内燃机热机效率和环境保护提高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（提高）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。汽油机和柴油机的异同点：不同点相同点项目汽油机柴油机（1）构造基本相同都是燃料在气缸内燃烧，都是内燃机。（2）都将内能转化为机械能。（3）每一个工作循环都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。构造气缸顶部有火花塞气缸顶部有喷油嘴点火方式压缩冲程末由火花塞放出电火花点燃，称点燃式压缩冲程末由喷油嘴向气缸内喷雾状柴油遇到高温高压的空气自动燃烧，称压燃式燃料汽油、吸气冲程吸进汽油和空气混合物柴油、吸气冲程吸进气缸的只是空气压缩比压缩冲程末气体体积被压缩为吸进体积的1／9至1／6压缩冲程末气体体积被压缩为吸进体积的1／22至1／16做功做功冲程初燃气压强为30至50个大气压，温度2000℃至2500℃，高温高压的气体推动活塞做功做功冲程初燃气压强为50至100个大气压，温度1700℃至2000℃，高温高压的气体推动活塞做功效率效率较低20％至30％效率较高30％至45％用途轻便，多用于汽车、飞机、小型农机具笨重，多用于拖拉机、载重汽车、轮船等重型机械要点诠释：（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、（2016•岱岳区模拟）柴油机工作一个循环需四个冲程，其中由机械能转化为内能的是（）A．吸气冲程B．压缩冲程C．做功冲程D．排气冲程【思路点拨】内燃机的四个冲程有吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，将机械能转化为内能的是压缩冲程，将内能转化为机械能的是做功冲程。【答案】B【解析】在汽油机一个工作循环的四个冲程中，在压缩冲程中，压缩燃料的混合物做功，将机械能转化为内能，温度升高、内能增加；在做功冲程中，高温高压的燃料被点燃燃烧形成高温高压的燃气，燃气膨胀做功，将内能转化为机械能，故选B。【总结升华】本题主要考查对热机一个工作循环中各冲程情况的了解以及工作的实质，并掌握涉及能量转化的两个冲程。2、（2015•南京二模）某四冲程汽油机工作时转速是2400r/min。关于此热机的工作下列说法正确的是（）A．压缩冲程中内能转化为机械能B．四个冲程中曲轴转动2圈，同时做功2次C．此汽油机每秒对外做功10次D．此汽油机每秒对外做功20次【答案】D【解析】A、做功冲程中将混合气体剧烈燃烧产生的高温高压的燃气内能转化为活塞运动的机械能，故A错误；B、四冲程内燃机，曲轴转动两周，对外做功一次，故B错误；C、D、汽油机的转速为2400R/min，说明1s内汽油机曲轴的转动次数等于2400/60=40。一个工作循环中，曲轴转动两周，对外做功一次，1s内曲轴转动40次，对外做功20次，故C错误、D正确。【总结升华】此题考查内燃机做功冲程中能量的转化，以及内燃机转速的计算。在四冲程汽油机中，一个工作循环，曲轴转两圈，对外做功一次，这个知识是平常学习中比较容易忽视的，需要引起注意。举一反三：【变式】单缸四冲程内燃机工作时，依靠飞轮的惯性来完成的冲程有（）A、吸气、做功和排气冲程B、吸气、压缩和做功冲程C、压缩、做功和排气冲程D、吸气、压缩和排气冲程【答案】D3、如图，表示做功冲程的示意图是()【答案】B【解析】内燃机的工作过程是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。在做功冲程里进气门、排气门关闭，高温高压燃气推动活塞向下运动，活塞又通过连杆使曲轴转动。由图来判断，(B)图中进气门、排气门关闭，活塞向下运动，应为做功冲程。【总结升华】对内燃机四个冲程的判断，要结合气门和活塞运动情况进行判断。举一反三：【变式】（2015•滨州中考）汽车已经成为现代生活不可缺少的一部分，汽车多数采用汽油机作为发动机，如图是四冲程汽油机的工作循环示意图，下列说法中不正确的是（）A、甲冲程是把机械能转化为内能B、乙冲程是排气冲程C、丙冲程是把机械能转化为内能D、丁冲程是吸气冲程【答案】C类型二、燃料的热值和热机效率4、质量是500g的铁壶内装有2kg15℃的水，把这壶水加热到100℃，共需要吸收多少焦耳的热量？如果这些热量全部由木炭的燃烧来提供，需要完全燃烧多少kg的木炭？（，木炭的燃烧值）【思路点拨】（1）知道水和铁的质量、比热容、初温和末温，利用吸热公式Q吸=cm△t求水吸收的热量和铁壶吸收的热量；（2）由题知Q吸=Q放，根据公式Q放=mq求出需要燃烧木炭的质量。【答案与解析】先求出铁壶吸收的热量，然后再求出水吸收的热量，两部分热量加起来，就是总共吸收的热量，那么这些热量就是木炭完全燃烧所放出的热量，然后再求木炭的质量，解法如下：；；，。答：这壶水共吸收的热量为733550J，需完全燃烧木炭约21.6g。【总结升华】本题考查学生对吸热公式Q吸=cm△t和Q放=qm的掌握和运用，属于必会题。举一反三：【变式】无烟煤的热值大于干木柴的热值，则（）A、烧无烟煤比烧干木柴产生的热量多B、要使它们放出同样多的热量，完全燃烧的无烟煤的质量小于完全燃烧的干木柴的质量C、烧无烟煤比烧干木柴产生的烟尘多D、煤比木柴含有的热量多【答案】B5、一辆汽车的发动机输出功率为66.15kw，每小时耗柴油14kg，请计算发动机的效率。（柴油的燃烧值为4.3×107J/kg）【思路点拨】热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，则。【答案与解析】发动机每小时做的功W=Pt=66150W×3600s=2.38×108J；完全燃烧14kg柴油放出的能量Q总=4.3×107J/kg×14kg=6.02×108J；做有用功的能量Q有=W=2.38×108J，。发动机的效率是39.5％。【总结升华】计算发动机的热效率可根据热机效率的定义，先求出发动机做的有用功和消耗的燃料完全燃烧放出的能量。然后再求效率。举一反三：【变式】做同样多的功，甲柴油机用3小时，消耗2千克柴油，乙柴油机用2小时，消耗了3千克柴油，则（）A、甲的功率大，效率高B、甲的功率大，效率低C、乙的功率大，效率高D、乙的功率大，效率低【答案】D