14.1 热机（解析版）

第十四章 内能的利用 第1 节 热机 1 知道热机的概念，了解热机的工作原理。知道内能的应用在人类社会发展史上的重要作用。 2 了解汽油机的构造和工作过程。 3 了解柴油机的构造和工作过程。 一、热机： 1 内能的利用方式： 热传递 和 做功 ； （1）利用内能来加热：从能的角度看，这是内能的 转移 过程； （2）利用内能来做功：从能的角度看，这是内能 转化 为机械能。 2 热机是利用内能做功的机械： 热机：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等； 3 内燃机分为 汽油机 和 柴油机 两大类 ； 4 汽油机： ①汽油在气缸里面燃烧时生成高温高压的燃气， 推动活塞做功，活塞移动带动曲轴转动； ②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； ③多数汽油机是由 吸气 、 压缩 、 做功 、 排气 四个冲程的不断循环来保证连续工作； 一个工作循环，曲轴和飞轮转动 2 周，活塞往复 2 次（ 4 冲程），对外做功 1 次。 二、汽油机的四个冲程： 1 吸气冲程：进气阀门打开，排气阀门关闭，活塞向下运动。（同时吸入汽油与空气） 2 压缩冲程：进气阀门、排气阀门都关闭；活塞向上运动；机械能转化为 内能 。 3 做功冲程：进气阀门、排气阀门都关闭；火花塞点火；汽油燃烧放热膨胀，推动活塞向下运动，对外做功；内 能 学习目标 1 预习导学 02 转化为 机械能 。(只有做功冲程对外做功) 4 排气冲程：进气阀门关闭，排气阀门打开；活塞向上运动；排出废气。 一个工作循环，曲轴和飞轮转动 2 周，活塞往复 2 次（ 4 冲程），对外做功 1 次。 三、柴油机、汽油机和柴油机的区别： 1 汽油机和柴油机剖面图： （1）汽油机的构造 （2）柴油机的构造 2 柴油机的工作原理： （1）柴油机的工作过程也分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程； （2）在吸气冲程里，吸进气缸的只有空气； （3）在压缩冲程中，活塞把空气的体积压缩得非常小，使得空气的温度很高； （4）在压缩冲程结束的时候，气缸内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 气便立刻燃烧起来； （5）柴油机工作过程中压强比较大，要求各有关零部件具有较高的结构强度，因此柴油机比较笨重。 3 柴油机和汽油机的区别： ①汽油机气缸顶部有火花塞，柴油机气缸顶部有喷油嘴； ②汽油机吸气冲程吸入的是汽油与空气的混合物，柴油机吸气冲程只吸入空气； ③汽油机点火方式为点燃式，柴油机点火方式压燃式； ④汽油机的效率低，柴油机效率高； ⑤汽油机机体较轻，柴油机机体较重。 知识点一：热机 【探究重点】 1、定义：把内能转化为机械能的机械叫做热机。 2、热机的种类很多，例如蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。 【例题精讲】．（2023•牡丹江）以下机械属于内燃机的是（ ） ．火箭喷气发动机 B．汽油机 ．滑轮组 D．洗衣机 【答】B 【分析】内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在气缸内燃烧，并将其放出的内能直接转化为机械能的发动 机。 【解析】、火箭喷气发动机属于热机，但与内燃机并不完全相同，它是以热气流高速向后喷出，利用产生的反作 用力向前运动的喷气推进装置。