50讲 热机及其效率、燃料的热值及其计算、能量及其守恒、能量的利用效率（教师版） 2023年初中物理自主招生讲义68讲

第1 页/ 共47 页 初中物理自主招生讲义50 热机及其效率、燃料的热值及其计算、能量及其守恒、能量的利用效率 一．热平衡方程的应用（共1 小题） 1．我国北方地区冬季用燃煤取暖所造成的大气污染，已越来越引起人们的关注。现在有些 家庭已经改用燃油取暖，以降低对大气的污染。小明家的住房面积约110m2，若将住房 的门窗关闭好，用燃烧柴油来取暖，并使室温升高10℃，已知柴油的热值为43×107/ kg，空气的密度约为l3kg/m3，空气的比热容为10×103/（kg•℃），所需的柴油约为（ ） ．001 kg B．01 kg ．1 kg D．10 kg 答与解析：由题知，S＝110m2，住房高度一般为3m，ρ 空气＝13kg/m3， 则住房房间里的空气质量为：m 空气＝ρ 空气S＝13kg/m3×110m2×3m＝429kg， 室温升高10℃时空气所吸收的热量： Q 吸＝空气m 空气△t＝10×103/（kg•℃）×429kg×10℃＝429×106 若将住房的门窗关闭好，不计热损失，Q 放＝Q 吸＝429×106， 由Q 放＝mq 得需要柴油的质量：m 油＝ ＝ ≈01kg。故选：B。 二．热机（共1 小题） 【知识点的认识】煤炭、汽油和柴油等燃料燃烧时，将储存的化学能转化为蒸汽或燃气的 内能，各种将蒸汽或燃气的内能转化为机械能的发动机称为热机．热机的种类分为：①蒸 汽机；②内燃机；③汽轮机；④喷气发动机． 其中内燃机是热机的一种，是燃料在汽缸内燃烧的热机．内燃机分为汽油机和柴油机． 第1 页/ 共47 页 一、汽油机： （1 ）构造：进气门、排气门、气缸、火花塞、曲轴、连杆等． （2 → ）工作原理：在气缸内燃烧汽油，生成高温高压的燃气〔化学能 内能〕，使燃气推动 → 活塞做功〔内能 机械能〕． （3）冲程：活塞在往复运动中从气缸一端运动到另一端叫做一个冲程． （4）工作过程：多数汽油机是由吸气、压缩、做功〔燃烧﹣膨胀做功〕和排气冲程的不断 循环来保证连续工作的． （5）工作过程中能量的转化：① → 压缩冲程：机械能 内能；② → 做功冲程：先是化学能 → 内能，再由内能 机械能． （6）汽油机工作的四个冲程中，只有做功冲程是燃气对活塞做功，其它三个冲程要靠飞轮 的惯性来完成．在开始运转时，要靠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，以后，汽油机才能自己工作． 二、柴油机： （1 ）构造：与汽油机相似，区别在于柴油机顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴． （2 ）工作原理：与汽油机相同． （3）工作过程：与汽油机相似． （4 ）柴油机启动时也要靠外力使飞轮和曲轴转动起来． （5）特点与应用： 特点：柴油比汽油便宜，但柴油机比较笨重． 应用：载重汽车、拖拉机、坦克、火车、轮船以及发电机． 【命题方向】 第一类常考题： 关于热机错误的说法是（ ） 第1 页/ 共47 页 ．利用内能来做功的机器叫热机 B．蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机都叫热机 ．一切热机的工作过程都包括四个冲程 D．用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率 分析：利用燃料燃烧获得的内能来工作的机器叫热机； 热机包括：蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机； 热机的效率指的是用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比． 