版块14 内能的利用 专题14-2 热机及其效率 （教师版） 初中物理尖子生自主招生培优讲义83讲

专题14-2 热机及其效率 知识·解读 一、热机 1、定义：利用燃料燃烧释放出的能量做功的机械叫做热机． 2、工作原理：燃料的化学能→内能→机械能． 3、分类：蒸汽机、内燃机(汽油机、柴油机)、汽轮机、喷气发动机等． 4、汽油机：工汽油机的一个工作循环要经历吸气、压缩、做功和排气四个冲程，属于四 冲程内燃机．它的一个工作循环中，活塞往复运动2 次，压缩冲程把机械能转化为内能． 只有做功冲程中燃气推动活塞做功，把内能转化为机械能．其他三个冲程是靠飞轮转动 的惯性来完成的 二、汽油机和柴油机的区别 汽油机 柴油机 原理图 结构 气缸顶部有火花塞、无喷油嘴 气缸顶部有喷油嘴、无火花塞 燃料 汽油 柴油 工 作 过 程 吸气冲程 吸进汽油和空气燃料混合物 吸进空气 压缩冲程 混合燃料被压缩、压强增大，温度升 高 空气被压缩，压强增大，温度升 高 做功冲程 压缩末，火花塞点火，燃料燃烧， 产生高温高压燃气对外做功 压缩末，喷油嘴喷出雾状柴油， 自燃产生高温高压燃气对外做 第 1 页 / 共 19 页 功 效率 不高：20%～30% 稍高：30%～45% 用途 质量较小、体积小，常用于汽车、飞 机和小型农业机械 笨重、经济、功率大，主要用于载 重汽车、轮船、坦克等 三、热机功率和热机效率的辨析 热机效率 热机功率 定义 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，叫做热机效率 单位时间内所做的功 物理意义 反映热机对能量利用率的高低 反映热机做功的快慢 定义式 η＝×100% P＝ 单位 无单位 瓦特() 注意 热机效率的高低与热机做功的多少、做功的快慢无关；提高效率的途径是 减少热机中的各种能量损失，即减少燃烧过程中的热量的损失和减少机 械能的损失 典例·解读 类型一、内燃机冲程判断 例1、汽车已经成为现代生活不可缺少的一部分，汽车多数采用汽油机作为发动机，如图 是四冲程汽油机的工作循环示意图，下列说法中不正确的是( ) 、甲冲程是把机械能转化为内能 B、乙冲程是排气冲程 、丙冲程是把机械能转化为内能 D、丁冲程是吸气冲程 第 2 页 / 共 19 页 【答】 【解析】题考查汽油机四个冲程的识别。甲图中进气门和排气门都关闭，活塞向上运行，是压缩冲程， 将机械能转化为内能，故正确；乙图中进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，是排气冲 程，故B 正确；丙图中进气门和排气门都关闭，活塞向下运行，是做功冲程，将内能转化为 机械能，故错误；丁图中进气门打开，活塞向下运行，是吸气冲程，没有能量转化的过程， 故D 正确。 【方法技巧】根据剖面图识别汽油机的工作冲程，主要有三个关键点： (1)活塞的运动方向。(2)气门的开闭情况。(3)火花塞是否产生电火花。 类型二、四冲程比例计算问题 例2、一台单缸四冲程柴油机的飞轮转速是2400r/m，柴油机每秒内完成_________个工 作循环，做功_______次，活塞往复运动______次． 【答】 20；20；40 【解析】根据飞轮转速求出每秒内飞轮转动圈数，内燃机一个工作循环活塞往复2 次，曲轴转动2 周， 做功1 次．已知飞轮转速为2400r/m=40r/s，因为一个工作循环活塞往复2 次，曲轴转动 2 周，做功1 次，所以该柴油机1s 内完成20 个工作循环，对外做功20 次，活塞往复运动 40 次． 【方法技巧】工作循环次数：做功次数：往复运动次数：冲程数=1：1：2：4 类型三、热机效率的综合计算 例3、如图为四缸发动机的工作原理图：内燃机通过连杆把四个汽缸的活塞连在一根曲轴 上，并使各汽缸的做功冲程错开，在飞轮转动的每半周里，都有一个汽缸在做功，其他 三个汽缸分别在做吸气、压缩和排气冲程． (1)发动机在做功冲程里，高温、高压的燃气推动活塞向下运动，对外做功，同时将_____ 能转化为_____能． (2)有一台四缸发动机，其主要技术指标如表所示．其中排量等于四个汽缸工作容积的总和， 汽缸工作容积指活塞从上止点到下止点所扫过的容积，又称单缸排量，它取决于活塞的 面积和活塞上下运动的距离(即冲程长)．转速表示每分钟曲轴或飞轮所转的周数． 