第4課機械能與內能的相互轉化（原卷版）

第4課機械能與內能的相互轉化學習目標學習目標了解改變內能的另一種方式：做功知道常見的熱機——內燃機工作過程及其在歷史、現(xiàn)實生活中的應用實例；熟練掌握汽油機的四個沖程；從能量轉化的角度認識燃料的熱值，并掌握其計算通過能量的轉化和轉移，進一步認識效率的概念。002預習導學改變內能的另一種方式：做功做功改變物體的內能做功可以改變內能：對物體做功物體內能會，（例如：摩擦生熱）物體對外做功物體內能會例如：通過活塞向盛有水的燒瓶里打氣，當活塞從瓶口跳起時，燒瓶中出現(xiàn)“白霧”）。做功改變內能的實質是內能和其他形式的能的。如果僅通過做功改變內能，可以用度量內能的改變大小。(W＝△E)實質：能量從（其它形式的能）轉化為（內能）。做功和熱傳遞改變內能的區(qū)別由于它們改變內能上產生的效果相同，所以說做功和熱傳遞改變物體內能上是等效的。但做功和熱傳遞改變內能的實質不同，前者能的形式發(fā)，后者能的形式。熱傳遞是能量的，做功是能量的。這兩種方法對改變物體內能是。熱值我們把某種燃料完全燃燒放出的與其之比，叫做這種燃料的熱值。單位是：J/㎏。燃料完全燃燒釋放出的熱量公式為：。氣體燃料完全燃燒釋放出的熱量公式也可為：。其中，Q放表示燃料完全燃燒放出的熱量，單位是J；q表示燃料的熱值，單位是J/kg；m表示質量，單位是kg。V表示體積，單位是ｍ3。說明：①中的公式對固體、液體、氣體、均適用。②只對氣體適用。兩個公式的得出都是根據熱值的定義式得到的。熱機熱機定義：熱機是利用內能來做功，把轉化為的機器。熱機的種類：蒸汽機、內燃機(汽油機和柴油機)、汽輪機、噴氣發(fā)動機等①沖程：活塞在汽缸內往復運動時，從汽缸一端運動到另一端的過程，叫一個沖程。工作過程：內燃機的一個工作循環(huán)由、、、四個沖程組成。在單缸四沖程內燃機中，吸氣、壓縮、做功、排氣一個工作循環(huán)，每個工作循環(huán)，活塞上下。三、熱機效率概念：用來W與Q之比。數學表達式：η＝×100%提高熱機效率的途徑減少各種熱量損失；減少摩擦，保持良好的潤滑；盡可能使燃料充分燃燒。003探究提升知識點一：改變內能的另一種方式：做功圖甲看到棉花燃燒起來了，這是因為活塞壓縮空氣做功，使空氣內能增加，溫度升高，達到棉花燃點使棉花燃燒。鉆木取火：使木頭相互摩擦，人對木頭做功，使它的內能增加，溫度升高，達到木頭的燃點而燃燒。圖乙看到當塞子跳起來時，容器中出現(xiàn)了霧，這是因為瓶內空氣推動瓶塞對瓶塞做功，內能減小，溫度降低，使水蒸氣液化凝成小水滴?！咎骄恐攸c】對物體做功，物體內能增加；物體對外做功，自身內能減少，用做功的方法改變物體內能的過程，實質上是內能與其他形式的能量之間相互轉化過程?！纠}精講】（2023·安徽淮北·統(tǒng)考一模）“摩擦生熱”是生活中常見的現(xiàn)象，關于該現(xiàn)象，下列判斷正確的是（）A．“摩擦生熱”中的“熱”是指熱量B．“摩擦生熱”是通過做功的方式改變物體的內能C．“摩擦生熱”的能量轉化與四沖程汽油機做功沖程相同D．“摩擦生熱”的實質是內能的轉移【鞏固訓練】（2022·四川樂山）下列說法正確的是（）。A.“鉆木取火”是通過做功來改變物體的內能；B.內燃機的吸氣沖程是將內能轉化為機械能的過程；C.物體的質量越大比熱容越大；D.0℃的冰沒有內能知識點二：熱值內能的獲得——燃料的燃燒——化學能轉化為內能。熱值(q)定義：1kg某種燃料完全燃燒放出的熱量，叫做這種燃料的熱值。單位：J/kg公式：Q＝mq（煤氣的熱值是3.9×107J/m3，它表示：1m3煤氣完全燃燒放出的熱量是3.9×107J。