解：、热机就是利用热来工作的机器； B、蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机都叫热机； 、热机并不都是4 冲程的，也有2 冲程的； D、用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫热机的效率．故选． 分析：此题考查的是我们对热机的了解，是一道基础题． 第二类常考题： 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 喷油嘴 ，汽油机气缸顶部 有 火花塞 ，在吸气冲程中的不同是：汽油机吸入气缸里的是 空气与汽油的混合物 ，柴油机吸入气缸里的是 空气 ． 分析：柴油机和汽油机的主要区别： （1）汽油机在吸气冲程中吸入了汽油和空气的混合气体，在压缩冲程中，机械能转化为内 能，内能增大，温度升高，汽油机气缸顶端有个火花塞，此时火花塞喷出电火花，点燃汽 油，产生高温高压的燃气推动活塞做功． （2）柴油机在吸气冲程中吸入空气，在压缩冲程中，机械能转化为内能，空气的内能增 大；柴油机气缸顶端有个喷油嘴，此时喷油嘴喷出雾状的柴油，柴油遇到高温的空气，达 到着火点而燃烧，点燃方式是压燃式．燃烧产生高温高压的燃气推动活塞做功．柴油机的 压缩比例更大、温度更高、做功更多，效率更高． 解：（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． 故答为：喷油嘴；火花塞；空气与汽油的混合物；空气． 点评：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． 【解题方法点拨】 第1 页/ 共47 页 （1）汽油机的柴油机的区别在于： 构造不同，汽油机为火花塞，柴油机为喷油嘴； 吸入物质不同，汽油机吸入汽油和空气的混合物，柴油机吸入的是空气； 汽油机为点燃式，柴油机为压燃式； 效率高低不同，汽油机效率低，比较轻巧，柴油机效率高，比较笨重． （2）内燃机各冲程之间的联系：内燃机的吸气、压缩、做功、排气四个冲程合在一起叫内 燃机的一个工作循环，从以上可以看出，内燃机的四个冲程中只有做功冲程燃气对外做 功，其它三个冲程不做功，靠飞轮的惯性来完成，而且还要消耗做功冲程提供的机械能， 但这三个冲程也必不可少，它们辅助做功冲程完成做功，即内燃机的一个工作循环，活塞 往复两次，曲轴转动2 周，在各冲程的相互协助下，对外做功一次． 【知识点的认识】 1 “ ” 、蒸汽机：相对内燃机讲属于外燃机．由锅炉与汽缸、活塞+连杆机构、配汽机构等构 “ ” 成，燃料加热锅炉（燃料在汽缸外燃烧，叫外燃机），将水烧开，产生蒸汽，蒸汽通过 配汽机构进入汽缸，推动活塞做往复运动，活塞再通过连杆机构把往复运动转换为圆周运 动输出做功．老式的机车冒着黑烟、喷着蒸汽，电影里经常看到． 2、内燃机：燃料在气缸内燃烧．主要由气缸、活塞、连杆机构、配气机构构成．燃料在气 缸内燃烧，体积膨胀，推动活塞做往复运动，活塞再通过连杆机构把往复运动转换为圆周 运动输出做功．配气机构主要是吸进空气、排出废气．现在用的最多的柴油机、汽油机等 都是内燃机． 3 “ ” “ ” 、气轮机：严格上分为气轮机和汽轮机．主要由燃烧室（或锅炉）、喷嘴、气轮 （或汽轮）组成．高温高压的燃气或蒸汽通过喷嘴作用在气轮（或汽轮）的叶片上，使叶 片旋转输出能量做功．现在火力发电厂大都是汽轮机，一些大型油轮上也用汽轮机做主推 进装置．一般以天然气为燃料的发电厂使用的是燃气轮机． 4、喷气式发动机：利用发动机本身高速喷射的燃气流所产生的反作用力做功的，燃料燃烧 产生的高温燃气通过喷管时，在其中绝热膨胀而高速喷出，常见的超音速飞机和火箭发动 机都是喷气式发动机． 【命题方向】 例：如图所示，人类登上月球已经成为现实，这是宇航员操纵着用蓄电池的电力驱动的车 在月球上行走．