它自身携带燃烧剂与氧化剂，不依赖空气中的氧助燃，火箭在飞行过程中随着火 箭推进剂的消耗，其质量不断减小，是变质量飞行体，因此，严格讲不属于内燃机，故不合题意；B、汽油机工作 探究提升 03 机种 项目 汽油机 柴油机 构造 气缸顶部有火花塞 气缸顶部有喷油嘴 燃料 汽油 柴油 点燃方式 点燃式 压燃式 工 作 过 程 吸气 冲程 吸入汽油与空气的混合物 只吸入空气 压缩 冲程 燃料被压缩后，缸内压强较高 空气被压缩后，缸内压强很高 做功 冲程 压缩冲程末火花塞点火 压缩冲程末喷油嘴喷出雾状柴油 效率 20%—30% 30%—45% 用途 轻巧、体积小，常用于小型汽车、飞机和小 型农业器械 笨重、经济、功率大，主要用于载重汽车、 轮船、坦克 时，燃料在气缸内燃烧，通过燃气对外做功，将内能转化为机械能，属于内燃机，故B 符合题意；、滑轮组属于 简单机械，不是内燃机，故不合题意；D、洗衣机利用的是电动机来工作，不是内燃机，故D 不合题意。 故选：B。 【点评】本题考查了对内燃机的认识与理解，要注意与其它类似机械的区分。 【巩固训练】（2022•温江区模拟）以下机械属于热机的是（ ） ．喷气发动机 B．滑轮组 ．洗衣机 D．螺旋式千斤顶 【答】 【解析】、喷气发动机是把内能转化成机械能的装置，属于热机，故符合题意；B、滑轮组是简单的机械，不属于 热机，故B 不合题意；、洗衣机是电能转化为机械能的装置，不属于热机，故不合题意；D、螺旋式千斤顶是利用 帕斯卡原理，不属于热机，故D 不合题意。故选：。 知识点二：内燃机 【探究重点】 1、内燃机是现代社会中最常见的一种热机，分为汽油机和柴油机两大类。 2、内燃机工作过程 （1）冲程：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。 （2）内燃机的每一个工作循环分为四个阶段：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。活塞往复运动2 次。 （3）四冲程汽油机工作示意图 ①吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物进入气缸。 ②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。机械能转化为内能。 ③做功冲程：火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞向下运动， 带动曲轴转动，对外做功。内能转化为机械能。 ④排气冲程：进气门保持关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。 总结：吸气冲程、压缩冲程和排气冲程是依靠飞轮的惯性来完成的，而做功冲程是内燃机中唯一对外做功的冲程。 【例题精讲】（2023•阜新）如图所示是四冲程汽油机的剖面图，属于机械能转化为内能的是（ ） ． B． ． D． 【答】 【分析】内燃机的一个工作循环有吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程四个冲程组成，其中压缩冲程中机 械能转化成内能，做功冲程中内能转化成机械能。 【解析】内能转化为机械能的是做功冲程，机械能转化内能是压缩冲程： 、气门都关闭，活塞向上运行，气缸容积减小，是压缩冲程，是将机械能转化为内能，故正确；B、气门都关 闭，活塞向下运行，气缸容积增大，是做功冲程，是将内能转化为机械能，故B 错误；、进气门打开，活塞向 下运行，气缸容积增大，是吸气冲程，故错误；D、排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程， 故D 错误。故选：。 【点评】本题考查了内燃机的四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，以及压缩冲程和做功冲程 的能量转化，是中考的热点内容。 【巩固训练】（2023•大连）四冲程汽油机在工作过程中，将燃气的内能转化为机械能的冲程是（ ） ．吸气冲程 B．