火箭常用液態(tài)氫做燃料，是因為：液態(tài)氫的熱值大，體積小便于儲存和運輸。注意：①對于熱值的概念，要注重理解三個關鍵詞“1kg”、“某種燃料”、“完全燃燒”。1kg是針對燃料的質量而言，如果燃料的質量不是1kg，那么該燃料完全燃燒放出的熱量就不是熱值。某種燃料：說明熱值與燃料的種類有關。完全燃燒：表明要完全燒盡，否則1kg燃料化學能轉變成內能就不是該熱值所確定的值。②熱值反映的是某種物質的一種燃燒特性，同時反映出不同燃料燃燒過程中，化學能轉變成內能的本領大小，也就是說，它是燃料本身的一種特性，只與燃料的種類有關，與燃料的形態(tài)、質量、體積等均無關。【探究重點】燃料燃燒放出的熱量與①燃料的種類；②燃料的質量；③燃料是否充分燃燒等因素有關固體或液體燃料完全燃燒放出熱量的計算公式：Q放=mq。其中m為燃料的質量，q為燃料的熱值。氣體燃料完全燃燒釋放出的熱量公式也可為：Q放=qV。其中V為燃料的體積，q為燃料的熱值。【例題精講】（2022·湖北宜昌）關于燃料及其熱值，下列說法中正確的是（）。A.沒有燃燒的燃料，熱值等于零；B.燃料完全燃燒時，它的熱值最大；C.燃料的熱值與質量和燃燒狀態(tài)無關；D.燃料燃燒時溫度越高，放出的熱量越多【鞏固訓練】甲、乙、丙三個裝置完全相同，燃料的質量、燒杯內液體初溫和質量也相同，不考慮熱量損失且液體均未沸騰，下列選項正確的是()A．對比甲、乙兩圖：如果燃料2的熱值較高，最終乙圖中a液體內能較大B．對比乙、丙兩圖：根據液體a、b最終升溫，可以比較兩種液體的比熱容C．對比乙、丙兩圖：若液體b最終升溫較高，則燃料1的熱值較大D．對比甲、丙兩圖：若液體b的比熱容比a大，則升高相同的溫度，液體a加熱時間長知識點三：熱機熱機：利用內能做功的機械叫熱機。熱機的種類：分為蒸汽機、內燃機、汽輪機、噴氣發(fā)動機。內燃機：燃料直接在發(fā)動機氣缸內燃燒產生動力的熱機。內燃機根據其所使用的燃料分為汽油機和柴油機兩類。內燃機的工作原理汽油機：四沖程汽油機的結構—汽缸、活塞、連桿、曲軸、進氣門、排氣門、火花塞。沖程—活塞在氣缸內往復運動時，從汽缸的一端運動到另一端的過程，叫做一個沖程。汽油機的工作過程：吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程。吸氣沖程—靠慣性運動，吸進汽油與空氣的混合物；壓縮沖程—外界對氣體做功，機械能轉化為內能，氣體溫度升高；做功沖程—化學能轉化為內能，氣體溫度升高，氣體對外做功，內能轉化為機械能；排氣沖程—靠慣性運動，排出廢氣。柴油機：四沖程柴油機的結構—汽缸、活塞、連桿、曲軸、進氣門、排氣門、噴油嘴。柴油機的工作過程與汽油機幾乎一樣，但有三個區(qū)別：1）吸氣沖程：汽油機吸進的是汽油和空氣的混合物，柴油機吸進的僅僅是空氣；2）壓縮沖程：汽油機壓縮的是汽油和空氣的混合物，汽油機壓縮的僅僅是空氣；3）做功沖程：汽油機用火花塞點火，柴油機用噴油嘴噴油。汽油機和柴油機的異同點：不同點相同點項目汽油機柴油機(1)構造基本相同都是燃料在氣缸內燃燒，都是內燃機。

(2)都將內能轉化為機械能。

(3)每一個工作循環(huán)都是由吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程組成。