第 3 页 / 共 19 页 排量 20 L 输出功率 120 k 转速 6 000 r/m ①该发动机在1 s 内做功________，单缸排量V＝________L ②在每个做功冲程里，发动机做功＝____ (3)在做功冲程里，燃气对活塞所做的功可表示为＝pV，式中p 表示燃气对活塞的压强， 则p＝________P(1 L＝10－3 m3) 【答】(1)内 机械;(2)12×105;05;600;(3)12×106 【解析】（1）在做功冲程里，高温、高压的燃气膨胀做功，将内能转化为机械能； （2）①∵P= ，∴发动机在1s 内做功： =Pt=120×103×1s=12×105， ∵四缸总排量为20L，单缸排量：V= ×20L=05L， ②∵发动机在1s 内做功12×105，发动机有四个缸同时工作， ∴每个缸1s 内做功：= ×12×105=3×104， 又∵转速为6000r/m，四冲程内燃机每个工作循环曲轴转两周、做功一次， ∴1s 内做功50 次，每个做功冲程做功：′= ×3×104=600． （3）∵′=pV，V=05L=05×10-3m3，∴燃气对活塞的压强： p= = =12×106P 例4、莲莲家的汽车尾部标有“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)该汽车发动机的效率最高可达多少？(结果保留整数) 第 4 页 / 共 19 页 【答】(1)92×106；(2)39% 【解析】(1)02kg 的汽油完全燃烧时放出的热量： Q 放=mq=02kg×46×107/k g=92×106 (2)根据题意可知，完全燃烧02kg 汽油获得的能量为=1k·=36×106， 汽车发动机的效率： η= ×100%= ×100%≈39%。 例5、一台单缸四冲程柴油机，每分钟转1800r，每一个工作循环燃气做的功为500，柴 油的热值为43×107/kg．问： （1）此柴油机在1 内做了多少功？ （2）如果此柴油机的效率为30%，做这些功需要完全燃烧多少柴油？ 【答】(1) 27×107；(2)21kg 【解析】（1）由于每四冲程为一个工作循环，每一个工作循环为两转， 所以，该柴油机每分钟有1800/2=900 个工作循环， 此柴油机在1 内做功：=500×900×60×60s=27×107， （2）由η=有 /总 可得， 总=有 /30% =27×107 /30% =9×107， 此时总=Q，由Q=mq 可得，m=总 /q =9×107/ 43×107/kg ≈21kg． 培优·训练 一、选择题 1、现代汽车的发动机一般都是四冲程内燃机，其四个冲程如图所示，其中做功冲程是( ) 第 5 页 / 共 19 页 2、如图是汽车四冲程发动机的一个冲程示意图，下列说法正确的是( ) 该冲程是做功冲程 B 该冲程机械能转化为内能 这种汽车对环境没有污染 D 此发动机的效率可达90% 3、如图所示，是小普同学跟爷爷学习气功的四个基本动作．由此他联想到热机的四个冲 程，以下与做功冲程最相似的是( ) 4、如图所示是演示点火爆炸的实验装置，按动电火花发生器的按钮，点燃盒内酒精，盒 盖迅速飞出．这个过程与四冲程汽油机中的哪一个冲程的能量转化 相同( ) 吸气冲程 B 压缩冲程 做功冲程 D 排气冲程 5、关于内燃机，下列说法正确的是( ) 四个冲程中只有一个冲程发生内能与机械能相互转化 B 压缩冲程主要是通过做功的方式增大缸内气体的内能 汽油机和柴油机都是通过火花塞点火的 D 只要技术进步，内燃机的效率可以达到100% 6、有一辆汽车在水平路面上用05 匀速行驶了36km，消耗汽油3 kg。若已知该汽车发 动机的功率(即牵引力的功率)为23 k，汽车(包括车上的人和物品)质量为15 t，车轮 与地的接触总面积是05m2,汽油的热值为46×107／kg，g=10 ／kg。下列分析正确 的是（ ） 、该汽车对路面的压力等于l5×104,该汽车克服阻力做的功是23×104 B、该汽车通过这段路程的平均速度是200m／s，车对地的压强是30 P 第 6 页 / 共 19 页 、该汽车的牵引力是15×104 ，汽油燃烧放出的热量是138×108 D、该汽车发动机的效率是30％，该汽车的牵引力是115×103 7、现有两个使用同一种燃料的加热器，用它们分别对甲、乙两种不同的物质加热．