压缩冲程 ．做功冲程 D．排气冲程 【答】 【解析】四冲程汽油机在做功冲程中，高温高压燃气推动活塞做功，将内能转化为机械能，故正确。故选：。 1．（2023•武汉模拟）如图所示，烧瓶内盛少量水。给瓶内打气，当瓶塞跳出时，可以看到瓶内出现白雾。瓶塞 跳出的这个过程中下列有关说法正确的是（ ） ．瓶内气体的内能减小 强化训练 040 B．瓶内气体分子热运动加剧 ．瓶内气体通过热传递方式改变了其内能 D．该过程能量转化方式与汽油机压缩冲程相同 【答】 【解析】B、给瓶内打气，当瓶塞跳起时，气体膨胀对外做功，温度降低，内能减少，分子热运动减慢，通过 做功的方式改变内能，故正确，B 错误；D、其自身的内能减小，内能转化为机械能，汽油机在做功冲程将内 能转化为机械能，该过程能量转化方式与汽油机做功冲程相同，故D 错误。故选：。 2．（2023•芦淞区模拟）如图所示，吹气球时，气球没握住飞跑了！捡起气球会发现它的嘴部温度变低了，该过 程与内燃机四冲程中相同的是（ ） ． B． ． D． 【答】 【解析】气球内的气体向外喷出，气体对外做功，气体的内能转化成球的机械能，球内气体的温度降低，汽油 机的做功冲程中也是将内能转化为机械能，二者的能量转化情况相同；中两个气门关闭、活塞上行，为压缩冲 程；B 中排气门打开，为排气冲程；中两个气门关闭、活塞下行，为做功冲程；D 中进气门打开，为吸气冲程， 故正确。 故选：。 3．（2023•海南模拟）2023 年1 月9 日，我国在文昌航天发射场使用长征七号运载火箭，成功将实践二十三号卫 星发射升空。汽油机四个冲程中有能量转化，且与火箭发射时的主要能量转化情况相同的是（ ） ．吸气冲程 B．压缩冲程 ．做功冲程 D．排气冲程 【答】 【解析】火箭发射时燃料燃烧产生的内能对外做功，是内能转化为机械能，这个过程中能量转化与四冲程汽油 机的做功冲程相同，故符合题意。 故选：。 4．（2023•宝山区二模）四冲程汽油机在工作过程中，将燃气的内能转化为机械能的冲程是（ ） ．吸气冲程 B．压缩冲程 ．做功冲程 D．排气冲程 【答】 【解析】 四冲程汽油机在做功冲程中，高温高压燃气推动活塞做功，将内能转化为机械能，故正确。故选：。 5．（2023•南关区校级四模）如图，用酒精灯加热试管中的水，水沸腾后所产生的水蒸气将软木塞冲起。水蒸气 冲起软木塞的过程相当于汽油机的（ ） ．吸气冲程 B．压缩冲程 ．做功冲程 D．排气冲程 【答】 【解析】水蒸气对软木塞做功，将内能转化为木塞的机械能，此过程与汽油机的做功冲程相同。故选：。 6．（2023•朝阳区校级二模）小明在做完“压缩点火”实验后，将桶盖拧开，用手甩一甩小桶，将桶中废气甩出， 这个过程与四冲程汽油机相似的冲程是（ ） ．吸气冲程 B．压缩冲程 ．做功冲程 D．排气冲程 【答】D 【解析】小明在做完“压缩点火”实验后，将桶盖拧开，用手甩一甩小桶，将桶中废气甩出，这相当于汽油机 的排气冲程。故选：D。 7．（2023•洪山区校级模拟）2022 年5 月20 日，我国使用长征二号丙运载火箭同时将3 颗试验卫星发射成功。火 箭从地面向上发射过程中，其外壳与大气摩擦后温度升高，这里面的能量转化过程与下面哪个冲程相同（ ） ． B． ． D． 【答】D 【解析】火箭在大气层中高速飞行时，外壳与空气剧烈摩擦，此过程克服摩擦做功，机械能转化为内能，从而 使火箭外壳温度升高，内能增大； D 汽油机中两个气门关闭，活塞上行，是压缩冲程，将机械能转化为内能，与实验过程中的能量转化是一致的。 故选：D。 9．（2023•秀屿区模拟）影片“流浪地球”开启了中国科幻元年，其中“点燃木星”将地球推开，相当于内燃机 的（ ） ．吸气冲程 B．压缩冲程 ．做功冲程 D．排气冲程 【答】 【解析】影片“流浪地球”开启了中国科幻元年，其中“点燃木星”将地球推开，内能转化为机械能，相当于 内燃机的做功冲程，故选：。 