構造氣缸頂部有火花塞氣缸頂部有噴油嘴點火方式壓縮沖程末由火花塞放出電火花點燃，稱點燃式壓縮沖程末由噴油嘴向氣缸內噴霧狀柴油遇到高溫高壓的空氣自動燃燒，稱壓燃式燃料汽油、吸氣沖程吸進汽油和空氣混合物柴油、吸氣沖程吸進氣缸的只是空氣壓縮比壓縮沖程末氣體體積被壓縮為吸進體積的1／9至1／6壓縮沖程末氣體體積被壓縮為吸進體積的1／22至1／16做功做功沖程初燃氣壓強為30至50個大氣壓，溫度2000℃至2500℃，高溫高壓的氣體推動活塞做功做功沖程初燃氣壓強為50至100個大氣壓，溫度1700℃至2000℃，高溫高壓的氣體推動活塞做功效率效率較低20％至30％效率較高30％至45％用途輕便，多用于汽車、飛機、小型農機具笨重，多用于拖拉機、載重汽車、輪船等重型機械【探究重點】在單缸四沖程內燃機中，吸氣、壓縮、做功、排氣4個沖程為一個工作循環(huán)，每個工作循環(huán)曲軸轉2周，活塞上下往復2次，做功1次。【例題精講】（2022·山東泰安）如圖所示，用酒精燈給試管中的水加熱，水溫上升，直至沸騰一段時間后，會看到試管口的橡皮塞被沖出。下列描述正確的是（）。A.試管中的水在升溫過程中是通過做功的方式增加內能的；B.試管中的水沸騰時吸收熱量，溫度升高；C.水蒸氣對橡皮塞做功，水蒸氣的內能增加；D.水蒸氣對橡皮塞做功，其能量轉化與汽油機做功沖程的能量轉化相同【鞏固訓練】如圖為汽油機工作循環(huán)中的兩個沖程，關于這兩個沖程的說法正確的是()A．甲圖所示沖程中，汽缸內物體的內能不變B．甲圖所示沖程發(fā)生的能量轉化主要是機械能轉化為內能C．乙圖所示沖程是靠飛輪的慣性完成D．乙圖所示沖程為壓縮沖程知識點四：熱機的效率燃料的利用率：用來做有用功的那部分能量和燃料完全燃燒放出的能量之比。熱機的效率是熱機性能的一個重要指標。汽車發(fā)動機的效率、飛機發(fā)動機的效率、輪船發(fā)動機的效率均屬于熱機的效率，其公式為η=爐具的熱效率：天然氣燃燒放出的熱量是爐具提供的總熱量，Q總=Q放，水吸收的熱量是有用的熱量Q有=Q吸，則η=。電熱水器的效率：電熱絲所產生熱量為Q總，總=Q放，水需要吸收熱量為Q有，有=Q吸，則η=。如果題中物體吸熱只吸收了電阻放熱的80%，則可列方程Q吸=80%Q放，所求量一定在此方程中，用電器的效率問題也可迎刃而解。（具體參考九下電學部分）如果物體吸收的熱量完全由另外燃料燃燒獲得，則可用Q吸=cm(tto)和Q放=mq結合Q吸=Q放來求出所要的物理量。如果物體吸收的熱量只吸收了燃料完全燃燒的80%，則可列方程Q吸=80%Q放，燃料的熱效率問題也可迎刃而解。其它方面與熱有關的問題按以上思路都會找到解題技巧。注意：在計算時，題中各個物理量要一一對應，并且都要化為國際單位。影響燃料利用率的因素有：一是燃料不可能完全充分燃燒，二是燃料燃燒放出的熱量大部分被散失掉了，只有一小部分被有效利用。熱機的效率：用來做有用功的那部分能量和燃料完全燃燒放出的能量之比，叫熱機的效率。熱機的效率是熱機性能的一個重要指標。公式：（）<1。在熱機的各種損失中，廢氣帶走的能量最多，設法利用廢氣的能量，是提高燃料利用率的重要措施。注意：熱機能量的損失：①燃料未完全燃燒（完全燃燒條件：充足空氣，研磨成細顆粒）；②廢氣排出帶走能量（廢氣的利用）；③克服磨擦，消耗能量（使用潤滑劑，減小摩擦）。提高熱機效率的主要途徑：①使燃料充分燃燒；②盡量減少各種損失；③在熱機的時間和制造上，采用先進的技術；④保證良好的潤滑，較小摩擦阻力?！咎骄恐攸c】熱機的效率是熱機性能的一個重要指標，熱機的效率越高，它的機械性能就越好。提高熱機效率的途徑：

①在設計和制造上，要不斷改進和革新，以減少各種能量損失，提高效率。

