机械能与内能地相互转化以及热学计算.docx

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机械能与内能地相互转化以及热学计算

机械能与内能的相互转化以及热学计算

适用学科

物理

适用年级

初三

适用区域

苏科版

课时时长（分钟）

120

知识点

能量的转化及守恒

热机的工作原理和四个冲程的能量转化

热机的效率

物体吸、放热的简单计算

燃料的热值及相关计算

教学目标

知道做功是改变物体内能的另一种方式

了解热机的基本结构和工作原理

知道热机四冲程中的能量转化

会进行简单的热学计算

教学重点

会进行物体吸、放热和燃料燃烧放热的简单计算，能从能量转化的角度认识燃料的热值

教学难点

能从能量角度认识热机的效率

教学过程

一、复习预习

1.内能是物体所有分子动能和分子势能的总和，一切物体在任何情况下都有内能。

2.热传递是改变物体内能的一种方式。

热传递的实质是能量从高温物体传到低温物体或者同一物体的高温部分传到低温部分的过程。

3.比热容：

单位质量的某种物质温度升高（或降低）1℃，吸收（或放出）的热量叫做这种物质的比热容。

二、知识讲解

考点/易错点1

做功和能量转化

（1）做功是改变内能的另一种方式。

外界对物体做功，物体内能会增大；物体对外界做功，物体内能会减小。

（2）做功的实质是其他形式的能与内能的相互转化。

（3）功可以度量内能改变的多少。

（4）改变内能的两种方式的比较：

改变内能的两种方式

做功

热传递

相同点

在改变物体内能上是等效的

不同点

实质

其他形式的能和内能的相互转化

内能的转移

能的形式

发生改变

不发生改变

（5）机械能和内能的相互转化是通过做功实现的。

外界对物体做功，机械能转化为内能；物体对外界做功，内能转化为机械能。

考点/易错点2

热机的工作原理和四个冲程

（1）热机是将燃料燃烧把燃料的化学能转化为内能再转化为机械能的装置。

如汽油机、柴油机。

（2）汽油机的工作过程

内燃机一个工作循环有吸气、压缩、做功和排气四个冲程。

一个工作循环中，曲轴和飞轮均转动两周，对外做功一次。

在四个冲程中，只有做功冲程是燃气对外做功，其他三个冲程的辅助冲程，要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。

