第十四章內能的借助第1節熱機
一熱機
1．熱機的工作原理
圖例
原理
水沸騰后，水蒸汽膨脹對木塞__做功__，內能__降低__，氣溫__增加__
燃料燃燒，形成低溫、高壓的煤氣，煤氣推進活塞__做功__，內能__降低__，氣溫__增加__
能量
__物理能____內能____機械能__
2.熱機及其種類
熱機
借助__內能__做功的機械
種類
①內燃機——燃料直接在底盤__氣缸__內燃燒形成動力的熱機。
②蒸汽機、汽輪機、噴氣底盤等
二柴油機和汽油機
內燃機
項目
柴油機
汽油機
構造
氣缸底部是化油器
氣缸底部是噴油嘴
一
個
工
作
循
環
吸氣沖程
吸入__柴油和空氣的混和物__
只吸入__空氣__
壓縮沖程
壓縮程度較小(__機械__能→__內__能)
壓縮程度大(__機械__能→__內__能)
做功沖程
燃起式(__內__能→__機械__能)
壓燃式(__內__能→__機械__能)
排氣沖程
排出廢水
排出廢水
主要特征
輕巧、效率較低
笨重、效率較高
適用范圍
小車輛、小型農業機械、飛機等
載重車輛、拖拉機、火車、輪船等
聯系
①每個工作循環活塞往返__兩__次，飛輪轉動____兩__周，對外做功__一__次。
②吸氣、壓縮和排氣沖程借助飛輪的__慣性__來完成，只有__做功__沖程對外做功
類型一熱機的工作原理
例1如圖14－1－11甲所示，用酒精燈加熱試管中的水，當水沸騰一段時間之后，蓋子被試管內的水蒸汽推出，水蒸汽的能轉化為蓋子的機械能。圖(選填"乙"或"丙")中柴油機的工作過程與這一實驗過程中能量的轉化是一致的。
圖14－1－11
[答案]內乙
[解析]當試管內的水被酒精燈加熱后，水蒸汽的內能逐步減小，最后會把蓋子沖出去，水蒸汽的內能轉化為蓋子的機械能；柴油機的做功沖程是柴油燃燒形成的內能轉化為連桿的機械能，與圖甲所示實驗中能量的轉化一致，由圖可知，圖乙是做功沖程。
[點撥]熱機是借助內能做功的機械，其工作原理是：
圖14－1－12
如圖14－1－12所示為生活中常用的熱射手，其外壁采用鍍鎳的單層玻璃，并將中間抽成真空，這是為了減輕。注入一定量的冷水后，立刻蓋上軟瓶塞，軟瓶塞會跳上去，這一過程中瓶內二氧化碳的能轉化為軟瓶塞的機械能；柴油機的沖程也發生同樣的能量轉化。
[答案]熱量散失(或熱傳遞)內做功
[解析](1)真空可以防止空氣的對流，避免熱傳遞的形成，降低熱量散失，起到保溫作用。(2)軟瓶塞跳上去，機械能減小，這是因為熱射手內二氧化碳膨脹做功引起的，水蒸汽的內能轉化成軟瓶塞的機械能。(3)柴油機在做功沖程中，氣缸內低溫二氧化碳膨脹帶動活塞做功，內能轉化為機械能。
類型二熱機的工作過程
例2如圖14－1－13所示是柴油機工作時各類沖程的示意圖，其中表示做功沖程的是()
圖14－1－13
[解析]C本題考查柴油機工作的四個沖程。做功沖程中進氣門和排氣門都關掉，活塞在低溫、高壓煤氣的作用下向上運動，通過曲軸拉動凸輪對外做功，通過觀察可知C選項正確。
[方式點睛]判定內燃機的沖程，一是認清兩個氣門的開、閉狀態，二是認清活塞的運動方向。兩個
氣門一個打開，一個關掉：活塞向上運動，就是吸氣沖程；活塞向下運動，就是排氣沖程。兩個氣門都關掉：活塞向上運動，就是做功沖程；活塞向下運動，就是壓縮沖程。
類型三柴油機與汽油機
例3(多選)柴油機和汽油機的主要不同點是()
A．在構造上，柴油機缸體底部有化油器，而汽油機的氣缸底部有噴油嘴
B．在吸氣沖程中，柴油機吸入氣缸的是柴油，汽油機吸入氣缸的是汽油
C．在壓縮沖程末，柴油機用燃起式打火，而汽油機采用的是壓燃式打火
D．在壓縮沖程中，柴油機氣缸里的氣溫和浮力比汽油機里的高
