械能转化为内能
C.若汽油在汽缸内完全燃烧,则发动机效率可达100%
D.尾气温度越高,说明发动机效率越高
6.小红一家到某基地露营时,用火炉将质量为2 kg、初温为20 ℃的水加热到60 ℃,燃烧了100 g木炭。已知:水的比热容c水=4.2×103 J/(kg·℃),木炭的热值q=3.36×107 J/kg。求:
(1)水吸收的热量;
(2)该火炉烧水的热效率。
解:(1)水吸收的热量:
Q吸=c水m水(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×(60 ℃-20 ℃)=3.36×105 J;
(2)木炭完全燃烧放出的热量:
Q放=m木炭q=100×10-3 kg×3.36×107 J/kg=3.36×106 J,
火炉烧水的效率:
η===10%。
命题点三 能量的转化和守恒
7.如图所示的孔明灯,点燃底部的蜡烛后它会自动升空。关于这一过程,下列说法正确的是(A)
A.蜡烛燃烧将化学能转化为内能
B.孔明灯升空过程中的能量转化与内燃机的压缩冲程相同
C.孔明灯匀速升空过程中动能不断增加
D.孔明灯能自动升空说明能量可以凭空产生
8.(2022·广东中考)如图表示四冲程汽油机处于 排气 冲程,汽车尾气带走的能量 不能 (选填“能”或“不能”)自动汇集回来转化成燃料的化学能,这反映了能量的转化具有 方向性 。 第二十一讲 内能的利用
1.从能量转化的角度认识燃料的热值。
2.了解热机的工作原理。知道内能的利用在人类社会发展史中的重要意义。
3.了解能量及其存在的不同形式。能描述不同形式的能量和生产生活的联系。
4.通过实验,认识能量可以从一个物体转移到其他物体,不同形式的能量可以相互转化。
5.知道能量守恒定律。列举日常生活中能量守恒的实例。有用能量转化与守恒的观点分析问题的意识。
6.从能量转化和转移的角度认识效率。
一、热机
1.定义:利用内能 的机械。
2.内燃机:燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机。
3.内燃机的工作原理:燃料在汽缸内燃烧,产生高温高压的燃气,把化学能转化为内能;然后燃气推动活塞做功,把内能转化为 能。
4.内燃机的分类:汽油机和柴油机,它们分别用汽油和柴油作为燃料。
二、汽油机和柴油机
1.汽油机的四个冲程的特点:
冲程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
工作 示意 图
相应 特点 (1)进气门打开,排气门关闭,活塞向 运动 (2)吸入汽油和空气的混合物(柴油机吸入的是空气) (1)进气门、排气门都关闭 (2)活塞向 运动,压缩汽油和空气的混合物(柴油机压缩的是空气) (1)进气门、排气门都关闭 (2)活塞在高温高压的燃气作用下向 运动 (3)点火方式:点燃式(柴油机为压燃式) (1)进气门关闭,排气门打开 (2)活塞向 运动将废气排出汽缸 (3)废气中含有大量有害气体
能的 转化 (转移) — 能转化成 能 能转化成 能 废气带走很多燃气内能
2.柴油机和汽油机的区别:
项目 汽油机 柴油机
不同点 构造 汽缸顶部有火花塞 汽缸顶部有
燃料 汽油 柴油
吸气冲程 吸入的是汽油和 空气的混合物 只吸入空气
点燃方式 点燃式 压燃式
效率 较低 较高
应用实例 小型汽车、摩托车 载重汽车、大型拖拉机
相同点 都有吸气、压缩、做功、排气四个冲程
压缩冲程 能量转化:将机械能转化为内能
做功冲程 能量转化:将内能转化为机械能
【名师点拨】 (1)在一个工作循环中,活塞在汽缸内往复2次,飞轮转2圈,完成4个冲程,对外做功1次。
(2)在四个冲程中,只有做功冲程是燃气对活塞做功,其他三个冲程都要靠曲轴上安装的飞轮的惯性来带动完成。
三、燃料的热值
1.定义:把某种燃料完全燃烧放出的热量与其 或 之比。(比值定义法)
2.单位: (气体燃料用J/m3)。
3.计算公式:
(1)固体和液体:Q放= 。(2)气体:Q放= 。
【名师点拨】 热值是燃料的一种特性,是反映燃料完全燃烧时放热本领大小的物理量;热值的大小只与燃料的种类有关,与燃料的质量、燃烧快慢、是否完全燃烧等因素无关。
四、热机的效率
1.概念:用来做 的那部分能量,与燃料完全燃烧放出的能量之比。
2.热机效率的计算公式: 。
3.提高热机效率的途径:
(1)让燃料尽可能地完全燃烧。(2)减少热量的损失。(3)设法利用废气带走的能量。
【名师点拨】 热机的效率只反映热机对燃料燃烧放出热量的利用(转化)率,与热机做功的多少、做功的快慢、耗油的多少等都无关。
五、能量的转化和守恒
1.普遍性:在一定条件下,各种形式的能是可以 的。
2.能量守恒定律:能量既不会凭空消灭,也不会凭空产生,它只会从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到其他物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量 。
