初中九年级物理热机能量的转化和守恒基础知识讲解

热机、能量的转化和守恒（基础）【学习目标】1．了解内能的利用在人类社会发展史上的重要意义，知道常见的热机——内燃机工作过程及其在历史、现实生活中的应用实例；2．从能量转化的角度认识燃料的热值；3．知道能量守恒定律，并能用能量转化与守恒的观点分析物理现象；4．通过能量的转化和转移，进一步认识效率的概念。【要点梳理】要点一、热机（高清课堂《热机、能量的转化和守恒》二、热机）利用燃料燃烧释放出能量做功的机械，叫做热机。常见的热机有：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。要点诠释：（1）内能利用的两种方式：加热、做功。（2）内燃机及其工作原理：①内燃机：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机。内燃机分为汽油机和柴油机，它们分别用汽油和柴油作为燃料。②内燃机的工作原理：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。（3）内燃机的四个冲程：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，汽油机是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的。在一个工作循环中，汽缸内的活塞往复两次，曲轴转动两周。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。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。汽油机柴油机（4）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二、热值我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。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：Q放=mq。其中m为燃料的质量，q为燃料的热值。要点三、热机的效率热机工作时，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫做热机的效率。要点诠释：（1）热机的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、能量的转化和守恒（高清课堂《热机、能量的转化和守恒》三、能量的转化和守恒定律）1．常见的能量形式有：机械能、内能、电能、光能、化学能等。这些不同形式的能在一定的条件下可以相互转化。如摩擦生热是机械能转化为内能；水电站里的水轮机带动发电机发电是机械能转化为电能。2．能量的转化和守恒定律：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。要点诠释：定律中能的转化，是指通过做功，能的形式发生了变化，一种形式的能转化为另一种形式的能。如钻木取火，就是通过克服摩擦做功，使机械能转化为内能。能的转移，是指同一种能从一个物体转移到另一个物体上，能的形式没有变化，如热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体。【典型例题】类型一、热机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】（高清课堂《热机、能量的转化和守恒》例2）下面是汽油机工作的四个冲程，其中将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【答案】B类型二、燃料的热值和热机效率3、（2015•大连中考）某工厂利用地热温泉水辅助冬季供暖．地热温泉每天出水量为2.5×104kg，温泉水的初温是80℃，供暖后温度降低到40℃．温泉水的比热容是4.2×103J/（kg•℃）。试求：（1）这些温泉水每天放出的热量是多少？（2）若这些热量由热值为3.0×107J/kg的焦炭提供，至少需要完全燃烧多少千克的焦炭？【答案与解析】（1）温泉水放出的热量：Q放=c水m水△t=4.2×103J/（kg•℃）×2.5×104kg×（80℃-40℃）=4.2×109J；（2）由题知，Q放=Q吸=4.2×109J，由Q放=mq得需要焦炭的质量：974.210J==140kg3.010J/kgQmq放炭。答：（1）这些温泉水每天放出的热量是4.2×109J；（2）若这些热量由热值为3.0×107J/kg的焦炭提供，至少需要完全燃烧140kg的焦炭。【总结升华】本题考查了学生对物体放热公式和燃料完全放热公式的掌握和运用，属于基础题目。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】在热机中，用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫热机的效率；提高热机效率的方法有：使燃料尽可能充分燃烧；减少运动部件摩擦发热的损失；减少废气带走的热量。【答案】D【解析】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。【总结升华】增强节能意识，提倡低碳生活，提高能源利用率。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、能量守恒定律5、学习了“能量的转化和守恒”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。