5.5 热机—沪教(上海)版八年级物理下册学案

第五章热与能
5.5 热机
[学习目标]
1. 知道热机的概念。

2. 知道四冲程内燃机的工作过程及能量转化的情况。

3.了解热机的发展历史和对人类文明进步的重要意义
[知识解读]
1、热机
热机是指各种利用内能做功的机械。

是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能的机器动力机械的一类，如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机。

热机的工作原理：由内能通过做功转化为机械能（例：酒精燃烧，化学能转化为内能，热量传给水，水沸腾后将瓶塞顶出去，水蒸气的一部分内能转化为瓶塞的机械能。

）
2、热机发展的历史
在人类近400年的快速发展中，热机发挥了非常重要的作用——被称为第一次工业革命动力源的蒸汽机属于热机的外燃发动机，而汽车中广泛使用的汽油机和柴油机属于热机的内燃发动机。

你一定听过“瓦特和水壶”的故事:瓦特年轻的时候，他看到炉子上水壶里的水在沸腾。

蒸汽掀开了水壶的盖子，瓦特受到了启发。

当他长大后，他发明了蒸汽机，并成为一名著名的发明家。

事实上，这只是一个传说。

瓦特发明蒸汽机并不是他年轻时的灵感，而是他吸收了前任的成就和个人努力工作的结果。

为了纪念这位伟大的发明家，国际单位制中的功率单位“瓦特”是以瓦特命名的。

1862年，法国工程师德·罗查在国家科学家卡诺对热力学研究的基础上，提出了四冲程内燃机的工作原理，1876年，德国发明家奥托设计并制造了第一台四冲程内燃机(以气体为燃料)。

它具有体积小、转速快的优点。

后来这种机器经常使用汽油作为燃料，所以也被称为汽油发动机。

它常用于汽车、飞机、摩托车和小型农业机械。

后来德国柴油机提出了压燃式内燃机的原理，并于1897年成功地制造了一种以柴油为燃料的柴油机。

19世纪末，随着电力工业的发展，中央电站迅速崛起。

蒸汽轮机因此诞生并发展起来。

20世纪初，美国人柯蒂斯(Curtis)制造了具有多级速度的蒸汽涡轮机，这提高了它们的性能，并且一直使用到现在。

燃气轮机是后来发展起来的热力发动机。

目前，燃气轮机广泛应用于航空领域，包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机等。

3、内燃机的工作过程
内燃机的四个冲程包含：
①四冲程内燃机：吸气冲程
进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气混合物进入气缸
②四冲程内燃机：压缩冲程
进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，汽油与空气混合物被压缩。

把机械能转化成内能。

③四冲程内燃机：做功冲程
压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体。

高温高压气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。

四个冲程中只有做功冲程对外做功，其他三个冲程都是靠做功冲程的惯性完成的。

把内能转化成机械能。

④四冲程内燃机：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
【经典例说】
【例1】如图所示的四种交通工具，不用热机作为动力机械的是（）
A．自行车B．轮船C．卡车D．飞机
【思路点拨】热机是利用了燃料燃烧时化学能转化为内能，产生高温高压的燃气，推动活塞做功，将内能转化为机械能。

【解答】解：自行车是消耗人的生物质能，转化为自行车的机械能；轮船、卡车、飞机工作时都要使用化石能源作燃料，燃料燃烧时将内能转化为机械能驱使它们运动，所以它们都是使用热机工作的。

故选：A。

【例2】如图所示为内燃机工作时的某冲程示意图，关于该冲程，下列说法正确的是（）
A．该冲程燃气对外做功内能减少
B．气缸内燃气分子热运动加剧
C．该冲程内能转化为机械能
D．气缸内燃气从外界吸收热量
【思路点拨】（1）汽油机的四个冲程，可根据气阀和活塞的状态判断是哪个冲程；
（2）汽油机的四个冲程中只有做功冲程对外做功，将内能转化为机械能；
（3）一切物质的分子都在不停地做无规则运动，且温度越高，分子运动越剧烈。