②在使用上，要正確使用，注意保養(yǎng)。③充分利用廢氣帶走的能量?！纠}精講】（2022·湖南衡陽）汽車的發(fā)動機大多數是內燃機，內燃機是熱機的一種，下列關于熱機和環(huán)境保護的說法，正確的是（）。A.熱機排出的尾氣沒有內能 B.熱機的效率能達到100%C.熱機的大量使用會造成環(huán)境污染 D.汽油機的做功沖程是將機械能轉化成內能【鞏固訓練】（2022·四川自貢）關于能量守恒定律，下列說法正確的是（）。A.能量可以憑空消失；B.能量可以憑空產生；C.能量在轉化和轉移過程中，能量的總量保持不變；D.熱機在工作的過程中不遵循能量守恒定律知識點五：內能與機械能的轉化【探究重點】能量守恒定律：能量既不會消滅，也不會創(chuàng)生，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而在轉化和轉移過程中，能量的總量保持不變。能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天體，小到原子核，也無論是物理學問題還是化學、生物學、地理學、天文學的問題，所有能量轉化的過程，都遵從能量守恒定律?！纠}精講】（2023·北京通州·統(tǒng)考一模）關于內能和機械能，下列說法中正確的有（）A．物體內能增加，溫度不一定升高 B．機械能總是守恒的C．做功是改變物體內能的一種方式 D．機械能和內能可以相互轉化【鞏固訓練】1964年人類制成了世界上第一盞用海浪發(fā)電的航標燈，如圖所示是它的氣室示意圖。它是利用海浪上下起伏的力量將空氣吸入氣室，壓縮后再推入工作室，然后被壓縮的空氣推動渦輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。下列說法正確的是()A．當K1關閉，K2開啟時，空氣的內能轉化為海水的機械能B．當K1關閉，K2開啟時，海水的機械能轉化為空氣的內能C．當K1開啟，K2關閉時，空氣的內能轉化為海水的機械能D．當K1開啟，K2關閉時，空氣的內能轉化為渦輪機的機械能00601強化訓練物體的內能是通過做功方式來改變的是()A．金屬湯勺放到熱湯中，溫度升高 B．食品放進冰箱，溫度降低C．取暖器旁的物體溫度升高 D．反復彎折鐵絲，溫度升高（2023年濱州）下列說法中正確是（）A.物體吸收熱量，溫度一定升高B.冬季取暖用水作為傳熱介質，是利用了水的比熱容大的性質C.四沖程內燃機工作時，壓縮沖程將機械能轉化為內能D.熱機效率越高，功率一定越大如圖為柴油機的四個沖程示意圖，但順序不對，下列相關說法不正確的是()A．甲圖沖程中是吸氣沖程，吸進氣缸的只有空氣B．乙圖沖程中燃料釋放的能量絕大部分轉化為機械能C．在一個工作循環(huán)內，正確的順序是甲→丙→乙→丁D．若它的曲軸轉速是1800r/min，則每鐘對外做功15次關于熱機的效率，下列說法正確的是（）A．總功一定，額外功越少，效率就越高B．熱機做的有用功越多，效率就越高C．熱機消耗的燃料越多，效率就越低D．熱機的功率越大，效率就越高（2023·遼寧大連·統(tǒng)考一模）用打氣筒向廣口瓶內打氣，當瓶塞跳起來時，瓶內出現(xiàn)了“白霧”。此時，迅速塞上瓶塞，繼續(xù)向瓶內打氣，如圖所示，瓶內的“白霧”又會快速消失。請解釋“白霧”又快速消失的原因。（2022·山西?。釞C的效率是衡量汽車發(fā)動機性能的關鍵指標。2020年9月，我國濰柴集團發(fā)布全球首款熱機的效率突破50%的商業(yè)化柴油機，這一成果的意義猶如人類歷史上首次百米賽跑突破10s。立志成為汽車設計師的小明，也想設計改造發(fā)動機，使熱機的效率達80%。考慮影響熱機效率的因素，你認為小明可以在哪些方面改進創(chuàng)新？___________。假如小明的設想實現(xiàn)了，會給我們的生活帶來哪些影響？___________。（寫出一條即可）冬天搓手會讓手暖和，哈氣也會使手暖和，前者是通過___________改變的內能，后者是通過___________改變內能的。