【名师点拨】 永动机不可能制造出来,因为它违背能量守恒定律,任何机器都不可能无中生有地制造能量。
重难点一 热机的工作原理
【典题1】如图是四冲程汽油机的工作示意图。从能量转化的角度看,机械能转化为内能的冲程是( )
【技法点拨】(1)内燃机四冲程的判断
可通过“观气门→看活塞→明冲程”的分析思路进行:气门一开一关时,活塞向下运动为吸气冲程,活塞向上运动为排气冲程;两气门都关闭,活塞向上运动为压缩冲程,活塞向下运动为做功冲程。
(2)能量转化的两个冲程:内能机械能
(3)N个工作循环中,做功N次,飞轮转2N圈,活塞往复2N次,包含4N个冲程。
【变式】如图所示,用酒精灯加热试管中的水,当水沸腾一段时间以后,塞子被试管内水蒸气推出。这是通过 (选填“做功”或“热传递”)的方式将水蒸气的内能转化为塞子的机械能。图 (选填“甲”或“乙”)中汽油机的工作过程与这一实验过程中原理是一致的。若该汽油机飞轮的转速是1 800 r/min,则汽油机每秒钟对外做功 次。
重难点二 热值、热机效率的相关计算
【典题2】羊汤是很多地方喜爱的特色菜肴,制作它的主要步骤是熬汤:在锅中放入水和羊骨、羊肉、羊杂,用大火将水煮至沸腾,然后转用文火持续煮沸,若一锅羊汤加水、羊骨、羊肉、羊杂共15 kg,设锅中水、羊骨、羊肉、羊杂初始温度都为20 ℃,水、羊骨、羊肉、羊杂平均比热容为3.5×103 J/(kg·℃),然后用掉2 kg木材将汤烧开(汤的沸点为100 ℃),木材的热值q木材=1.2×107 J/kg。求:
(1)羊汤吸收的热量是多少
(2)2 kg木材完全燃烧放出的热量是多少
(3)本次煮羊汤的加热效率为多少
【技法点拨】
1.利用热值计算燃料完全燃烧放出的热量:
(1)固体、液体燃料:Q放=mq(m表示燃料的质量)。
(2)气体燃料:Q放=Vq(V表示燃料的体积)。
2.热机效率:(1)计算:η=用炉子加热物体:Q总为燃料完全燃烧放出的热量(Q总=mq),Q有为被加热物质吸收的热量;如果是太阳能热水器,则Q总为太阳辐射在热水器上的总能量,Q有为水吸收的热量;如果是电热器,则Q总为电流做功放出的热量(W=UIt), Q有为水吸收的热量。
(2)变形公式:Q有用=ηQ放。
【变式】正午,小明对水面获取太阳的能量情况进行研究,他将装有400 g水的盘子放在室外平台上,经阳光照射10 min,水温升高了2.5 ℃。不计水的蒸发,水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃)。
(1)该过程水吸收的热量是多少
(2)若照射到盘中水面上太阳能的功率为25 W,水获取太阳能的效率是多大
命题点一 热机
1.下列工具工作过程中使用热机的是( )
A.“山东舰”上的战斗机 B.奥运会上的帆船
C.共享单车 D.电动新能源汽车
2.(2022·广州中考)下列选项可能符合汽车热机能量流向的是( )
命题点二 汽油机和柴油机、热机效率
3.柴油机与汽油机相比,下列说法错误的是( )
A.柴油机有喷油嘴没有火花塞 B.柴油机吸气冲程进入汽缸的只有空气
C.柴油机效率更低一些 D.压缩冲程中,柴油机缸内气体被压缩程度更大
4.2024年10月30日,搭载神舟十九号载人飞船的长征二号F遥十九运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射。火箭使用一种叫作偏二甲肼的液体燃料,是因为该燃料具有较大的( )
A.热值 B.比热容 C.密度 D.体积
5.为实现国家关于“碳达峰”“碳中和”目标,东风汽车集团研发了一款新型汽车,与旧款汽车同样油耗和使用条件下相比,其发动机工作时,尾气中“汽油味”明显降低,动力更强劲。如图为其发动机某一冲程示意图,下列有关说法正确的是( )
A.尾气中有“汽油味”说明汽油在汽缸中燃烧不完全
B.该冲程为做功冲程,机械能转化为内能
C.若汽油在汽缸内完全燃烧,则发动机效率可达100%
D.尾气温度越高,说明发动机效率越高
6.小红一家到某基地露营时,用火炉将质量为2 kg、初温为20 ℃的水加热到60 ℃,燃烧了100 g木炭。已知:水的比热容c水=4.2×103 J/(kg·℃),木炭的热值q=3.36×107 J/kg。求:
(1)水吸收的热量;
(2)该火炉烧水的热效率。
命题点三 能量的转化和守恒
7.如图所示的孔明灯,点燃底部的蜡烛后它会自动升空。关于这一过程,下列说法正确的是( )
A.蜡烛燃烧将化学能转化为内能
B.孔明灯升空过程中的能量转化与内燃机的压缩冲程相同
C.孔明灯匀速升空过程中动能不断增加
D.孔明灯能自动升空说明能量可以凭空产生
8.(2022·广东中考)如图表示四冲程汽油机处于 冲程,汽车尾气带走的能量 (选填“能”或“不能”)自动汇集回来转化成燃料的化学能,这反映了能量的转化具有 。