10．（2023•思明区二模）光发动机可用于卫星的能源补充，原理如图，密闭气室中24在光照下会分解，使气室气 压增大，推动活塞右移，无光条件下发生逆反应，控制光照即可实现活塞往复运动。活塞右移过程相当于汽油 机的（ ） ．吸气冲程 B．压缩冲程 ．做功冲程 D．排气冲程 【答】 【解析】当太阳光照射时，反应室内发生化学反应，导致室内气压增大，这时将化学能转化为机械能，从而推 动活塞移动，相当于汽油机的做功冲程。故选：。 11．（2023•溧阳市校级一模）景颇族的祖先曾发明一种活塞式点火器，如图所示。以牛角做套筒，木质推杆前端 粘附艾绒（一种很容易被点燃的物质）。取火时，一手握住套筒，另一手猛推推杆，艾绒即燃，随即将杆拔出， 口吹立见火苗，与手推杆入筒过程能量转化过程相同的冲程是（ ） ． B． ． D． 【答】 【解析】封闭的气体被推杆压缩过程中，活塞对气体做功，气体内能增加，是机械能转化为内能；汽油机的压 缩冲程是机械能转化为内能的冲程，与上述能量转化相同。 、两气门都关闭，活塞上行，汽缸容积变小，是压缩冲程，机械能转化为内能，故正确； B、排气门开启，活塞上行，废气被排出汽缸，是排气冲程，没有发生能量转化，故B 错误； 、两气门都关闭，活塞下行，汽缸容积变大，火花塞喷出电火花，是做功冲程，内能转化为机械能，故错误； D、进气门开启，活塞下行，燃料和空气的混合物进入汽缸，是吸气冲程，没有发生能量转化，故D 错误。 故选：。 12．（2023•范县一模）生产的发展需要更为强大的动力，17 世纪，人类发明了热机。蒸汽机是最早的热机，英国 人 在1782 年发明了往复式蒸汽机，使蒸汽机成为可以广泛使用的动力机。物理学中用他的名字命名了 这个物理量的单位。 【答】瓦特；功率 【解析】蒸汽机是最早的热机，英国人瓦特在1782 年发明了往复式蒸汽机，使蒸汽机成为可以广泛使用的动力 机。物理学中用他的名字命名了功率这个物理量的单位。故答为：瓦特；功率。 1．（2023•广东）如图是四冲程内燃机的某一冲程示意图，该冲程是（ ） ．吸气冲程 B．压缩冲程 ．做功冲程 D．排气冲程 【答】 【解析】由图可知，两气门都关闭，活塞下行，汽缸容积变大，同时火花塞发出电火花，所以是做功冲程。故 选：。 2．（2023•绥化）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（ ） ． B． ． D． 【答】 【解析】．进气门和排气门都关闭，活塞上行，所以是压缩冲程，压缩冲程是将机械能转化为内能的过程，故 符合题意； B．进气门打开，排气门关闭，活塞下行，所以是吸气冲程，此冲程没有能量转化，故B 不符合题意； ．进气门关闭，排气门打开，活塞上行，所以是排气冲程，此冲程没有能量转化，故不符合题意； D．进气门和排气门都关闭，活塞下行，所以是做功冲程，做功冲程是将内能转化为机械能的过程，故D 不符 合题意。故选：。 3．（2023•上海）四冲程汽油机中，将内能转化为机械能的是（ ） ．吸气冲程 B．做功冲程 ．压缩冲程 D．排气冲程 【答】B 【解析】 在做功冲程中，燃料燃烧的化学能转化为内能，高温高压的燃气推动活塞做功，将内能转化为机械能；而压缩 冲程中，消耗机械能，产生内能，所以是将机械能转化为内能的过程；吸气冲程和排气冲程中没有能量的转化。 故选：B。 4．（2022•怀化）如图所示，在试管内装少量水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间，塞子冲出，内燃机四 个冲程中与之原理相似的是（ ） ．吸气冲程 B．压缩冲程 ．做功冲程 D．排气冲程 【答】 【解析】水蒸气将橡胶塞喷出时，水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能会转化为塞子的机械能；汽油机的做功冲 程中，燃气的内能转化为活塞的机械能，即二者的能量转化方式相似，故符合题意。