苏教版九年级物理教学讲义，复习补习资料（含知识讲解，巩固练习）：18【基础】机械能与内能的相互转化

机械能与内能的相互转化（基础）
【学习目标】1．了解内能的利用在人类社会发展史上的重要意义，知道常见的热机——内燃机工作过程及其在历史、现实生活中的应用实例；2．从能量转化的角度认识燃料的热值；3．通过能量的转化和转移，进一步认识效率的概念。
【要点梳理】
要点一、物体内能的改变
通过做功可以改变物体的内能。
要点诠释： 对物体做功，物体内能增加；物体对外做功，自身内能减少，用做功的方法改变物体内能的过程，实质上是内能与其他形式的能量之间相互转化过程。

要点二、热机
利用燃料燃烧释放出能量做功的机械，叫做热机。常见的热机有：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。
要点诠释：
（1）内能利用的两种方式：加热、做功。
（2）内燃机及其工作原理：　 ①内燃机：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机。内燃机分为汽油机和柴油机，它们分别用汽油和柴油作为燃料。　　②内燃机的工作原理：汽油或柴油在气缸里燃烧时生成高温高压的燃气，用来推动活塞做功。活塞通过连杆使内燃机的飞轮转动，从而带动其他机械转动。（3）内燃机的四个冲程：
活塞在气缸内往复运动，从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程，汽油机是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的。在一个工作循环中，汽缸内的活塞往复两次，曲轴转动两周。四个冲程中只有做功冲程燃气对外做功，其他三个冲程都是靠飞轮惯性完成的。一个工作循环有两次能量转化，在压缩过程中，机械能转化为内能，在做功过程中，内能转化为机械能。

（4）汽油机和柴油机的异同点：
不同点
相同点
项目
汽油机
柴油机
（1）构造基本相同都是燃料在气缸内燃烧，都是内燃机。 （2）都将内能转化为机械能。
（3）每一个工作循环都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。
构造
气缸顶部有火花塞
气缸顶部有喷油嘴
点火方式
压缩冲程末由火花塞放出电火花点燃，称点燃式
压缩冲程末由喷油嘴向气缸内喷雾状柴油遇到高温高压的空气自动燃烧，称压燃式
燃料
汽油、吸气冲程吸进汽油和空气混合物
柴油、吸气冲程吸进气缸的只是空气
压缩比
压缩冲程末气体体积被压缩为吸进体积的1／9至1／6
压缩冲程末气体体积被压缩为吸进体积的1／22至1／16
做功
做功冲程初燃气压强为30至50个大气压，温度2000℃至2500℃，高温高压的气体推动活塞做功
做功冲程初燃气压强为50至100个大气压，温度1700℃至2000℃，高温高压的气体推动活塞做功
效率
效率较低20％至30％
效率较高30％至45％
用途
轻便，多用于汽车、飞机、小型农机具
笨重，多用于拖拉机、载重汽车、轮船等重型机械
要点三、热值
我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。单位是：J/㎏。要点诠释：（1）燃料燃烧放出的热量与哪些因素有关：　　①燃料的种类；　　②燃料的质量；　　③燃料是否充分燃烧。（2）燃料完全燃烧放出热量的计算公式：Q放=mq。其中m为燃料的质量，q为燃料的热值。
要点四、热机的效率
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，叫做热机的效率。
要点诠释：
（1）热机的效率是热机性能的一个重要指标，热机的效率越高，它的机械性能就越好。
（2）提高热机效率的途径：　　①在设计和制造上，要不断改进和革新，以减少各种能量损失，提高效率。　　②在使用上，要正确使用，注意保养。例如加润滑剂以保证良好的润滑，减小摩擦；运动零件之间的间隙要调整得当，减小摩擦和防止漏气。　　③充分利用废气带走的能量。例如热电站就是利用废气来供热的，这种既供电又供热的热电站，比一般的火电站，燃料的利用率将大大提高。
【典型例题】
类型一、热机
1、下列现象中，利用内能做功的是（　　）
A．冬天在户外时两手相互搓一会儿就暖和了
B．刀在砂轮的高速摩擦之下溅出火花
C．火箭在“熊熊烈火”的喷射中冲天而起
