内燃机热机效率和环境保护基础知识讲解沪科版初中物理初三上册

内燃机热机效率和环境保护（基础）责编：冯保国【学习目标】1．知道热机中的能量转化。2．知道四冲程热机的构造和工作原理。3．知道燃料的热值及其单位，并知道某种燃料热值的物理意义。4．了解热机效率和环境保护。【要点梳理】要点一、内燃机1.热机：将燃料燃烧时释放的内能转变为机械能的装置，被称为热机。2.内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机，叫内燃机。内燃机中最常见的是汽油机和柴油机。（1）汽油机①汽油机的构造：气缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞。②汽油机的工作过程：吸气、压缩、做功、排气。a.吸气冲程。进气门打开，排气门关闭，活塞由气缸最上端向下运动，汽油和空气的混合物从进气门被吸入气缸。当活塞运动到最下端时，进气门关闭。b.压缩冲程。进气门和排气门都关闭，活塞由气缸的最下端向上运动，燃料混合物被压缩，气缸内温度升高，气压增大。c.做功冲程。在压缩冲程结束后，火花塞产生电火花，点燃燃料混合物。燃料混合物剧烈燃烧，产生高温、高压燃气，推动活塞向下运动，并通过连杆驱使曲轴转动。d.排气冲程。进气门关闭，排气门打开，活塞从气缸最下端向上运动，把废弃排出气缸，为下一个循环做好准备。（2）柴油机①柴油机的构造：气缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、喷油嘴。②柴油机的工作过程：吸气、压缩、做功、排气。a.吸气冲程。进气门打开，排气门关闭，活塞由气缸最上端向下运动，空气从进气门被吸入气缸。当活塞运动到最下端时，进气门关闭。b.压缩冲程。进气门和排气门都关闭，活塞由气缸的最下端向上运动，燃料混合物被压缩，气缸内温度升高，其温度超过柴油的燃点。c.做功冲程。在压缩冲程结束后，由喷油嘴向气缸内喷射雾状的柴油，这些柴油在气缸内高温的空气中剧烈燃烧，产生高温、高压燃气，推动活塞向下运动，并通过连杆驱使曲轴转动。d.排气冲程。进气门关闭，排气门打开，活塞从气缸最下端向上运动，把废弃排出气缸，为下一个循环做好准备。要点诠释：（1）汽油机和柴油机的工作原理：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。（2）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。（3）在一个工作循环中，汽缸内的活塞往复两次，曲轴转动两周。（4）四个冲程中只有做功冲程燃气对外做功，其他三个冲程都是靠飞轮惯性完成的。（5）一个工作循环有两次能量转化，在压缩过程中，机械能转化为内能，在做功过程中，内能转化为机械能。（6）汽油机大多用在小汽车、飞机以及一些轻巧的机械上；柴油机则多用在载重汽车、火车、轮船上等。要点二、燃料的热值把某种燃料完全燃烧放出的热量与与所用该燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值。用字母q表示，单位是：J/㎏。要点诠释：（1）燃料燃烧放出的热量与哪些因素有关：①燃料的种类；②燃料的质量；③燃料是否充分燃烧。（2）燃料完全燃烧放出热量的计算公式：qQm，其中m为燃料的质量，q为燃料的热值。要点三、热机效率热机运转中，对外做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率。要点诠释：（1）热机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。要点四、环境保护1.内能对环境的影响：①空气污染（CO、SO2、酸雨）。②噪声污染。2.保护环境，减小污染措施：①改进燃烧设备，采取集中供热，加装消烟除尘装置。②提高内能的综合利用率，把内能的一次利用变为多次利用（如用余热供暖等）。③充分开发、利用污染小或无污染的能源（如太阳能等）。【典型例题】类型一、内燃机1、下列现象中，利用内能做功的是（）A．冬天在户外时两手相互搓一会儿就暖和了B．刀在砂轮的高速摩擦之下溅出火花C．火箭在“熊熊烈火”的喷射中冲天而起D．盛夏在烈日之下的柏油路面被晒熔化了【思路点拨】本题抓住内能的两个应用：一、利用内能做功；二、利用内能加热物体。