【解答】解：由图可知，此时内燃机的工作特点是进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，所以是压缩冲程；活塞对空气和汽油的燃料混合物做功，将机械能转化为混合物的内能，故AC错误；
B、在压缩冲程中，气缸内空气的温度升高，空气分子热运动加剧，故B正确；
D、压缩冲程中气缸内燃气温度升高，燃气通过气缸向外界放出热量，故D错误。

故选：B。

【例3】关于汽油机和柴油机，下列说法正确的是（）A．汽油机吸入的是汽油和空气的混合物，点燃方式是压燃式
B．汽油机吸入的是空气，点燃方式是点燃式
C．柴油机吸入的是空气，点燃方式是压燃式
D．柴油机吸入气缸的是空气和柴油的混合物
【思路点拨】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。

【解答】解：
AB．汽油机吸入的是汽油和空气的混合物，点燃方式是点燃式，故AB错误；
CD．柴油机吸入的是空气，点燃方式是压燃式，故C正确、D错误。

故选：C。

[跟踪训练]
1．燃料燃烧时消耗的是_________能，热机是将蒸汽或燃气的能转化为能的发动机。

最早的热机是18世纪时由__________________改良的蒸汽机，19世纪时出现了转化效率更高的__________________。

2．汽油机的一次工作循环包括________冲程、________冲程、_________冲程和________冲程。

其中活塞获得动力的冲程是__________，其他冲程都是靠飞轮的________在工作。

3．汽油机一个工作循环包括个冲程，活塞往复次，
曲轴转动圈，燃气推动活塞做功次。

整个过程中
有次能量转化。

4．如图1所示，这是内燃机工作时的________冲程。

当活塞下降时，气缸中气体的内能________（选填“减少”或“增加”），气体的温度________（选填“降低”或“升高”）。

5．如图2所示，根据图片信息填写相对应的冲程名称。

_________冲程_________冲程_________冲程_________冲程
图2
6．四冲程汽油机在工作过程中，将机械能转化为内能的冲程是（）A．吸气冲程B．压缩冲程C．做功冲程D．排气冲程
7．如图3是内燃机的某个冲程,下列几种情况中与该冲程能的转化方式一致的是（）
8．如图4所示,在一个配有活塞的厚玻璃筒内放一小团硝化棉,用力迅速下压,使活塞下移一段距离,硝化棉燃烧.这个过程中推力对活塞_________做功,(选填“有”或“没有”)这是通过_________方式改变筒内空气内能,四冲程内燃机工作过程中的_________冲程与此现象相似.
9．如图5(a)所示,水沸腾后,盖在试管口上的塞子会受到水蒸气的压力而冲出,此过程中,水蒸气的内能转化为塞子的_______能。

图5(b)所示为四冲程汽油机的_________冲程,这一冲程的能量转化情况与图5(a)中情况_____(选填“相同”或“不同”)。

10．阅读短文,回答问题:
热机能源环境
今天，热机的广泛使用已成为一个国家工业化程度的标志，也导致了世界能源结构的巨大变化。

热机工作时要燃烧煤、汽油和柴油，它们都是不可再生资源，目前世界能源消耗85%以上是不可再生的化石能源，图6是“1997年世界能源消耗结构图”。

目前，热机排放出的空气污染物71%来自交通，排放出一氧化碳、二氧化硫会引发酸雨；燃料燃烧也不充分，大量内能通过废气被排入空气中，会像“厚厚的毛毯”一样加剧温室效应，全球气温逐年升高，导致极端气候异常和海平面上升。

①热机工作时，做功冲程将________能转化为________能；
②温室效应会导致地球温度__________，进而_________(选填“加快“或”减缓“)有害气体分子的运动。

③分析图10的世界能源消耗结构图，写出当今世界可利用的“可再生能源”或“新能源”名称：__________、__________。

5.5热机参考答案1．化学；内；机械；瓦特；内燃机。

2．吸气；压缩；做功；排气；做功；惯性。

3．4；2；2；1；2。

4．做功；减少；降低。

5．做功；排气；吸气；压缩。

6．B。

7．C
8．有；做功；压缩。

9．机械; 压缩; 不同。

10．①内能. 机械能.
②升高. 加快.
③太阳能,电能,核能,潮汐能,化学能等.。