[解析]AC該題采用對比法考查柴油機和汽油機，要求識記一些汽油機與柴油機的不同點。
類型四有關內燃機的力、熱綜合估算
例4某四沖程內燃機，飛輪怠速為300r/min，活塞面積為，活塞行程L是0.3m，如果做功沖程中煤氣的平均浮力是5×105Pa，則這臺內燃機的功率是。
[答案]4500
[解析]已知W＝FL，又由于F＝pS，所以W＝pSL，這是每次做功沖程做功的大小，又由于飛輪怠速為300r/min，根據四沖程內燃機的特性，可知每分鐘內燃機做功150次，每秒做功2.5次，所以功率可敘述為：P＝2.5×pSL＝2.5×5×105Pa×120×10－4m2×0.3m＝4500W。
[點撥]本題考查了對內燃機一個工作循環做功次數和飛輪轉數、功率公式、壓強公式的了解與把握，綜合面廣，難度較大，需有較強的綜合能力。
知識點●1熱機的工作原理
1．熱機工作過程中的能量轉化次序是()
A．內能→化學能→機械能
B．物理能→內能→機械能
C．物理能→機械能→內能
D．內能→機械能→化學能
[解析]B熱機的工作過程是：燃料燃燒，燃料的物理能轉化為內能，促使活塞做功，內能轉化為機械能。
知識點●2熱機的工作過程
2．雙缸四沖程內燃機工作時，借助飛輪慣性來完成的沖程是()
A．只有吸氣和壓縮兩個沖程
B．只有壓縮和排氣兩個沖程
C．只有排氣和吸氣兩個沖程
D．有吸氣、壓縮和排氣三個沖程
[解析]D四沖程內燃機工作時，做功沖程是低溫、高壓二氧化碳推進活塞運動，使聯接活塞的凸輪轉動，其他三個沖程都是借助飛輪慣性來完成的。
3．車輛已然成為現代生活中不可缺乏的一部份，現代車輛多數采用柴油機作為底盤，如圖14－1－14所示是四沖程柴油機工作循環示意圖，下述說法中正確的是()
圖14－1－14
A．甲沖程是把機械能轉化為內能
B．乙沖程是把內能轉化為機械能
C．丙沖程是把機械能轉化為內能
D．丁沖程是把內能轉化為機械能
[答案]A
4．內燃機在做功沖程中，低溫二氧化碳迅速膨脹而做功，做功后煤氣的氣溫和內能變化的情況是()
A．濕度增加，內能減低
B．氣溫不變，內能不變
C．氣溫下降，內能減小
D．氣溫增加，內能減小
[解析]A對二氧化碳做功，二氧化碳氣溫下降，內能降低；二氧化碳對外做功，氣溫增加，內能減低。
5．在四沖程柴油機的工作過程中，內能轉化為機械能的沖程是()
A．吸氣沖程B．壓縮沖程
C．做功沖程D．排氣沖程
[答案]C
6．一臺四沖程汽油機的飛輪怠速為600r/min，則1s內()
A．完成10個沖程，做10次功
B．完成5個沖程，做5次功
C．完成20個沖程，做10次功
D．完成20個沖程，做5次功
[解析]D600r/min表示每分鐘飛輪轉動600周，這么1s內飛輪轉動10周，則完成5個工作循環，20個沖程，做5次功。
知識點●3柴油機和汽油機
7．燃料在氣缸內燃燒，促使活塞做功，把內能轉化為機械能的熱機叫。按使用燃料的不同可分為機和機等。
[答案]內燃機柴油汽油
8．圖14－1－15是某內燃機的構造示意圖，則該內燃機為(選填"柴油機"或"汽油機")。
圖14－1－15
[答案]汽油機
[解析]由圖可知，該內燃機有噴油嘴，故該內燃機是汽油機。
一、選擇題
1．如圖14－1－16所示的四種交通工具，不用熱機作為動力機械的是()
圖14－1－16
[解析]A單車是消耗人的風能，轉化為單車的機械能；貨輪、卡車、飛機工作時都要使用化石能源做燃料，燃料燃燒時將內能轉化為機械能驅使它們運動，所以它們都是使用熱機工作的。
"合照、攝影"中的"影"是因為光的折射(凸透鏡成像)產生的倒立、縮小的虛像。