D．盛夏在烈日之下的柏油路面被晒熔化了
【思路点拨】本题抓住内能的两个应用：一、利用内能做功；二、利用内能加热物体。
【答案】C
【解析】A、冬天在户外时两手相互搓一会儿就暖和了，属于利用内能加热物体，不符合题意。
B、刀在砂轮的高速摩擦之下溅出火花，属于利用内能加热物体，不符合题意。
C、火箭在“熊熊烈火”的喷射中冲天而起，利用内能做功，符合题意。
D、盛夏在烈日之下的柏油路面被晒熔化了，属于利用内能加热物体，不符合题意。
【总结升华】内能的两个应用：加热、做功。
举一反三：
【变式】在下列各种过程中，利用内能加热的是（　　）
A．火箭将卫星搭载上天
B．喷气式客机载人飞翔
C．利用拖拉机耕地
D．烧水饮用
【答案】D
2、（2019?营口三模）柴油机和汽油机在构造上的主要区别是：柴油机气缸顶部有 ，汽油机气缸顶部有 ，在吸气冲程中的不同是：汽油机吸入气缸里的是 ，柴油机吸入气缸里的是 。
【思路点拨】总结汽油机和柴油机的异同点：①相同点：四个冲程相同，能的转化相同；②不同点：①吸入的物质不同；②结构不同；③压强不同，效率不同；④点火方式不同。
【答案】喷油嘴；火花塞；空气与汽油的混合物；空气
【解析】（1）汽油机和柴油机在构造上的区别是：汽油机顶部有个火花塞，柴油机顶部有个喷油嘴；
（2）在吸气冲程里，汽油机吸入气缸的是汽油和空气的混合物，而柴油机吸入的是空气，故答案为：喷油嘴；火花塞；空气与汽油的混合物；空气。
【总结升华】此题考察内燃机的工作原理，属基础题。
举一反三：
【变式】（2019?遵义中考）如图所示为四冲程汽油机未按工作循环顺序排列的各冲程示意图，工作时，将大量机械能转化为内能的冲程是（　　）
【答案】B
类型二、燃料的热值和热机效率
3、（2019?通州区二模）焦炭的热值是3.0×107J/kg，要获得6×108J的热量，至少燃烧 kg的焦炭。
【答案】20
【解析】由Q=mq得燃烧焦炭的质量：。答：至少燃烧20kg的焦炭。
【总结升华】此题主要考查了燃料燃烧的公式Q=mq的熟练应用，要求学生牢固掌握，基础性题目。
举一反三：
【变式】有关热值的概念，下列说法中正确的是（　 ）　　A．燃料完全燃烧时，它的热量最大　　B．没有燃烧的燃料，热值等于零　　C．燃料燃烧时放出的热量越多，热值越大　　D．燃料的热值与燃烧情况无关
【答案】D
4、热机的效率较低，为了提高热机的效率，你认为下列方法目前不可能的是（　　）
A．尽量使燃料充分燃烧
B．尽量减少各种热损失
C．尽量减少因克服摩擦力而额外消耗的能量
D．想办法把燃料放出的热量全部用来做有用功
【思路点拨】在热机中，用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫热机的效率；提高热机效率的方法有：使燃料尽可能充分燃烧；减少运动部件摩擦发热的损失；减少废气带走的热量。
【答案】D
【解析】在现有条件下，热机工作过程中燃料不可能完全燃烧，机械摩擦和散热要消耗能量、废气带走较大部分能量．所以燃料燃烧释放出的热量不可能全部做有用功。
【总结升华】增强节能意识，提倡低碳生活，提高能源利用率。
举一反三：
【变式】甲柴油机的效率比乙柴油机的效率高，这表明（　　）
A．甲的功率比乙的大
B．甲做的功比乙的多
C．甲消耗的柴油比乙的少
D．甲柴油机内能转化为机械能的百分比大
【答案】D
【巩固练习】
一、选择题
1、（2019?乌鲁木齐）家用轿车四冲程汽油机工作时为轿车提供动力的冲程是（　　）
A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程
2、（2019?当涂县一模）关于燃料和热值，以下说法正确的是（　　）
A．燃料热值与燃料的质量无关
B．容易燃烧的燃料，热值一定大
C．煤的热值大于干木柴的热值，燃烧煤放出的热量比燃烧木柴放出的热量一定多
D．为了提高锅炉的效率，一定要用热值高的燃料
3、如图所示是四冲程内燃机的哪一个冲程工作情况（　 ）　 A．吸气冲程　 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程
4、两部汽油机A和B，若A的功率较大，A的效率也较高，使A、B完成相等的有用功，则(　 　)　A．A汽油机消耗的汽油较少，用的时间较短?　B．B汽油机消耗的汽油较少，用的时间较短?　C．A、B二汽油机消耗的汽油一样多，用的时间一样长?　D．无法确定?