冲程名称

吸气冲程

压缩冲程

做功冲程

排气冲程

进气门

打开

关闭

关闭

关闭

闭气门

关闭

关闭

关闭

打开

活塞运动方向

向下

向上

向下

向上

冲程作用

吸入燃气和空气的混合气体

压缩燃料和空气混合气体做功，使其压强增大、温度升高

在当活塞到达气缸顶端时，火花塞打火，点燃燃料，产生的高温高压燃气推动活塞做功。

通过连杆、曲轴带飞轮转动

排除废气

能的转化

无能量转化

压缩燃料和空气的混合气体，机械能转化成内能

燃料燃烧，化学能转化成燃气的内能，燃气推动活塞做功，内能转化成机械能

无能量转化

（3）

热机的效率：

用来做有用功的那部分能量个燃料完全燃烧所释放的能量之比，叫热机的效率。

由于热机在工作过程中存在各种能量损失，所以热机的效率总小于1。

其中废气带走的能量最多，设法利用废弃的能量，是提高燃料利用率的重要措施。

考点/易错点3

热值

（1）定义：

燃料完全燃烧放出的热量与燃料质量之比，叫做这种燃料的热值。

（2）单位：

焦耳/千克，即”J/kg“，读作”焦耳每千克“。

（3）质量相等的不同燃料，完全燃烧所放出的热量一般是不同的。

（4）公式：

，其中Q表示燃料完全燃烧放出的热量，m表示燃料的质量，q表示该燃料的热值

考点/易错点4

热量计算

（1）物体吸、放热的简单计算：

吸热：

；

放热：

。

t0表示物体初温，t表示物体末温。

（2）燃料热值的相关计算

固体、液体燃料完全燃烧释放热量：

；

气体燃料完全燃烧释放热量：

。

（3）热机、燃具效率：

三、例题精析

【例题1】

【题干】一台四冲程内燃机转速为600转/分，则

A.每分钟内做功150次，共有600个冲程

B.每分钟内做功600次，共有1200个冲程

C.每秒内做功20次，共有10个冲程

D.每秒内做功5次，共有20个冲程

【答案】D

【解析】内燃机一个工作循环有四个冲程，曲轴转动两圈，做功一次。

所以，每分钟内，内燃机转动600转，即300个工作循环，做功300次，共有1200个冲程。

故A、B选项错误。

内燃机每分钟转600转，即每秒钟转10转，完成5个工作循环，做功5次，共有20个冲程，故C选项错误，D选项正确。

【例题2】

【题干】下列过程中，将内能转化为机械能的是（）

A.流星在大气层中穿行

B.用热水泡脚，脚感觉暖和

C.汽油机的压缩冲程

D.水沸腾时水蒸气顶起水壶盖

【答案】D

【解析】流星在大气层中穿行是机械能转化为内能，故选项A不正确.用热水泡脚，脚感觉暖和属于热传递，是水的内能转移给脚，使脚的内能增加，故选项B不正确.汽油机的压缩冲程是将机械能转化为汽油和空气混合物的内能，使其内能增加，温度升高，故选项C不正确.水沸腾时水蒸气顶起水壶盖，是水蒸气的内能转化为水壶盖的机械能，故选项D正确.

【例题3】

【题干】汽油的热值是4.6×107J/kg，它的意义是（）

A.燃烧1kg的汽油放出4.6×107J/kg的热量

B.燃烧1kg的汽油放出4.6×107J的热量

C.1kg的汽油完全燃烧放出4.6×107J的热量

D.1kg的汽油完全燃烧放出4.6×107J/kg的热量

【答案】C

【解析】热值是单位质量的燃料完全燃烧时释放的热量，故C选项正确。

4、课堂运用

【基础】

1．汽车油箱的汽油用掉一半后，关于油箱内汽油的说法正确的是（）

A．它的质量变为原来的一半

B．它的密度变为原来的一半

C．它的热值变为原来的一半

D．它的比热容变为原来的一半

【答案】A

【解析】汽车油箱中的汽油用掉一半后，汽油的质量减少一半，但密度、热值和比热容是不变的.故选项A正确。

2．关于“热机”，下列说法中错误的是（　　）

A．通过技术改进，可以使热机的效率达到100%

B．减少城市热岛效应的措施之一就是倡导“绿色出行”

C．用水而不用其它循环物质降低热机的温度，主要是利用水的比热容最大的特性

D．严寒的冬天，有人晚上把热机水箱中的水放出，是防止气温降低时，水凝固而胀坏水箱

【答案】A

【解析】A、使用热机不可避免的要克服机器部件摩擦做额外功，效率不可能达到100%，所以A是错误的。

B、“绿色出行”可以减少热机工作时的二氧化碳和热量的排放，是减少城市热岛效应的措施之一，所以B是正确的。

C、水的比热容比较大，在升高相同的温度需要吸收更多的热量，所以利用水来降低热机的温度，所以C是正确的。

D、水凝固时体积变大，就会胀坏水箱，所以冬天要把水箱中的水放出，所以D是正确的．

3．四冲程汽油机在工作过程中，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

【解析】做功冲程是内能转化为机械能的冲程，燃料燃烧的化学能转化为内能，高温高压的燃气推动活塞做功。

故C选项正确。

4.下列实例中，属于机械能转化为内能的是（　　）

A.冬天，嘴对着双手哈气

B．流星穿过大气层时发热发光

C．汽油机的做功冲程

D．不锈钢汤勺放在热汤中

【答案】B

【解析】A、冬天，嘴对着双手哈气，是利用热传递的方式改变内能的。

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。

符合题意。

C、汽油机的活塞在燃气推动下运动，内能转化为机械能。

不符合题意。

D、不锈钢汤勺放在热汤中，是内能的一种转移。

不符合题意。

故选A。

5．图所示为四冲程汽油机的一个冲程，下列说法正确的是（）

A．这是压缩冲程，机械能转化为内能

B．这是压缩冲程，内能转化为机械能

C．这是做功冲程，机械能转化为内能

D．这是做功冲程，内能转化为机械能

【答案】B

【解析】点燃电火花气体温度升高内能增大，气体压缩活塞对外做功，这是做功冲程，内能转化为机械能，故选C。

【巩固】

6．四冲程汽油机做功冲程中，汽油燃烧产生高温高压的气体推动活塞向下运动。

在活塞向下运动的过程中，汽缸内气体的（）

A．内能减少B．温度升高C．密度增大D．分子热运动加快

【答案】A

【解析】两个气阀关闭，活塞向下运动，是做功冲程，内燃机的做功冲程是将内能转化为机械能，故气体的内能减少、温度降低，分子热运动减慢；气体质量不变，体积变大，故气体分子的密度减少。