为什么第一个登上月球的车是用电来驱动的，而不是用内燃机来驱动的． 第1 页/ 共47 页 分析：要解答本题需掌握：热机的原理是燃料燃烧产生的内能转化为机械能，以及月球上 没空气． 解：热机的原理是内能转化为机械能，内能是燃料燃烧产生的，燃料燃烧需要氧气，而月 球上没氧气． 故答：因为月球上没有空气、燃料不能在内燃机气缸内燃烧因而内燃机不能工作． 点评：本题主要考查学生对：热机原理以及月球是真空的了解和掌握． 【解题方法点拨】 多了解蒸气机，内燃机，汽轮机，喷气发动机的相关知识，知道其工作原理． 2．如图所示，弹簧一端固定于水平面上，另一端与质量为m 的活塞拴接在一起，一开口 向下、质量为M 的气缸与活塞一起封闭了一定质量的气体，气缸和活塞均是热的良导 体。若外界环境的温度缓慢降低，则活塞将 静止不动 ；气缸将 向下移动 （两空 “ ” “ ” “ ” 均选填向上移动、静止不动或向下移动）。 答与解析：以活塞和气缸的整体为研究对象，弹簧受到的压力等于气缸和活塞的总重 力，而气缸和活塞的总重力不变，故弹簧所受的压力不变，则弹簧的压缩量不变，所以 活塞将静止不动；由力学知识分析得到，封闭气体的压强不变，外界环境的温度缓慢降 • 低，封闭气体的温度也缓慢降低，根据盖吕萨克定律分析得知，封闭气体体积减小。 此过程，外界对气体做功，由此可知气缸将向下移动。故答为：静止不动；向下移动。 三．四冲程内燃机的工作过程（共7 小题） 【知识点的认识】 内燃机是热机的一种，是燃料在汽缸内燃烧的热机．内燃机分为汽油机和柴油机． （1）汽油机的工作原理：燃料在汽缸中燃烧时，将存储的化学能转变为高温高压的燃气 （蒸汽）的内能，又通过燃气（蒸汽）推动活塞做功，由内能转变为机械能． 第1 页/ 共47 页 （2）汽油机的工作流程：内燃机通过吸气、压缩、做功、排气四个冲程不断循环来保证连 续工作的，如图． ①吸气冲程：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． ②压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，压缩汽缸内燃料混合物，温度升 高． ③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，高温高压气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功． ④排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸． （3）工作过程中能量的转化：① → 压缩冲程：机械能 内能；② → 做功冲程：先是化学能 → 内能，再由内能 机械能． （4）柴油机是以柴油为燃料的内燃机，在工作时与汽油机工作原理相同． 区别：①在吸气冲程里吸进气缸的只有空气，而汽油机吸进的是汽油和空气的混合物； ② 在压缩冲程里，活塞把空气的体积压缩得很小，空气的压强更大，温度更高；③点火 方式：柴油机﹣压燃式；汽油机﹣点燃式． 【命题方向】 第一类常考题： 下列流程图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及到的主要能量转化情况． 关于对图中①②③④ 的补充正确的是（ ） ．① 做功冲程② 内能转化为机械能③ 压缩冲程④机械能转化为内能 B．① 压缩冲程② 内能转化为机械能③ 做功冲程④机械能转化为内能 ．① 压缩冲程② 机械能转化为内能③ 做功冲程④内能转化为机械能 D．① 做功冲程② 机械能转化为内能③ 压缩冲程④内能转化为机械能 第1 页/ 共47 页 分析：热机的四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程．