5、下列现象中，由机械能转化为内能的是（　 ）　A．雨天时发生雷电 B．陨石的降落
C．电扇运转时间较长，电机发热 D．人劳动会出汗
二、填空题
6、（2019?永修县校级一模）常见汽车的动力机械是内燃机，从能量转化的角度来看，内燃机是把________能转化为________能的机器，内燃机的效率较低，它在工作过程中，能量大部分以________能的形式耗散掉。
7、燃料直接在发动机的________内燃烧产生动力的热机叫内燃机。根据燃料的不同，又分为________机和________机。
8、四冲程内燃机由________、________、________和________四个冲程组成一个工作循环，只有________冲程把内能转化成机械能，其他三个冲程都是靠________来完成的。
9、物理学中，把________的某种燃料________燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值。热值的单位是________。
10、在热机中，用来做________的那部分能量与燃料________的能量之比叫热机的效率，可用公式________来计算。热机效率总小于________。
11、某瓶煤油的燃烧值是4.6×107焦/千克，它的物理意义是____________。如果将瓶中的煤油倒去一半，剩下煤油的燃烧值为 ____________。
12、（2019?菏泽中考）世界上很多发明都是受到生活现象的启发而蒙生的创意，比如：蒸汽机和汽油机，它们工作时，能的转化过程是 。图中 是汽油机的工作原理图。
13、质量为10千克的汽油，用去1/3后，剩下汽油的密度将________、比热容将________、热值将________。(填“变大”“变小”或“不变”)
14、一台内燃机运行时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占25%，废气带走的能量占30%，摩擦等机械损耗占10%，则它的热机效率为________。
三、计算题
15、（2019?内江中考）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：
（1）该汽车发动机做的有用功是多少？
（2）该汽车的输出功率为多少？
（已知：汽油的密度为0.8×103kg/m3，汽油的热值为4.5×107J/kg）
【答案与解析】
一、选择题
1、【答案】 C
2、【答案】 A
【解析】A、热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等均无关，故A正确；B、热值大小与燃料是否容易燃烧无关，故B错误；C、燃料燃烧放出热量的多少不仅与燃料的热值大小有关，还与燃料的质量以及燃烧程度有关，故C错误；D、锅炉的效率与燃料的热值高没有关系，故D错误；故选：A。
3、【答案】A
【解析】四冲程内燃机的工作情况是：当两个气门关闭，活塞向上运动时是压缩冲程，活塞向下运动时是做功冲程；当一个气门打开，另一个气门关闭，活塞向下运动时是吸气冲程，活塞向上运动时是排气冲程。如图所示是一个气门打开，一个气门关闭，活塞向下运动，故是吸气冲程。
4、【答案】A
【解析】A、B二汽油机完成的有用功相同的情况下，因A汽油机效率较高则必然消耗较少的汽油，又因它功率较大做功所用的时间比较短。
5、【答案】B
【解析】陨石在空气中降落时要克服摩擦阻力做功，消耗陨石的动能转化为内能，使陨石熔化并燃烧；雨天的雷电是电能转化为声能和光能；电扇里的电机发热是电能转化成内能；人在劳动时出汗不是机械能转化为内能，而是因为人的活动促进了新陈代谢，把人体的化学能转化为内能。
二、填空题
6、【答案】内；机械；内。
【解析】①内燃机是把内能转化为机械能的机器；②热机效率较低，很多内能散失掉了；故答案为：内；机械；内。
7、【答案】汽缸 汽油 柴油
8、【答案】吸气 压缩 做功 排气 做功 惯性
9、【答案】1 kg 完全 J／kg
10、【答案】有用功 完全燃烧所放出 1
11、【答案】1千克煤油完全燃烧能放出4.6×107焦的热量 4.6×107焦/千克
【解析】煤油的燃烧值是4.6×107焦/千克，它的物理意义是1千克煤油完全燃烧能放出4.6×107焦的热量。燃烧值是反映燃料燃烧时放热本领的物理量。煤油不会因为倒去一半而改变字它的燃烧值。
12、【答案】内能转化为机械能 乙
【解析】蒸汽机和汽油机都属于热机，是将内能转化为机械能的机器；由图甲可知，燃料燃烧，将燃料的化学能转化为水和水蒸气的内能，从玻璃管口喷出的水蒸气驱动叶轮转动，水蒸气会对叶轮做功，将水蒸气的内能转化为叶轮的机械能，此过程与蒸汽机的工作过程相似，反映了蒸汽机的工作原理。在图乙中，火焰使上方空气温度升高、上升，热空气带动叶轮转动，内能转化为机械能，与汽油机的工作原理相同。
13、【答案】不变 不变 不变
【解析】物质的密度、比热容和热值都是物质的属性。对于同种物质来说，它们不会随物质质量的变化而改变。
14、【答案】35％
【解析】该内燃机燃料的额外功所占的比例是汽缸散热损失、废气带走的能量及摩擦的总和，即25%+30%+10%＝65%，故它的热机效率为35%。
三、计算题
15、【答案与解析】
（1）由得消耗汽油的质量为：m=ρV=0.8×103kg/m3×1.5×10-3 m3=1.2kg，
汽油完全燃烧放出的热量：Q放=mq=1.2 kg×4.5×107J/kg=5.4×107J；
由得，汽油机的有用功：W=ηQ放=30%×5.4×107J=1.62×107J；
（2）由得汽车运动的时间：；
汽车的输出功率：。
答：（1）该汽车发动机做的有用功是1.62×107J；（2）该汽车的输出功率为4.05×104W。