初中九年级物理热机能量的转化和守恒提高知识讲解

热机、能量的转化和守恒（提高）【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）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、轮船等重型机械汽油机柴油机要点二、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。③充分利用废气带走的能量。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、（多选）下列现象中利用内能加热的是（）A、晾晒稻谷B、喷气式飞机在空中飞行C、用高炉熔化铁D、燃气推动发动机叶轮【答案】AC【解析】选项A中太阳照在稻谷上，使稻谷的温度升高，内能增大，能量的形式末变，是利用内能加热；选项B中，燃料燃烧获得的内能转化成了飞机的机械能，能量的形式发生了变化；选项C中，炉子传热给铁，使铁熔化，能量的形式未发生变化；选项D中，燃气推动发动机叶轮转动，燃气的内能转化为叶轮的机械能，能量的形式发生了变化，所以选项C和A正确。【总结升华】判断内能的利用途径可以从能量的形式是否发生转化这一特征入手。2、（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。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、（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【解析】热机的四个冲程，吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。甲图：气门都关闭，活塞向上运行，气缸容积减小，是压缩冲程，将机械能转化为了内能，A正确；乙图：排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程，B正确；丙图：气门都关闭，活塞向下运行，气缸容积增大，是做功冲程，将内能转化为了机械能，C错误；丁图：进气门打开，活塞向下运行，气缸容积增大，是吸气冲程，D正确，【总结升华】此题考查了对内燃机四个冲程的判断以及涉及能量转化的两个冲程，要结合气门和活塞运动情况进行判断。举一反三：【变式】（2015•乌鲁木齐中考）家用轿车四冲程汽油机工作时为轿车提供动力的冲程是（）A、吸气冲程B、压缩冲程C、做功冲程D、排气冲程【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g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类型三、能量守恒定律6、指出下列现象中能量的转化或转移情况(1)植物的光合作用；(2)雨天时发生雷电；(3)人在跑步时，身体发热出汗；(4)手摇发电机发电使灯泡发光；(5)风吹动帆船前进。【答案与解析】(1)植物利用太阳光进行化学合成，是光能转化为化学能。(2)雷电是把电能变为声能和光能。(3)人跑步时身体发热，是身体剧烈运动时，加速人体内新陈代谢的生理机能，把人体内储存的化学能转化为内能。(4)手摇发电机发电使灯泡发光，是机械能转化为电能，电能又转化为内能、光能。(5)空气的流动形成风，具有机械能，帆船前进具有的仍是机械能，这里没有能量的转化而只是能量的转移。【总结升华】物体间发生能量转移时，能量的形式不变；而发生能量的转化时，能的形式要发生改变，在确定能量转化的方向时，可从消耗什么能，得到什么能进行比较来确定。举一反三：【变式】（高清课堂《热机、能量的转化和守恒》例5）下列对能量转化分析错误的是（）A、水电站主要将机械能转化为电能B、核电站主要将核能转化为电能C、太阳能热水器主要将太阳能转化为内能D、热机主要将机械能转化为电能【答案】D