第十四章内能的借助第1节热机
一热机
1．热机的工作原理
图例
原理
水沸腾后，水蒸汽膨胀对木塞__做功__，内能__降低__，气温__增加__
燃料燃烧，形成低温、高压的煤气，煤气推进活塞__做功__，内能__降低__，气温__增加__
能量
__物理能____内能____机械能__
2.热机及其种类
热机
借助__内能__做功的机械
种类
①内燃机——燃料直接在底盘__气缸__内燃烧形成动力的热机。
②蒸汽机、汽轮机、喷气底盘等
二柴油机和汽油机
内燃机
项目
柴油机
汽油机
构造
气缸底部是化油器
气缸底部是喷油嘴
一
个
工
作
循
环
吸气冲程
吸入__柴油和空气的混和物__
只吸入__空气__
压缩冲程
压缩程度较小(__机械__能→__内__能)
压缩程度大(__机械__能→__内__能)
做功冲程
燃起式(__内__能→__机械__能)
压燃式(__内__能→__机械__能)
排气冲程
排出废水
排出废水
主要特征
轻巧、效率较低
笨重、效率较高
适用范围
小车辆、小型农业机械、飞机等
载重车辆、拖拉机、火车、轮船等
联系
①每个工作循环活塞往返__两__次，飞轮转动____两__周，对外做功__一__次。
②吸气、压缩和排气冲程借助飞轮的__惯性__来完成，只有__做功__冲程对外做功
类型一热机的工作原理
例1如图14－1－11甲所示，用酒精灯加热试管中的水，当水沸腾一段时间之后，盖子被试管内的水蒸汽推出，水蒸汽的能转化为盖子的机械能。图(选填"乙"或"丙")中柴油机的工作过程与这一实验过程中能量的转化是一致的。
图14－1－11
[答案]内乙
[解析]当试管内的水被酒精灯加热后，水蒸汽的内能逐步减小，最后会把盖子冲出去，水蒸汽的内能转化为盖子的机械能；柴油机的做功冲程是柴油燃烧形成的内能转化为连杆的机械能，与图甲所示实验中能量的转化一致，由图可知，图乙是做功冲程。
[点拨]热机是借助内能做功的机械，其工作原理是：
图14－1－12
如图14－1－12所示为生活中常用的热射手，其外壁采用镀镍的单层玻璃，并将中间抽成真空，这是为了减轻。注入一定量的冷水后，立刻盖上软瓶塞，软瓶塞会跳上去，这一过程中瓶内二氧化碳的能转化为软瓶塞的机械能；柴油机的冲程也发生同样的能量转化。
[答案]热量散失(或热传递)内做功
[解析](1)真空可以防止空气的对流，避免热传递的形成，降低热量散失，起到保温作用。(2)软瓶塞跳上去，机械能减小，这是因为热射手内二氧化碳膨胀做功引起的，水蒸汽的内能转化成软瓶塞的机械能。(3)柴油机在做功冲程中，气缸内低温二氧化碳膨胀带动活塞做功，内能转化为机械能。
类型二热机的工作过程
例2如图14－1－13所示是柴油机工作时各类冲程的示意图，其中表示做功冲程的是()
图14－1－13
[解析]C本题考查柴油机工作的四个冲程。做功冲程中进气门和排气门都关掉，活塞在低温、高压煤气的作用下向上运动，通过曲轴拉动凸轮对外做功，通过观察可知C选项正确。
[方式点睛]判定内燃机的冲程，一是认清两个气门的开、闭状态，二是认清活塞的运动方向。两个
气门一个打开，一个关掉：活塞向上运动，就是吸气冲程；活塞向下运动，就是排气冲程。两个气门都关掉：活塞向上运动，就是做功冲程；活塞向下运动，就是压缩冲程。
类型三柴油机与汽油机
例3(多选)柴油机和汽油机的主要不同点是()
A．在构造上，柴油机缸体底部有化油器，而汽油机的气缸底部有喷油嘴
B．在吸气冲程中，柴油机吸入气缸的是柴油，汽油机吸入气缸的是汽油
C．在压缩冲程末，柴油机用燃起式打火，而汽油机采用的是压燃式打火
D．在压缩冲程中，柴油机气缸里的气温和浮力比汽油机里的高