【答案】C【解析】A、冬天在户外时两手相互搓一会儿就暖和了，属于利用内能加热物体，不符合题意。B、刀在砂轮的高速摩擦之下溅出火花，属于利用内能加热物体，不符合题意。C、火箭在“熊熊烈火”的喷射中冲天而起，利用内能做功，符合题意。D、盛夏在烈日之下的柏油路面被晒熔化了，属于利用内能加热物体，不符合题意。【总结升华】内能的两个应用：加热、做功。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】D2、（2016•营口三模）柴油机和汽油机在构造上的主要区别是：柴油机气缸顶部有，汽油机气缸顶部有，在吸气冲程中的不同是：汽油机吸入气缸里的是，柴油机吸入气缸里的是。【思路点拨】总结汽油机和柴油机的异同点：①相同点：四个冲程相同，能的转化相同；②不同点：①吸入的物质不同；②结构不同；③压强不同，效率不同；④点火方式不同。【答案】喷油嘴；火花塞；空气与汽油的混合物；空气【解析】（1）汽油机和柴油机在构造上的区别是：汽油机顶部有个火花塞，柴油机顶部有个喷油嘴；（2）在吸气冲程里，汽油机吸入气缸的是汽油和空气的混合物，而柴油机吸入的是空气，故答案为：喷油嘴；火花塞；空气与汽油的混合物；空气。【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、燃料的热值和热机效率3、焦炭燃烧值是3.0×107J/kg，最少燃烧多少克的焦炭才可获得6×103J的热量。【答案与解析】解：答：最少需燃烧0.2g的焦炭。【总结升华】焦炭的燃烧值是3.0×107J/kg，意思是完全燃烧1kg的焦炭，可获得3.0×107J的热量，也就是说燃烧1kg的焦碳最多可获得3.0×107J的热量。因此要得到6×103J的热量最少需焦炭多少，可以将公式Q=qm变形为燃后将数据带入即可。举一反三：【变式】有关热值的概念，下列说法中正确的是（）A．燃料完全燃烧时，它的热量最大B．没有燃烧的燃料，热值等于零C．燃料燃烧时放出的热量越多，热值越大D．燃料的热值与燃烧情况无关【答案】D4、（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】要解决此题，需要掌握热机的效率的概念。热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，比值越大，效率越高。【答案】D【解析】热机效率是指热机有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，所以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。故选D。【总结升华】此题通过考查影响热机效率的几个因素，考查了学生对热机效率的理解。要知道要想提高热机的效率，就要减少热量的损失。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类型三、燃料的利用和环境保护5、学习了“机械能、内能及其转化”的知识后，同学们提出了下面的一些关于利用和开发能源的建议，其中不可行的是（）A．我国煤炭资源丰富，应研究并采用如何让燃料充分燃烧，以减少热量损失的措施B．电力部门应加快进行将内能直接转化为电能的研究，以减少内能在多次转化过程中的损失C．我国应进一步开发利用江河水利资源D．随着资源的不断消耗，应研究出一种既可以不消耗或少消耗能量，又能不断对外多做功的机器【答案】D【解析】A、煤炭在燃烧的过程中，由于燃烧不够充分，导致散失的热量较多，故研究并采用如何让燃料充分燃烧，以减少热量损失的措施是必要的，此项说法正确；B、现在我国的发电主要是火力发电，故研究内能直接转化为电能，以减少内能在多次转化过程中的损失，也是非常必要的．此项说法正确；C、根据我国地利特点，进一步的开发潮汐能，也是可行的．此项说法正确；D、能量既不会消灭，也不会产生，能量在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变；此项说法错误。【总结升华】此题只要考查学生对能量守恒定律的理解，解答时把握好：能量既不能凭空产生也不能凭空消失，总是由一种能量转化为另一种能量，在转化的过程中能的总量保持不变。