2.下述流程圖是拿來說明雙缸四沖程柴油機的一個工作循環及涉及的主要能量轉化情況的。對圖中①②③④的補充，正確的是()
圖14－1－17
A．①做功沖程②內能轉化為機械能
③壓縮沖程④機械能轉化為內能
B．①壓縮沖程②內能轉化為機械能
③做功沖程④機械能轉化為內能
C．①做功沖程②機械能轉化為內能
③壓縮沖程④內能轉化為機械能
D．①壓縮沖程②機械能轉化為內能
③做功沖程④內能轉化為機械能
[解析]D熱機的四個沖程分別是吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程。壓縮沖程中，活塞上行壓縮氣缸內的二氧化碳，使二氧化碳內能降低，機械能轉化為內能；做功沖程中，低溫、高壓的煤氣推進活塞向上運動熱機的效率知識點，內能轉化為機械能。
3．如圖14－1－18所示，有關這個小蒸氣輪機的說法不正確的是()
圖14－1－18
A．通過熱傳遞的方法降低了燒杯內的水的內能
B．酒精燃燒將內能轉化為物理能
C．蒸氣的內能轉化為輪子的機械能
D．內能的一個重要應用是可以拿來做功
[解析]B酒精燃燒后物理能轉化為內能，通過熱傳遞傳給水，A選項正確。酒精燃燒是把物理能轉化為內能，B選項錯誤。蒸氣對外做功，內能轉化為機械能，C選項正確。內能可以拿來加熱物體，也可以拿來做功，D選項正確。
圖14－1－19
4．(多選)如圖14－1－19所示是四沖程柴油機做功沖程的示意圖。柴油燃燒形成低溫、高壓的二氧化碳推進活塞向上運動。在活塞向上運動的過程中，氣缸內二氧化碳的()
A．內能減低B．氣溫增加
C．密度減小D．分子熱運動推動
[解析]AB在做功沖程中，低溫、高壓的二氧化碳迅速膨脹帶動活塞對外做功，二氧化碳的內能減低，轉化為機械能，二氧化碳的濕度增加，分子熱運動減弱；活塞向上運動，使氣缸中二氧化碳的容積變大，二氧化碳質量一定，因而二氧化碳的密度變小。故選A、B。
5．如圖14－1－20所示，在空可樂瓶內滴少許酒精，用裝有氣門芯的橡皮塞旋緊瓶口，用打氣筒通過氣門芯向瓶內打氣。當氣壓達到足夠大時，橡皮塞將從瓶口沖出，且原先透明的瓶內飽含了霧氣，下述說法正確的是()
圖14－1－20
A．打氣時，瓶內二氧化碳氣溫下降，內能減低
B．打氣時，壓縮二氧化碳做功，內能降低
C．橡皮塞沖出時，二氧化碳對橡皮塞做功，機械能轉化為內能
D．橡皮塞沖出時產生的霧氣是空氣降溫液化成的小液滴
[答案]B
二、填空題
圖14－1－21
6．如圖14－1－21所示，在空氣壓縮引火儀玻璃筒的頂部放一撮干燥的棉被，使勁將活塞迅速向上壓，棉被燃燒上去。此實驗得到的推論是：對(選填"棉被"或"筒內二氧化碳")做功，它的內能會降低。其能量轉化情況與四沖程柴油機的沖程相同。實驗中若果不裝入棉被，將活塞迅速向上壓，筒內二氧化碳氣溫(選填"會"或"不會")下降。
[答案]筒內二氧化碳壓縮會
[解析](1)在空氣壓縮引火儀玻璃筒的頂部放一撮干燥的棉被，使勁將活塞迅速向上壓，棉被燃燒上去，說明壓縮筒內空氣做功，使空氣的內能降低。(2)實驗中，活塞的機械能轉化為空氣的內能，與內燃機的壓縮沖程相像。(3)實驗中，假如不裝入棉被，將活塞迅速向上壓，筒內二氧化碳內能仍減小，氣溫照樣下降。
7．如圖14－1－22所示，在試管內裝些水，用軟瓶塞堵住，加熱使水沸騰，水蒸汽會把軟瓶塞沖開。有的朋友由這個裝置聯想到內燃機，請你用連線反映他的聯想創新的思維過程。
圖14－1－22
酒精燃燒結實氣缸
低溫、高壓水蒸汽活塞運動做功
試管油料燃燒
軟瓶塞沖出低溫、高壓煤氣
[答案]略
8．柴油機是熱機的一種，柴油在氣缸內燃燒時將能轉化為能。如圖14－1－23所示是四沖程柴油機工作狀態示意圖，由圖可以看出，此時它正處在沖程。