[解析]AC该题采用对比法考查柴油机和汽油机，要求识记一些汽油机与柴油机的不同点。
类型四有关内燃机的力、热综合估算
例4某四冲程内燃机，飞轮怠速为300r/min，活塞面积为，活塞行程L是0.3m，如果做功冲程中煤气的平均浮力是5×105Pa，则这台内燃机的功率是。
[答案]4500
[解析]已知W＝FL，又由于F＝pS，所以W＝pSL，这是每次做功冲程做功的大小，又由于飞轮怠速为300r/min，根据四冲程内燃机的特性，可知每分钟内燃机做功150次，每秒做功2.5次，所以功率可叙述为：P＝2.5×pSL＝2.5×5×105Pa×120×10－4m2×0.3m＝4500W。
[点拨]本题考查了对内燃机一个工作循环做功次数和飞轮转数、功率公式、压强公式的了解与把握，综合面广，难度较大，需有较强的综合能力。
知识点●1热机的工作原理
1．热机工作过程中的能量转化次序是()
A．内能→化学能→机械能
B．物理能→内能→机械能
C．物理能→机械能→内能
D．内能→机械能→化学能
[解析]B热机的工作过程是：燃料燃烧，燃料的物理能转化为内能，促使活塞做功，内能转化为机械能。
知识点●2热机的工作过程
2．双缸四冲程内燃机工作时，借助飞轮惯性来完成的冲程是()
A．只有吸气和压缩两个冲程
B．只有压缩和排气两个冲程
C．只有排气和吸气两个冲程
D．有吸气、压缩和排气三个冲程
[解析]D四冲程内燃机工作时，做功冲程是低温、高压二氧化碳推进活塞运动，使联接活塞的凸轮转动，其他三个冲程都是借助飞轮惯性来完成的。
3．车辆已然成为现代生活中不可缺乏的一部份，现代车辆多数采用柴油机作为底盘，如图14－1－14所示是四冲程柴油机工作循环示意图，下述说法中正确的是()
图14－1－14
A．甲冲程是把机械能转化为内能
B．乙冲程是把内能转化为机械能
C．丙冲程是把机械能转化为内能
D．丁冲程是把内能转化为机械能
[答案]A
4．内燃机在做功冲程中，低温二氧化碳迅速膨胀而做功，做功后煤气的气温和内能变化的情况是()
A．湿度增加，内能减低
B．气温不变，内能不变
C．气温下降，内能减小
D．气温增加，内能减小
[解析]A对二氧化碳做功，二氧化碳气温下降，内能降低；二氧化碳对外做功，气温增加，内能减低。
5．在四冲程柴油机的工作过程中，内能转化为机械能的冲程是()
A．吸气冲程B．压缩冲程
C．做功冲程D．排气冲程
[答案]C
6．一台四冲程汽油机的飞轮怠速为600r/min，则1s内()
A．完成10个冲程，做10次功
B．完成5个冲程，做5次功
C．完成20个冲程，做10次功
D．完成20个冲程，做5次功
[解析]D600r/min表示每分钟飞轮转动600周，这么1s内飞轮转动10周，则完成5个工作循环，20个冲程，做5次功。
知识点●3柴油机和汽油机
7．燃料在气缸内燃烧，促使活塞做功，把内能转化为机械能的热机叫。按使用燃料的不同可分为机和机等。
[答案]内燃机柴油汽油
8．图14－1－15是某内燃机的构造示意图，则该内燃机为(选填"柴油机"或"汽油机")。
图14－1－15
[答案]汽油机
[解析]由图可知，该内燃机有喷油嘴，故该内燃机是汽油机。
一、选择题
1．如图14－1－16所示的四种交通工具，不用热机作为动力机械的是()
图14－1－16
[解析]A单车是消耗人的风能，转化为单车的机械能；货轮、卡车、飞机工作时都要使用化石能源做燃料，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。
"合照、摄影"中的"影"是因为光的折射(凸透镜成像)产生的倒立、缩小的虚像。