压缩冲程中机械能 转化为内能；做功冲程中内能转化为机械能． 解：热机的四个冲程，吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程．压缩冲程中，活塞上 升压缩气缸内的气体，使气体内能增大，即机械能转化为内能；做功冲程中，高温高压的 燃气推动活塞向下运动，内能转化为机械能．故选：． 点评：此题要结合内燃机的四个冲程特点和冲程中的能量转化关系进行解答． 第二类常考题： 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（ ） ． B． ． D． 分析：汽油机的四个冲程是吸气、压缩、做功和排气冲程．吸气冲程进气阀打开，排气阀 关闭，活塞向下运动；压缩冲程两个气阀都关闭，活塞向上运动；做功冲程两个气阀都关 闭，活塞向下运动；排气冲程排气阀打开，进气阀关闭，活塞向上运动． 解：、两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以是压缩冲程； B、一个气阀打开，活塞向上运动，所以是排气冲程； 、两个气阀都关闭，活塞向下运动，所以是做功冲程； D、一个气阀打开，活塞向下运动，所以是吸气冲程．故选． 点评：考查了内燃机的四个冲程的判断，解决此题需要结合内燃机的四个冲程工作特点进 行分析解答． 【解题方法点拨】根据各冲程的特点确定是哪一个冲程，一般从2 个方面突破：①看进气 门和排气门的开、闭．进气门开的为吸气冲程，排气门开的为排气冲程，进气门和排气门 都闭合为压缩或做功冲程②看活塞的运动方向．活塞向下运动为吸气或做功冲程，活塞向 上运动为压缩或排气冲程． 3 ．下列有关热和能的说法中，正确的是（ ） ．一块0℃的冰熔化成0℃的水后，温度不变，内能变大 B．发生热传递时，热量总是从内能大的物体传递给内能小的物体 ．内燃机的压缩冲程，主要通过热传递增加了汽缸内物质的内能 D．夏天在室内洒水降温，利用了水的比热容较大的性质 第1 页/ 共47 页 答与解析：．温度表示物体冷热程度，都是0℃，温度不变，熔化需要吸热，内能变 大，故正确； B．热传递的前提是有温度差，热量从温度高的物体传递给温度低的物体，或者从物体 的高温部分传递给低温部分，故B 错误； ．压缩过程中，活塞由下向上运动，机械能转化为内能，是通过做功的方法改变物体内 能的，故错误； D．洒水降温时利用水的蒸发吸热，用水做冷却剂才是利用水的比热容大，故D 错误。 故选：。 4．上世纪人类制成了世界上第一盏用海浪发电的航标灯。它的气室示意图如图所示，其工 作原理是利用海浪上下起伏的力量将空气吸入气室，压缩后再推入工作室，然后推动涡 轮机带动发电机发电。那么（ ） ．当海水下降时，阀门K1开启，阀门K2关闭 B．当海水上升时，阀门K1关闭，阀门K2开启 ．当海水下降时，类似于汽油机的做功冲程 D．当海水上升时，类似于汽油机的压缩冲程 答与解析：由题知，海浪发电的工作原理是利用海浪上下起伏的力量将空气吸入气室， 压缩后再推入工作室，然后推动涡轮机带动发电机发电；由图分析可知： 海水下降时，气室的容积增大，其内部气体压强减小，阀门K1关闭，阀门K2开启，将 空气吸入气室，类似于汽油机的吸气冲程，故错误； 海水上升时，气室的容积减小，其内部气体压强增大，阀门K1开启，阀门K2关闭，压 缩后将空气推入工作室，类似于汽油机的压缩冲程，故B 错误，D 正确。故选：D。 5．如图是四冲程内燃机的示意图，其中，B 是 排气 冲程；把内能转化成机械能的冲程 是 （选填字母代号）。 第1 页/ 共47 页 答与解析：、气门都关闭，活塞向下运行，气缸容积增大，是做功冲程，内能转化成机 械能； B、排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程； 、进气门打开，活塞向下运行，气缸容积增大，是吸气冲程； D、气门都关闭，活塞向上运行，气缸容积减小，是压缩冲程，机械能转化成内能。 