故选：。 5．（2021•宁波）在如图所示的“汽油机模型”实验中，将少量的汽油喷入筒内，用软木塞塞住筒口，摇动起电 机，观察到放电针放电，汽油燃烧，软木塞被高温高压的气体冲出。该实验可模拟四冲程汽油机工作时的（ ） ．吸气冲程 B．压缩冲程 ．做功冲程 D．排气冲程 【答】 【解析】当放电针放电时，汽油燃烧，圆筒内气体的内能增加，气体对软木塞做功，软木塞被高温高压的气体 冲出，而汽油机的做功冲程对外做功，因此该实验可模拟四冲程汽油机工作时的做功冲程。故选：。 6．（2023•日照）2023 年5 月28 日，919 大型客机进行首次商业载客飞行，飞机的发动机选用航空煤油作为燃料， 假如航空煤油的热值为46×107/kg，完全燃烧50kg 航空煤油放出的热量为 。山东五征集团生产的某型号农 用拖拉机，为提高发动机的效率需要在 冲程让燃料充分燃烧。 【答】（1）23×109；（2）做功。 【解析】（1）航空煤油完全燃烧放出的热量： Q 放＝qm＝46×107/kg×50kg＝23×109； （2）提高热机效率可以让其在做功冲程燃料充分燃烧。 7．（2023•鞍山）如图所示的汽油机处于 （选填“压缩”或“做功”）冲程，这个冲程将 能转化为 能。某单缸四冲程汽油机的飞轮转动速度是2400r/m，则此汽油机每秒对外做功 次。 【答】压缩；机械；内；20。 【解析】由图可知，内燃机两气门都关闭，活塞向上运动，故可以判断这个冲程是压缩冲程，此冲程是通过压 缩气体做功将机械能转化为内能。 汽油机的转速为2400r/m，说明1s 内汽油机曲轴的转动次数等于40r，一个工作循环中，曲轴转动两周，对外做 功一次，1s 内曲轴转动40 次，对外做功20 次。 故答为：压缩；机械；内；20。 8．（2023•枣庄）如图所示，给试管内水加热至一定程度，发现试管口木塞会被推出。给水加热是通过 的方 式使水的内能增加；四冲程内燃机的 冲程与上述实验木塞被推出过程的能量转化相同。 【答】热传递；做功 【解析】 （1）用酒精灯加热水的过程中，水从酒精灯火焰吸收热量，是通过热传递的方式使水的内能增加的；（2）试 管口木塞会被推出时，水蒸气对软木塞做功，水蒸气的内能转化为软木塞的机械能，则水蒸气内能变小；四冲 程内燃机的做功冲程，高温高压的燃气推动活塞做功，将内能转化机械能，与这个原理相同。故答为：热传递； 做功。 9．（2023•苏州）工地上太阳暴晒的钢筋热得烫手，钢筋内能是通过 热传递 的方式增加的。用切割机切割钢 筋，切割片温度急剧上升，该过程内能变化情况与热机的 压缩 冲程相同。 【答】热传递；压缩。 【解析】工地上太阳暴晒的钢筋热得烫手，钢筋内能是通过热传递的方式增加的；切割机切割钢筋时，切割片 克服摩擦做功，机械能转化为内能，使切割片的内能增加、温度升高，该过程内能变化情况与热机的压缩冲程 相同。故答为：热传递；压缩。 10．（2023•自贡）如图所示，图、B、、D 是四冲程汽油机的工作示意图，图E、F 是演示实验的示意图。B 图是 冲 程 ， 与 它 原 理 相 同 的 是 图 所 示 的 演 示 实 验 。 【答】压缩；E 【解析】（1）图中，进气门开启，活塞下行，气体流入汽缸，是吸气冲程； B 图中，两气门都关闭，活塞上行，汽缸容积变小，是压缩冲程，此冲程将机械能转化为内能； 图中，两气门都关闭，活塞下行，汽缸容积变大，是做功冲程，此冲程将内能转化为机械能； D 图中，排气门开启，活塞上行，气体流出汽缸，是排气冲程； （2）E 图是用力将活塞压下，活塞对空气做功，空气的内能增大，温度升高，达到了棉花的着火点，棉花就会 燃烧。是通过对物体做功来增大物体内能的，即是将机械能转化为内能的过程；F 图是水蒸气膨胀对外做功， 将塞子冲出，是内能转化为机械能。 综上所述，图E、F 是