2.下述流程图是拿来说明双缸四冲程柴油机的一个工作循环及涉及的主要能量转化情况的。对图中①②③④的补充，正确的是()
图14－1－17
A．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
C．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
D．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
[解析]D热机的四个冲程分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。压缩冲程中，活塞上行压缩气缸内的二氧化碳，使二氧化碳内能降低，机械能转化为内能；做功冲程中，低温、高压的煤气推进活塞向上运动热机的效率知识点，内能转化为机械能。
3．如图14－1－18所示，有关这个小蒸气轮机的说法不正确的是()
图14－1－18
A．通过热传递的方法降低了烧杯内的水的内能
B．酒精燃烧将内能转化为物理能
C．蒸气的内能转化为轮子的机械能
D．内能的一个重要应用是可以拿来做功
[解析]B酒精燃烧后物理能转化为内能，通过热传递传给水，A选项正确。酒精燃烧是把物理能转化为内能，B选项错误。蒸气对外做功，内能转化为机械能，C选项正确。内能可以拿来加热物体，也可以拿来做功，D选项正确。
图14－1－19
4．(多选)如图14－1－19所示是四冲程柴油机做功冲程的示意图。柴油燃烧形成低温、高压的二氧化碳推进活塞向上运动。在活塞向上运动的过程中，气缸内二氧化碳的()
A．内能减低B．气温增加
C．密度减小D．分子热运动推动
[解析]AB在做功冲程中，低温、高压的二氧化碳迅速膨胀带动活塞对外做功，二氧化碳的内能减低，转化为机械能，二氧化碳的湿度增加，分子热运动减弱；活塞向上运动，使气缸中二氧化碳的容积变大，二氧化碳质量一定，因而二氧化碳的密度变小。故选A、B。
5．如图14－1－20所示，在空可乐瓶内滴少许酒精，用装有气门芯的橡皮塞旋紧瓶口，用打气筒通过气门芯向瓶内打气。当气压达到足够大时，橡皮塞将从瓶口冲出，且原先透明的瓶内饱含了雾气，下述说法正确的是()
图14－1－20
A．打气时，瓶内二氧化碳气温下降，内能减低
B．打气时，压缩二氧化碳做功，内能降低
C．橡皮塞冲出时，二氧化碳对橡皮塞做功，机械能转化为内能
D．橡皮塞冲出时产生的雾气是空气降温液化成的小液滴
[答案]B
二、填空题
图14－1－21
6．如图14－1－21所示，在空气压缩引火仪玻璃筒的顶部放一撮干燥的棉被，使劲将活塞迅速向上压，棉被燃烧上去。此实验得到的推论是：对(选填"棉被"或"筒内二氧化碳")做功，它的内能会降低。其能量转化情况与四冲程柴油机的冲程相同。实验中若果不装入棉被，将活塞迅速向上压，筒内二氧化碳气温(选填"会"或"不会")下降。
[答案]筒内二氧化碳压缩会
[解析](1)在空气压缩引火仪玻璃筒的顶部放一撮干燥的棉被，使劲将活塞迅速向上压，棉被燃烧上去，说明压缩筒内空气做功，使空气的内能降低。(2)实验中，活塞的机械能转化为空气的内能，与内燃机的压缩冲程相像。(3)实验中，假如不装入棉被，将活塞迅速向上压，筒内二氧化碳内能仍减小，气温照样下降。
7．如图14－1－22所示，在试管内装些水，用软瓶塞堵住，加热使水沸腾，水蒸汽会把软瓶塞冲开。有的朋友由这个装置联想到内燃机，请你用连线反映他的联想创新的思维过程。
图14－1－22
酒精燃烧结实气缸
低温、高压水蒸汽活塞运动做功
试管油料燃烧
软瓶塞冲出低温、高压煤气
[答案]略