故答为：排气；。 6．一台单缸四冲程汽油机，如图甲是 做功 冲程，其能量转化情况与 乙 （选 “ ” “ ” 填乙或丙）图相同，是通过 做功 方式飞轮改变了内能，转速是3600r/m，该汽 油机每秒钟完成 30 个工作循环。该汽油机的能量流向如图丁所示，则该汽油机的热 机效率为 30% 。 答与解析：（1）两个气门都关闭，活塞向下运动，因此是做功冲程，此冲程内能转化 为的机械能； （2）丙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。 乙图对试管中的水加热，加快水的蒸发，使试管中水的内能增大，体积膨胀，对外做 功，使塞子飞出去，内能转化为塞子的机械能，因此与做功冲程原理相同的是乙实验。 （3）汽油机转速是3600r/m，每秒转60 转，完成30 个工作循环，做功30 次； 第1 页/ 共47 页 （4）从内燃机的能流图可知，热量损失主要有燃料没有完全燃烧、废气带走的热量、 克服摩擦损耗的能量、散失的热量， 所以汽油机的热机效率：100% 33% 30% 7% ﹣ ﹣ ﹣ ＝30%。 故答为：做功；乙；做功；30；30%。 7．科学家发明了一款单缸六冲程内燃机，它每一个工作循环的前四个冲程与单缸四冲程内 燃机相同，在第四冲程结束后，立即向汽缸内喷水，水在高温汽缸内迅速汽化成高温、 高压水蒸气，推动活塞再次做功，水蒸气温度 降低 “ ”“ ” “ ” （填升高 降低或不变）， 这样燃烧同样多的燃料获得了更多的机械能，提高了热机的 效率 。为进入下一个工作 循环，这款内燃机的第六冲程是 排气 冲程。 答与解析：（1）在第四冲程结束后，立即向汽缸内喷水，水在高温汽缸内迅速汽化成 高温、高压水蒸气，推动活塞再次做功，水蒸气温度降低；这样燃烧同样多的燃料获得 了更多的机械能，提高了热机的效率； （2）为进入下一个工作循环，这款内燃机的第六冲程是排气冲程。 故答为：降低；效率；排气。 8．在四冲程汽油机中，将机械能转化为内能的冲程是 压缩 冲程，如图所示的是汽油机 的 做功 冲程。 答与解析：在四冲程汽油机中，将机械能转化为内能的冲程是压缩冲程； 根据图示可知，进气门和排气门关闭，火花塞点火，活塞向下运动，气缸容积增大，因 此是做功冲程。故答为：压缩；做功。 9．如图所示，是单气缸四冲程内燃机的 做功 冲程。假设在活塞的运动过程中，气缸内 的气压始终为P，气缸的容积为V，则活塞从上端运动到下端的过程中，气体对活塞所 做的功是 PV 。 第1 页/ 共47 页 答与解析：分析该图不难看出，进气门和排气门都关闭，此时火花塞打出电火花，即引 燃气缸内的混合物，产生高温高压的燃气推动活塞由上向下运动，故该过程是做功冲 程，即高温高压的燃气对活塞做功，故是将内能转化为机械能的过程。 假设活塞的面积是S，则活塞运动的距离是L＝ ，活塞受到的压力是：F＝PS，故此时 燃气对活塞做的功是：＝FS＝FL＝PS× ＝PV；故答为：做功；PV。 四．有关热机的计算（共7 小题） 【知识点的认识】题型1 “ ：莲莲家的汽车尾部上标有20T” “ 的字样，其中T” “ 就是涡轮增 ” “ ” “ ” 压，是利用高温、高压的废气去冲击废气涡轮高速旋转，来带动同轴的进气涡轮也 高速旋转，从而增加吸气冲程的进气量并增大进气气压，使汽油燃烧更充分，燃气压强更 大，同时也减少了废气中的有害物质，达到提高发动机效率和减少废气污染的目的．这辆 汽车的最低油耗可达02kg/（k•），已知汽油的热值为46×107/kg．（温馨提示：最低油耗 是指燃烧最少的汽油获得最大有用功的能量；02kg/（k•）表示获得1k•能量消耗02kg 汽 油）． 求：（1）02kg 的汽油完全燃烧时放出的热量为多少？ （2）该汽车