故选项A正确。

7．2013年2月15日，一颗数十吨的陨石被地球俘获，在加速下落的过程中，陨石与大气剧烈摩擦、迅速升温、猛烈燃烧，犹如一颗火球扑向俄罗斯．陨石下落过程中，其能量转化过程是（）

A．重力势能一动能一内能B．动能一重力势能一内能

C．重力势能一内能一动能D．内能一重力势能一动能

【答案】A

【解析】陨石在加速下落的过程中，高度降低，故重力势能减小，加速下落，故动能增大，陨石燃烧，说明内能增大，说明能量的转化过程是重力势能一动能一内能，A是正确的。

8．“可燃冰”是天然气与水在高低温条件下形成的类冰状的结晶物质。

我国近期在南海海底发现了“可燃冰”。

如图所示，燃烧lm3可燃冰释放出的能量与燃烧164m3天然气释放的能量相当，由此可判断“可燃冰”（）

A．具有较大的热量

B．具有很高的热值

C．只有燃烧时才有内能

D．未点燃时只具有化学能

【答案】B

【解析】A、热量指物体在热传递过程中转移能量的多少，不能说“具有”，所以A错误。

B、热值指单位体积或质量燃料完全燃烧释放热量的多少，所以B正确。

C、一切物体在任何情况下都具有内能，所以C错误。

D、未点燃时，“可燃冰”还具有内能，所以D错误。

故选B。

9．燃烧甲、乙两种燃料，甲放出的热量比乙多，则（）

A．甲的质量一定大

B．甲的热值一定大

C．甲的比热容一定大

D．条件不足，无法判断

【答案】D

【解析】燃料燃烧释放的热量与燃料的质量和热值有关，与比热容无关，故选D。

10．如图所示的装置是流行于我国民间玩具式的走马灯。

如果点燃走马灯内的蜡烛，燃烧产生的高温气体将向上运动；运动的热空气便推动纸风车和固定在转轴上的纸马转动。

下列几种现象中与这种走马灯工作原理相同的是（）

A．煤炭的燃烧

B．电风扇通电转动

C．放烟花时，礼花腾空而起

D．植物进行的光合作用

【答案】C

【解析】走马灯的工作原理是将内能转化为机械能。

A、煤炭燃烧，将化学能转化为内能，故A不符合题意。

B、电风扇通电转动，电能转化为机械能，不符合题意。

C、礼花腾空而起，将内能转化为机械能，符合题意。

D、植物光合作用，将太阳能转化为化学能，不符合题意。

故选C。

11．质量为10kg的水，温度由10℃升高到20℃所吸收的热量是J；如果这些热量由燃烧焦炭来提供，那么需要完全燃烧g的焦炭。

[不考虑热量损失，c水=4.2×103J/（kg•℃），q焦炭=3.0×107J/kg]

【答案】4.2×105；14

【解析】根据物体吸热公式

，求出水吸收的热量；再根据燃料燃烧放热公式

求出焦炭的质量。

12．柴油机是工农业生产中常用的热机。

已知某型号柴油机的效率是30%，在柴油机内完全燃烧2kg柴油能放热J，该柴油机能对外做功J。

（柴油的热值为3.3×107J/kg）

【答案】6.6×107；1.98×107

【解析】柴油机通过燃料燃烧，将燃料的内能转化为机械能。

先根据燃料燃烧放热公式

求出2kg柴油燃烧释放的热量多少；再根据柴油机对外做的功占燃料释放热量的30%，算出柴油对外做的功。

13．随着生活水平的提高，汽车已进入寻常百姓家庭，它给我们的生活提供了便利，促进了社会的发展。

汽车应用了许多物理知识，请你解答：

（1）汽油机是汽车的“心脏”。

一台四冲程汽油机工作时曲轴转速是1800r/min，此汽油机每秒钟完成个做功冲程；

（2）当汽油在发动机内燃烧不充分时会冒“黑烟”，这时发动机的效率将（选填“升高”、“不变”或“降低”）；

【答案】15；降低

【解析】汽油机一个工作循环有吸气、压缩、做功和排气四个冲程，曲轴转动2转，曲轴转速为1800r/min，即30r/s，每秒钟曲轴转动30转，完成15个工作循环，即15个做功冲程。

汽油机冒“黑烟”，用来做有用功的能量占燃料完全燃烧放出的热量的比值减小，故效率降低。

14．如图所示是在胶卷盒内注入氢气和氧气后点火爆炸产生水的实验装置，据此研制的氢气爆炸发动机是新型环保发动机，在气缸中注入适当的氢气与氧气的混合物，采用电火花点火后发生爆炸，产生强劲动力。