8．柴油机是热机的一种，柴油在气缸内燃烧时将能转化为能。如图14－1－23所示是四冲程柴油机工作状态示意图，由图可以看出，此时它正处在冲程。
[答案]物理内压缩
[解析]本题考查内燃机的有关知识。柴油在气缸内燃烧时是将物理能转化为内能。从柴油机结布光可以看出，两个气门关掉，活塞向下运动，这是压缩冲程。
图14－1－23
图14－1－24
.如图14－1－24所示，由中国自主研制的我国第一部"空气动力底盘车辆"在第十四届中国上海国际科技产业博览会上展出。它是借助压缩空气膨胀带动活塞做功提供动力的，这些车在开动时将空气的能转化为能，类似汽油机的活塞做功，排气口排出的是冷空气，为红色环保产品。
[答案]内机械
10．汽油机和柴油机在构造上的区别是：汽油机顶端是，柴油机顶端是；吸气冲程中，汽油机吸入的是，柴油机吸入的是__。
[答案]喷油嘴化油器空气柴油和空气的混和物
[解析]本题主要考查了柴油机和汽油机的区别。柴油机与汽油机在构造上大致是相同的，不同的是柴油机在气缸底部有化油器，而汽油机却是喷油嘴；在吸气冲程中，柴油机吸入气缸的是柴油和空气的混和物，而汽油机吸入的只有空气。
11．科学家发明了一款双缸六冲程内燃机，它每一个工作循环的前四个冲程与双缸四冲程内燃机相同，在第四冲程结束后，立刻向气缸内再度喷水，水在低温气缸内迅速汽化成低温、高压水蒸汽，带动活塞再度做功，水蒸汽气温(选填"下降""增加"或"不变")，这样燃烧同样多的燃料获得了更多的机械能，增强了热机的效率。为步入下一个工作循环，这款内燃机的第六冲程是冲程。
[答案]增加排气
12．爆米花是将甘蔗装入铝锅内热机的效率知识点，边加热边翻动，一段时间后，"砰"的一声弄成了小麦花。在这一过程中，先是通过使小麦粒的内能降低；一段时间后，小麦粒内水份受热膨胀，对粒壳(以上两空填写改变物体内能的形式)，使其内能减低，因而将内能转化为能，在柴油机的四个冲程中，冲程也是这样的能量转化。
[答案]热传递做功机械做功
[解析]爆蚕豆花时，将甘蔗粒装入铝锅内加热，花生粒通过热传递从铝锅吸收热量，其中的水份放热后气温下降、内能减小；当水弄成水蒸汽后容积迅速减小，将柔软的壳胀破，对粒壳做功，此过程中内能转化为机械能；在柴油机的四个冲程中，做功冲程也是这样的能量转化。
三、简答题
13．车辆的发明改变了人们的生活形式，事实上人们在很早就在探求着更好的代步工具，西班牙人于1769年制造了世界上第一台蒸车辆，如图14－1－25所示是蒸车辆的原理。回答下述问题：
图14－1－25
(1)原理图中涉及哪几种方式的能量？
(2)使车辆往前运动的力是如何形成的？哪几个力是施力物体？
[答案](1)原理图中涉及的能量有：物理能、内能和机械能。
(2)蒸车辆将水蒸汽向后喷吐，对空气施加一个向后的力，按照力的作用是互相的，空气对蒸车辆有一个往前的反斥力，使蒸车辆往前运动。所以使蒸车辆往前运动的力的施力物体是空气。
如图14－1－26所示是小明朋友拍摄的一幅烟花爆燃时的相片。请用所学的知识回答下述问题：烟花内部爆燃时发生的能量转化过程是转化为(以上两空选填"内能"或"机械能")，此过程的能量转化情况与四冲程柴油机的冲程相像。小明先听到烟花弹在高空闪耀爆开而后看到爆燃声，其缘由是：。
图14－1－26
[答案]内能机械能做功光的传播速率远小于声的传播速率
[解析]烟花爆燃是烟花上面的燃料发生物理变化，形成低温、高压的煤气，之后膨胀对外做功，促使空气高速流动而发出爆燃声，并伴随浓烟出现；这个过程中发生的能量转化是物理能→内能→光能、机械能，主要是内能转化为机械能，这与四冲程柴油机的做功冲程相像。烟花爆燃岁月和声是同时形成的，因为光的传播速率远小于声的传播速率，所以我们是先听到烟花，后看到爆燃声的。