關于燃料的熱值，某同學做了以下實驗，如圖所示，甲、乙、丙三圖中的裝置完全相同。燃料的質量都是10g，燒杯內的液體質量也相同。①比較不同燃料的熱值，應選擇______兩圖進行實驗；②假如燃料1為酒精，其熱值為3.0×107J/kg，完全燃燒10g酒精放出的熱量為______J；③假如液體a為水，小明根據實驗數據利用公式算出了水吸收的熱量，結合“10g酒精”這一數據算出了酒精的熱值，這樣做是______(選填“可靠”或“不可靠”)的理由是：______。（2022·湖北宜昌）關于燃料及其熱值，下列說法中正確的是（）。A.沒有燃燒的燃料，熱值等于零；B.燃料完全燃燒時，它的熱值最大；C.燃料的熱值與質量和燃燒狀態(tài)無關；D.燃料燃燒時溫度越高，放出的熱量越多（2022·廣東廣州）下列選項可能符合汽車等熱機能量流向的是（）。A. B.C. D.（2022·江蘇·蘇州市振華中學校模擬預測）如圖是“探究不同物質吸熱升溫的現(xiàn)象”和“比較不同燃料燃燒時放出的熱量”的甲、乙兩組實驗裝置，下列關于該兩組實驗的說法正確的是（）A．每組實驗中，燃料的質量均應相等B．每組實驗中，杯中物質的質量均應相等C．甲組實驗中，可以根據溫度計示數的變化來比較吸熱的多少D．乙組實驗中，可以根據加熱時間的長短來比較吸熱的多少現(xiàn)有兩個使用同一種燃料的加熱器，用它們分別對甲、乙兩種不同的物質加熱。已知甲物質的比熱是乙物質的2倍，甲物質的質量是乙物質的，當甲物質升高的溫度是乙物質的時（甲、乙物質的物態(tài)都不發(fā)生改變），加熱甲物質所用燃料是加熱乙物質的，則兩加熱器利用熱能的效率之比是（）A．1：1 B．1：2 C．3：2 D．2：1（2022·福建?。┤鐖D是我國古代發(fā)明的取火器的模型圖，把木制推桿迅速推入牛角套筒時，桿前端的艾絨立刻燃燒起來，這是通過______的方式，使筒內空氣內能______，溫度升高，達到艾絨的著火點。如圖，汽車內燃機一個工作循環(huán)包括四個沖程，正常工作的四個沖程的順序是______（對甲、乙、丙、丁重新排序），______沖程中內燃機給汽車提供動力，此沖程中能量的轉化是______。飛輪的轉速為3600r/min，則每秒鐘汽油機對外做功______次，活塞往復運動______次。如果這輛汽車每年耗油1.8t，汽車內燃機的效率平均取值29%，如果能把內燃機效率提高1%，我國汽車現(xiàn)在的保有量按3億輛計算，我國每年可以節(jié)約______t燃油。

(1)下面表格是幾種燃料的熱值，則m1:m2=_________；物質熱值1000kJ/kg焦炭30酒精30煤油46汽油46(2)質量為m1的焦炭完全燃燒釋放的熱量全部被140g的液體L吸收，液體溫度升高了40℃；質量為m2的酒精完全燃燒釋放的熱量全部被70g的液體L吸收，液體溫度升高了△t=______℃。(不考慮散熱，液體L均未沸騰)(3)現(xiàn)用如圖裝置加熱70g的液體L，燃燒了質量為m2的酒精，液體升高的溫度小于△t，有哪些原因會導致這個結果？____________________（2022·湖南郴州）水壺內的水沸騰時，壺蓋被水蒸氣頂起，此過程中能量轉化關系與內燃機工作的哪個沖程相同（）。A.吸氣沖程 B.壓縮沖程 C.做功沖程 D.排氣沖程（2022·四川樂山）下列說法正確的是（）。A.“鉆木取火”是通過做功來改變物體的內能；B.內燃機的吸氣沖程是將內能轉化為機械能的過程；C.物體的質量越大比熱容越大；D.0℃的冰沒有內能（2022·湖北十堰）為實現(xiàn)國家關于“碳達峰”“碳中和”目標，東風汽車集團研發(fā)了一款新型汽車。與某款汽車同樣油耗和