图中的点火过程相当于内燃机的_________冲程，实质是将氢气的化学能转化为高温高压燃气的________能，通过推动活塞做功转化为__________能。

【答案】做功；内；机械

【解析】电火花点火，将氢气的化学能转化为高温高压燃气的内能，通过推动活塞做功转化为机械能，相当于内燃机的做功冲程。

【拔高】

15.如图所示，取一只透明胶卷盒，底部钻一小孔，刚好能将电子式火花发生器的放电针管紧紧地塞进孔中，打开塑料盒盖，向盒中滴入数滴酒精，再将盒盖盖紧，然后揿动电火花发生器的按钮。

（1）实验中，你将观察到的现象是：

。

（2）请你写出影响实验成败的一个原因可：

。

（3）在此过程中，酒精燃烧后的燃气对外做功，燃气的能减少，转化为能。

（4）根据这个原理，可以制造出的机器是。

【答案】

（1）塑料盒盖飞出去

（2）塑料盒盖盖得太紧或酒精太少（3）内；机械（4）热机

【解析】酒精燃烧将化学能转化为燃气的内能，再转化为机械能，将塑料盖推出去，燃气内能减少。

当塑料盖盖得太紧或酒精太少时，可能会发生燃气内能不足以将塑料盖推出去的现象，影响实验成败。

热机的工作原理也是将内能转化为机械能。

16．随着人们生活水平的日益提高，小汽车越来越多地走进了百姓人家。

一辆使用汽油为燃料的小汽车，以72km/h的速度在水平路面上匀速行驶时，发动机的实际功率为20kW。

若小汽车行驶的距离为100km，汽油的热值q=4.6×107J/kg，小汽车发动机的效率为25%。

求:

（1）运动的时间；

（2）发动机所做的功；

（3）消耗汽油的质量。

（结果保留一位小数）

【答案】

（1）5000s

（2）1.0×108J（3）8.7kg

【解析】

（1）小汽车速度：

v=72km/h=20m/s，则运动时间t=s/v=100km/20m/s=5000s。

（2）发动机所做的功：

W=Pt=20000W×5000s=1.0×108J

（3）汽油完全燃烧释放的热量

，而

，故有：

=8.7kg。

17．某中学为学生供应开水，用锅炉将200kg的水从25℃加热到100℃，燃烧了6kg无烟煤。

水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），无烟煤的热值是3.4×l07J/kg。

求：

（1）锅炉内的水吸收的热量是多少?

（2）无烟煤完全燃烧放出的热量是多少?

（3）此锅炉的效率是多少?