已知 甲物质的比热是乙物质的2 倍，甲物质的质量是乙物质的， 当甲物质升高的温度是乙 物质的时（甲、乙物质的物态都不发生改变），加热甲物质所用燃料是加热乙物质的 ， 则两加热器利用热能的效率之比是（ ） 、3：4 B、1：1 、3：2 D、2：1 8、关于汽油机和柴油机的区别，下列说法中你认为不妥的是（ ） 、柴油机比汽油机费用低廉，但比较笨重 B、柴油机的效率一般比汽油机的效率高 、一个工作循环中柴油机做功两次，比汽油机多一次做功冲程 D、在构造上，柴油机汽缸顶部有喷油嘴而没有火花塞 9、甲、乙两台汽油机，甲的功率是乙的2 倍，甲的效率是30%，乙的效率是20%，那么 甲、乙在相同时间内所消耗汽油质量之比为（ ） 、3：4 B、2：3 、3：2 D、4：3 10、下列关于热机的是说法中，错误的是（ ） 、热机工作的过程是将燃料燃烧获得的内能转化成机械能的过程 B、为了防止热机过热，通常用水来降温，是利用水的比热容大的特性 、可以采用增大热机功率的方法来增大热机的效率 D、热机的大量使用会造成环境污染 11、有甲、乙两台汽油机，若在同一时间内甲做的有用功是乙做的有用功的2 倍，甲的效 率是25％，乙的效率是20％。则在同样时间内，甲、乙两汽油机消耗汽油的质量之比 为（ ） 、2：5 B、8：5 、5：8 D、5：2 12、阅读下列材料：①扩散现象实质是一切物质分子都在不停地作无规则运动；②内燃机 压缩冲程是将内能转化为机械能；③压缩气体使气体温度升高是通过做功改变物体内能； ④热机效率是热机性能的重要指标之一。以下答正确的是（ ） 、①③④正确 B、只有①③正确 、①②正确 D、①②③④正确 第 7 页 / 共 19 页 13、我国计划在2025 年实现首次载人登月。已知月球上无大气、无磁场，物体在月球上 所受重力只相当于地球上的，假设月球表面粗糙程度与地面相同。在月球上，你认为 下列情况可能的是（ ） 、月球车行驶时所受摩擦力变小 B、用指南针确定方向 、利用降落伞降落，以确保安全落月 D、月球车可以用汽油机驱动 14、北京国际汽车展览会于4 月21-25 日在北京中国国际展览中心新、老展馆同时拉开 大幕．某人为了测试汽车发动机的效率，开车以60Km/的平均速度行驶了120Km， 用去汽油25L，已知汽油的密度为07×103kg/m3，热值为46×107/kg，发动机的功 率为32K，则该汽车发动机的效率为（ ） 、288% B、365% 、236% D、38% 15、下图是汽油机一个工作循环的四个冲程，顺序排列正确的是（ ） 、甲乙丙丁 B、乙丙甲丁 、丁丙乙甲 D、丁甲丙乙 16、汽油机工作时，汽缸内燃气温度最高、压强最大的时刻是( ) 、吸气冲程结束 B、做功冲程结束 、压缩冲程结束，火花塞点火前的瞬间 D、压缩冲程结束，火花塞点火后的瞬间 17、一台汽油机，活塞面积是50m2，活塞行程为25m，做功冲程中燃气产生的平均压 强为 8×105P，那么该汽油机在一个工作循环中对外做的功是（ ） 、20 B、1000 、80 D、8000 18、（多选）2017 年2 月28 日上午，韩军方非公开地和乐天集团签署萨德（TD 萨德反 导系统）用地交换合约，萨德在韩国部署，这令国人极为愤慨．“萨德”既可在大气层 内40 千米以上的高空，又可在大气层外180 千米以下的高度拦截来袭的弹道导弹，号 称“全球唯一能在大气层内外拦截弹道导弹的陆基系统”，“萨德”的破坏机理是“碰 撞﹣杀伤”，该系统的拦截弹由一级固体助推火箭和作为弹头的KKV（动能杀伤飞行 器）组成．整个KKV（包括保护罩）长2325 米，底部直径370 毫米，重量约60 公 斤，飞行速度为2000 米/秒．下列有关萨德说法正确的是（ ） 、萨德拦截弹在高空飞行穿越大气层时，要克服摩擦做功，机械能转化为内能 第 8 页 / 共 19 页 B、“萨德”的破坏机理是“碰撞﹣杀伤”，即KKV 在高空飞行时具有的能量很大，能 够做的功很多 、一级固体助推火箭属于热机工作时将内能转化为机械能 D、一级固体助推火箭自带燃料和氧化剂，可以在大气层外工作 二、填空题 1、一台单缸四冲程柴油机，它的转速为800 转/分，做功冲程时推动活塞一次做功 1500，那么，每分钟完成_____次工作循环，功率为______k． 2、一台柴油机飞轮的转速为2400r/m,则在1s 内,柴油机完成________个冲程; 对外做功的次数是________ 3、如图所示，工作中的四冲程汽油机正处于________冲程，该冲程将________ 转化为机械能，若该汽油机每秒完成40 个冲程，则每秒它对外做功_______ _次、飞轮转过________圈． 