[答案]物理內壓縮
[解析]本題考查內燃機的有關知識。柴油在氣缸內燃燒時是將物理能轉化為內能。從柴油機結布光可以看出，兩個氣門關掉，活塞向下運動，這是壓縮沖程。
圖14－1－23
圖14－1－24
.如圖14－1－24所示，由中國自主研制的我國第一部"空氣動力底盤車輛"在第十四屆中國上海國際科技產業博覽會上展出。它是借助壓縮空氣膨脹帶動活塞做功提供動力的，這些車在開動時將空氣的能轉化為能，類似汽油機的活塞做功，排氣口排出的是冷空氣，為紅色環保產品。
[答案]內機械
10．汽油機和柴油機在構造上的區別是：汽油機頂端是，柴油機頂端是；吸氣沖程中，汽油機吸入的是，柴油機吸入的是__。
[答案]噴油嘴化油器空氣柴油和空氣的混和物
[解析]本題主要考查了柴油機和汽油機的區別。柴油機與汽油機在構造上大致是相同的，不同的是柴油機在氣缸底部有化油器，而汽油機卻是噴油嘴；在吸氣沖程中，柴油機吸入氣缸的是柴油和空氣的混和物，而汽油機吸入的只有空氣。
11．科學家發明了一款雙缸六沖程內燃機，它每一個工作循環的前四個沖程與雙缸四沖程內燃機相同，在第四沖程結束后，立刻向氣缸內再度噴水，水在低溫氣缸內迅速汽化成低溫、高壓水蒸汽，帶動活塞再度做功，水蒸汽氣溫(選填"下降""增加"或"不變")，這樣燃燒同樣多的燃料獲得了更多的機械能，增強了熱機的效率。為步入下一個工作循環，這款內燃機的第六沖程是沖程。
[答案]增加排氣
12．爆米花是將甘蔗裝入鋁鍋內熱機的效率知識點，邊加熱邊翻動，一段時間后，"砰"的一聲弄成了小麥花。在這一過程中，先是通過使小麥粒的內能降低；一段時間后，小麥粒內水份受熱膨脹，對粒殼(以上兩空填寫改變物體內能的形式)，使其內能減低，因而將內能轉化為能，在柴油機的四個沖程中，沖程也是這樣的能量轉化。
[答案]熱傳遞做功機械做功
[解析]爆蠶豆花時，將甘蔗粒裝入鋁鍋內加熱，花生粒通過熱傳遞從鋁鍋吸收熱量，其中的水份放熱后氣溫下降、內能減小；當水弄成水蒸汽后容積迅速減小，將柔軟的殼脹破，對粒殼做功，此過程中內能轉化為機械能；在柴油機的四個沖程中，做功沖程也是這樣的能量轉化。
三、簡答題
13．車輛的發明改變了人們的生活形式，事實上人們在很早就在探求著更好的代步工具，西班牙人于1769年制造了世界上第一臺蒸車輛，如圖14－1－25所示是蒸車輛的原理。回答下述問題：
圖14－1－25
(1)原理圖中涉及哪幾種方式的能量？
(2)使車輛往前運動的力是如何形成的？哪幾個力是施力物體？
[答案](1)原理圖中涉及的能量有：物理能、內能和機械能。
(2)蒸車輛將水蒸汽向后噴吐，對空氣施加一個向后的力，按照力的作用是互相的，空氣對蒸車輛有一個往前的反斥力，使蒸車輛往前運動。所以使蒸車輛往前運動的力的施力物體是空氣。
如圖14－1－26所示是小明朋友拍攝的一幅煙花爆燃時的相片。請用所學的知識回答下述問題：煙花內部爆燃時發生的能量轉化過程是轉化為(以上兩空選填"內能"或"機械能")，此過程的能量轉化情況與四沖程柴油機的沖程相像。小明先聽到煙花彈在高空閃耀爆開而后看到爆燃聲，其緣由是：。
圖14－1－26
[答案]內能機械能做功光的傳播速率遠小于聲的傳播速率
[解析]煙花爆燃是煙花上面的燃料發生物理變化，形成低溫、高壓的煤氣，之后膨脹對外做功，促使空氣高速流動而發出爆燃聲，并伴隨濃煙出現；這個過程中發生的能量轉化是物理能→內能→光能、機械能，主要是內能轉化為機械能，這與四沖程柴油機的做功沖程相像。煙花爆燃歲月和聲是同時形成的，因為光的傳播速率遠小于聲的傳播速率，所以我們是先聽到煙花，后看到爆燃聲的。