改变世界的热机(基础) 知识讲解

改变世界的热机（基础）
责编：冯保国
【学习目标】
1.知道热机的概念及热机的能量转化，了解热机在人类发展史上的重要意义；
2.理解内燃机的基本原理，了解汽油机的工作过程；
3.通过分析汽油机的四个冲程，了解活塞发动机的工作过程；
4.知道热机的效率，了解提高热机效率的途径；
5.了解热机的使用对社会的贡献和给环境带来的影响。

【要点梳理】
要点一、热机
1.热机：通过燃料燃烧获取内能并转化为机械能的装置。

2.蒸汽机：
（1）蒸汽机是最早的热机。

利用蒸汽做功。

（2）瓦特改进、完善了蒸汽机，发明了冷凝器、蒸汽汽缸等部件，设计了通过活塞直线运动带动飞轮圆周运动的连接装置，解决了动力的传输问题，才使蒸汽机成为带动其他机器转动的动力机器。

（3）蒸汽机的原理图，汽缸内活塞的左右移动由滑块阀门来控制。

要点诠释：
1.内能的两个用途：（1）加热；（2）做功。

2.形形色色的热机：
（1）水蒸气可以驱动叶轮转动，那是最简单的轮机，应用在大型火力发电厂中、大型舰船上。

（2）在机车、汽车、农用机械中，使用汽油机和柴油机等内燃机。

（3）在航空航天中已经使用更高效的喷气发动机和火箭发动机。

要点二、内燃机
1.活塞式内燃机：燃料在汽缸内燃烧，产生的燃气直接推动活塞做功。

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.汽油机的四个冲程：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，多数汽油机是由吸气、压缩、燃烧——膨胀做功和排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的。

4.能量转化：压缩冲程，机械能转化为内能；做功冲程，内能转化为机械能。

要点诠释：
1.汽油机的一个工作循环要经历四个冲程，活塞往复运动两次，飞轮转动两周，对外做功一次。

2.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、热机的效率
1.热机的效率：把热机所做有用功与所用燃料完全燃烧释放的热量之比，叫做热机的效率。

2.热机的利用：
（1）蒸汽机的广泛应用，结束了以人力、畜力为主要动力的漫长历史，世界进入以“火”为动力的“蒸汽机时代”
（2）火电站、热电站利用蒸汽轮机正将煤炭、天然气和石油转化成电能。

（3）以热机为主要动力装置的汽车、火车、轮船和飞机。

3.热机的利用和环境保护：
（1）热机排出的二氧化碳所引起的温室效应，对地球表面的热平衡有较大影响。

（2）汽车内燃机排出的废气对环境产生较大的污染，成为城市热岛效应的元凶之一。

（3）利用绿色能源，研究和开发低能耗、少污染的高性能热机，控制和减少污染。

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、（2016•铁岭模拟）下列过程中，属于利用内能做功的例子是（）
A．用砂轮磨刀，有火星迸出
B．太空中的星体碎片坠入大气层，成为流星
C．壶中的水沸腾时，壶盖不断地跳动
D．用打气筒给轮胎打气
【思路点拨】在做能量的转化这种题时，我们要注意分析哪种能量增加了，哪种能量减少，因为总是减少的这种能量转化为增加的那种能量。

【答案】C
【解析】A、砂轮打磨工件时火星四溅，是砂轮与工件之间发生摩擦，是机械能转化为内能，不符合题意，B、陨石坠入地球大气层成为流星，是陨石和空气摩擦生热的过程，是机械能转化为内能的过程，不符合题意，C、水烧开的时候，壶盖不断“跳动”，是水蒸气对壶盖做功的结果，把水蒸气的内能转化为壶盖的机械能，符合题意，D、打气时克服筒壁之间的摩擦做功，所以是机械能转化为内能，不符合题意，故选C。

【总结升华】内能与机械能的转化主要表现在做功改变物体的内能上，内能增大的是机械能转化为内能，内能减少的是内能转化为机械能，而内能的变化主要体现在温度的变化上。

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、汽油机工作的时候，活塞在气缸里往复运动。

活塞从气缸的一端运动到另一端叫做一个___。

四冲程汽油的工作过程是由____________ 、 ____________ 、____________ 、____________四个冲程组成。

其中只有____________冲程是燃气对外做功。

完成一个工作循环曲轴要转 __________周。

【答案】冲程；吸气；压缩；做功；排气；做功；两
【解析】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。

四冲程汽油机的工作过程由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。

其中只有做功冲程是燃气对活塞做功，其他三个冲程要靠飞轮的惯性来完成。

完成一个工作循环曲轴要转两周。

【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】（2015•泰安中考）四冲程内燃机工作时，哪个冲程将机械能转化为内能？（ ） A ．压缩冲程 B ．做功冲程 C ．吸气冲程 D ．排气冲程 【答案】A
类型二、热机效率
3、一辆重力为5×104
N 的汽车，在平直马路上以72km/h 的速度匀速行驶时，遇到的阻力为车重的
O.02倍，每小时需汽油6kg ，则这辆汽车发动机的效率为 。

（汽油的热值q=4.6×107
J/kg ） 【思路点拨】汽车做匀速直线运动，对汽车受力分析，由平衡条件求出汽车的牵引力；已知汽车的速度，由速度公式的变形公式求出汽车1h 的路程，然后由公式W=Fs 求出汽车牵引力做的功；已知汽车每小时消耗的汽油，由Q=mq 求出汽油燃烧释放的热量，然后由效率公式求出汽车发电机的效率。

【答案与解析】
在水平方向上，汽车受阻力4
3
0.020.02510 1.010f G N N ==⨯⨯=⨯， 因为汽车做匀速直线运动，处于平衡状态，所以牵引力3
110F f N ==⨯； 因为s v t
=
，所以汽车的路程4
72/1727.210s vt km h h km m ==⨯==⨯ 。

牵引力的功：3
4
7
1107.2107.210W Fs N m J ==⨯⨯⨯=⨯。

汽油完全燃烧释放出的热量：7
8
6 4.610/ 2.7610Q mq kg J kg J ==⨯⨯=⨯。

发动机的效率78
7.21026.1%2.7610W W J
W Q J
η⨯===≈⨯有总。

【总结升华】本题考查了求汽车发电机的效率问题，涉及的知识点较多，熟练应用平衡条件、功的公式、燃烧值公式、效率公式即可正确解题。

举一反三：
【变式】内燃机的大量使用，促进了社会的进步，使人们享受了现代文明，但在使用内燃机的同时又给人类带来了污染，这主要是指 污染和 污染。

在内燃机工作过程中，如图所示的内燃机能流图可以看出，它的能量损失所占的百分比是：废气内能35%，散热损失30%，机械损失10%，则内燃机的热机效率是 我们在高效利用能源的同时，也必须重视保护环境。

【答案】大气；噪声；25%
4、（2015•宜昌中考）为节约能源，需提高热机的效率，下列措施中不能提高热机效率的是（）
A．尽量使燃料充分燃烧B．尽量减少热机部件间的摩擦
C．尽量减少废气带走的热量D．尽量增加热机的工作时间
【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】减少热量的损失可以提高热机的效率，所以使燃料充分燃烧、减少废气带走的热量、减少热机部件间的摩擦都可以减少热量的损失，提高效率。

增加热机的工作时间，并不能减少热量的损失，所以不能提高热机的效率。

【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。