【答案】

（1）6.3×l07J/kg

（2）2.04×l08J（3）31%

【解析】

（1）

=4.2×l03J/（kg·℃）×200kg×（100℃-25℃）=6.3×l07J/kg

（2）

=6kg×3.4×l07J/kg=2.04×l08J

（3）

=31%

课程小结

一、改变物体内能的一种方式----做功

外界向物体做功，物体的内能会增大；物体向外界做功，物体的内能会减小。

二、热机：

将燃料燃烧产生的高温高压燃气的内能转化为机械能的装置

汽油机一个工作循环有进气、压缩、做功、排气四个冲程，曲轴转动两转，对外做功一次。

三、燃料的热值：

单位质量的某种燃料完全燃烧时所放出的热量

燃烧放热公式：

Q放=mq

课后作业

【基础】

1．下列有关热和能的说法中正确的是（）

A.物体内能增大，一定从外界吸收热量

B.汽油机在做功冲程中把机械能转化为内能

C.物体的温度越高，分子无规则运动越剧烈

D.燃料的热值越大，燃烧时放出的热量越多

2.下列关于能量转化的说法中错误的是（）

A.用砂轮磨刀时，刀的温度升高了，内能转化为机械能

B.陨石进入大气层成为流星时，机械能转化为内能

C.壶中的水沸腾时，壶盖不停地跳动，水蒸气的内能转化为壶盖的机械能

D.用打气筒给车胎打气时，壶盖不停地跳动，水蒸气的内能转化为壶盖的机械能

3.汽油机是由四个冲程不断循环而工作的，如图所示，表示内能转化为机械能的冲程是（）

4.下列关于热机和环境保护的说法，正确的是（）

A．热机的大量使用会造成环境污染B．热机的效率可以达到100%

C．热机排出的废气都是无害气体D．热机产生的噪声，可以被消声器完全消除

【巩固】

5．四冲程内燃机工作的共同特点错误的是

A．都有燃料进入汽缸

B．将燃料燃烧放出的内能传递给工作物质，使工作物质受热膨胀，对外作功

C．都能把燃料燃烧所释放出的内能全部转化为机械能

D．一个工作循环中有三个冲程都要靠飞轮的惯性来完成

6.我国发射的宇宙飞船在完成任务后，返回地面指定地点，宇宙飞船在下落到地面附近时，由于空气阻力作用做匀速直线运动，则宇宙飞船在匀速下降的过程中，它的（）

A．动能不变，势能减小，内能增大

B．动能不变，势能增大，内能减小

C．动能减小，势能不变，内能增大

D．动能增大，势能减小，内能不变

7.柴油机是工农业生产中常用的热机，已知某型号柴油机的效率是30%，在柴油机内完全燃烧2kg柴油能放热J，这些热通过该柴油机的转化能对外做有用功J。

（柴油的热值为3.3×l07J）

8.城市中到处可见的违章“小广告”，严重影响着城市市容市貌，被称为“城市牛皮癣”，已成为城市管理中的一大“顽症”。

在创建“宜居港城”活动中，小敏和同学们一起到街头巷尾用砂纸清除那些违章“小广告”；砂纸表面很粗糙，是为了__________摩擦力（填“增大”或“减小”），过了一会儿，小敏感觉砂纸发热，是因为机械能转化为_________能，这是通过________方式改变的。

【拔高】

9．目前，“节能减排”已引起全球的关注。

如何减少能耗，提高汽车发动机的效率越来越受到人们的重视。

（1）大多数家用汽车的发动机均为汽油机，它把汽油燃烧产生的内能部分转化成机械能，再通过传动机构将动力传给车轮使汽车行驶。

请你将图中汽油机工作时的能流图补充完整。

（2）发动机的效率是汽车的经济性能指标之一．厂家提供的某汽车出厂的部分参数如下；

①测试数据：

汽车在平直公路上以90km/h的速度匀速行驶时，百公里耗油量为V0（L），发动机输出功率为P0（kW）；

②使用燃料：

93#汽油[热值为q0（J/kg）、密度为ρo（kg/m3）]。

请用以上参数推算出在测试条件下，该汽车发动机的效率。

参考答案

1．C

【解析】A、物体内能增大，可能是从外界吸收了热量．也可能是外界对物体做了功，不符合题意；B、汽油机在做功冲程中把内能转化为机械能，不符合题意；C、分子运动的快慢与温度有关，物体的温度越高，分子无规则运动越剧烈，符合题意；D、燃烧时放出的热量不仅仅跟燃料的热值有关，跟燃料的多少及燃烧情况等都有关系，不符合题意。

故选C。

2．A

【解析】A、用砂轮磨刀，刀温度升高，是机械能转化为内能，不符合题意，故选A。

3．C

【解析】汽油机内能转化为机械能的是做功冲程，进气口和排气口关闭，曲轴向下运动，故选C。

4．A

【解析】A、热机工作时会排出废气，污染环境，符合题意；B、热机工作时存在能量损耗，效率无法达到100%，不符合题意；C、热机会排出一氧化碳等有害气体，不符合题意；D、热机的噪声只能减弱，不能消除，不符合题意。

故选A。

5．D

【解析】A、在内燃机工作时，都有燃料进入气缸中，故正确但不符合题意；B、都有做功冲程，即都是将燃料燃烧放出的内能传递给工作物质，使工作物质受热膨胀，对外做功，故正确但不符合题意；C、都有做功冲程，但不能将全部的内能转化为机械能，故错误但符合题意；D、一个工作循环中吸气、压缩和排气三个冲程都要靠飞轮的惯性来完成，做功冲程是通过燃料产生的高温高压的燃气做功完成的，故正确但不符合题意。

故选C。

6．A

【解析】宇宙飞船在下落，所以高度减小，则重力势能减小，所以B、C不符合题意；宇宙飞船做匀速直线运动，所以速度不变，动能不变，所以D不符合题意；由于空气阻力作用，所以内能增大。

故选A。

7．6.6×107，1.98×107J

【解析】

（1）完全燃烧2kg柴油放出的热量：

=3.3×107J/kg×2kg=6.6×107J，

（2）该柴油机对外做的有用功：

W有=η×Q放=30%×6.6×107J=1.98×107J。

8．增大；内；做功

【解析】砂纸在摩擦的过程中发热，这是一个摩擦生热的现象，此过程是将机械能转化为内能。

是通过做功的方式使物体内能增加的。

9．

（1）克服摩擦耗能；废气带走热量

（2）

【解析】

（1）燃料燃烧放出的热量，一部分要克服机械摩擦，一部分由气缸直接向外散热，大部分由废气带走，剩余的是用来做有用功的能量．

（2）