4、某四冲程内燃机，飞轮转速为300 r/m，活塞面积为120 m2，活塞行程L 是03 m， 假设做功冲程中燃气的平均压强是5×105 P，则这台内燃机的功率是______ 5、家用轿车常用汽油机驱动．汽油机在________冲程将________能转化为机械能．汽车 行驶过程中，油箱内汽油越来越少，汽油的热值________(选填“变小”“不变”或 “变大”)． 6、图甲是某便携式丁烷燃气炉，用该燃气炉烧水时，每2 分钟完全燃烧0014kg 的丁烷 放出的热量为________；由图乙可以判断出在烧水过程中，________(选填“0～2 m”“2～4 m”或“4～6 m”)时的热效率高，若水的质量为3 kg，该时间段的热效率为 ________．[水的比热容为42×103 /(kg·℃)，丁烷的热值为9×107 /kg] 7、汽车四冲程内燃机的一个工作循环一般分为:吸气、压缩、做功、排气四个冲程,在这四 个冲程中,把机械能转化为内能的是________冲程某单缸四冲程内燃机飞轮的转速为 1200r/m,该内燃机每秒钟对外做功的次数为________次 8、目前我国研发一款以压缩空气为动力的环保车．汽车使用前需要压缩存储气体，这一 过程通过_______的方式使气体内能增加，开动时，释放的气体推动发动机，将气体的 内能转化为___能，此车紧急刹车时，刹车片和轮胎都变热，汽车的机械能转化为_____ _能．四冲程内燃机的一个工作循环一般分为：吸气、压缩、做功、排气四个冲程，在 第 9 页 / 共 19 页 这四个冲程中，把机械能转化为内能的是______冲程．某单缸四冲程内燃机飞轮的转速 为1200r/m，该内燃机每秒钟对外做功的次数为_____次． 9、某4 缸4 冲程汽油机的每一个汽缸的横截面积均为5×10-3m2，活塞冲程长006m， 满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为90×105P，飞轮的转速是2400r/m。则这种 汽油机燃气对活塞的平均压力为_________；这台汽油机满负荷工作时做功的功率为___ ______。 三、计算题 1、单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为30m2， 一个冲程活塞在气缸中移动的距离是 50mm，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为90×105P，飞轮1m 转动1800 圈． 当汽油机满负荷工作时（不计摩擦），求该汽油机的功率． 2、图为四缸发动机工作原理：内燃机通过连杆把四个汽缸的活塞连在一根曲 轴上，并使 各汽缸的做功过程错开。曲轴与飞轮相连，飞轮每转动半周，有一个汽缸在做功，其他 三个汽缸分别在做吸气、压缩和排气工作。现有一台四缸发动机，其主要技术指标如下 表所示，其中排量等于四个汽缸工作容积的总和，汽缸工作容积等于活塞的面积与活塞 上下运动的距离（即冲程长）的乘积，转速表示 每分钟飞轮所转的周数。求： (1)飞轮每转动半周，发动机做功多少？ (2)若在做功冲程里，燃气对活塞压强可以看作恒压， 则压强多大？ 第 10 页 / 共 19 页 排量 20 L 输出功率 120 k 转速 6 000 r/m 3、一台单缸四冲程柴油机活塞的横截面积为600m2，活塞的行程是10m，做功冲程的平 均压强是35×105P．求： （1）做功冲程中气体做的功． （2）若柴油机飞轮的转速是 1200r/m，则柴油机满负荷工作时的功率多大？（不计摩 擦损失） （3）如果汽油机满负荷工作时每分钟消耗100g 汽油，这种汽油机把内能转化为机械能 的效率是多少？（柴油热值为 33×107/kg） 4、我国南海海底存储着丰富的"可燃冰"资源可燃冰被视为21 世纪新型绿色能源，可燃冰 的主要成分是甲烷，1m3的可燃冰可转化生成164m3 的甲烷气体和08m3的水已知甲 烷气体的热值是36×107/m3我市公交车以天然液化气为燃料，其主要成分就是甲烷如 果一辆公交车满载乘客时总质量是6000kg，那么1m3可燃冰转化生成的甲烷气体完 全燃烧产生的能量可供公交车满载时以36km/的速度匀速行驶1640m 匀速行驶中公 交车受到的平均阻力为车重的005 倍求： （1）公交车满载乘客时的重力；（g=10/kg） （2）这段时间内公交车牵引力所做功的功率； （3）1m3的可燃冰转化生成的甲烷气体完全燃烧所产生的能量能将 多少千克的水从20°加热到沸腾（标准大气压，水 =42×103