第3講熱機(jī)與熱機(jī)效率 教學(xué)目標(biāo)1．熟悉內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行過(guò)程2．掌熱機(jī)效率的計(jì)算知識(shí)點(diǎn)一內(nèi)燃機(jī)1．內(nèi)燃機(jī)，是一種動(dòng)力機(jī)械，它是通過(guò)使燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，并將其放出的熱能直接轉(zhuǎn)換為動(dòng)力的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)燃料的不同分為汽油機(jī)和柴油機(jī)。2．四沖程：吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程3．汽油機(jī)與柴油機(jī)的區(qū)別 不同點(diǎn)汽油機(jī)柴油機(jī)構(gòu)造不同氣缸頂部有火花塞氣缸頂部有噴油嘴燃料不同汽油柴油吸氣沖程吸入的是汽油與空氣的混合物只吸入空氣壓縮沖程氣體體積被壓縮為吸進(jìn)體積的1/6～1/9 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能氣體體積被壓縮為吸進(jìn)體積的1/6～1/22 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能點(diǎn)火方式壓縮沖程末，火花塞產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃燃料，稱為點(diǎn)燃式壓縮沖程末，噴油嘴向氣缸內(nèi)噴進(jìn)柴油遇溫度超過(guò)柴油燃點(diǎn)的空氣而自動(dòng)點(diǎn)燃，稱為壓燃式做功沖程高溫高壓氣體推動(dòng)活塞做功，氣體內(nèi)能減少，轉(zhuǎn)化為飛輪的機(jī)械能內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能高溫高壓氣體推動(dòng)活塞做功，氣體內(nèi)能減少，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)連桿曲軸推動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能效率 效率低，20％～30％效率高，30％～45％ 應(yīng)用機(jī)體較輕，主要用于汽車、飛機(jī)、摩托車等 機(jī)體較重，主要用于載重汽車、火車、輪船等 【內(nèi)燃機(jī)】1．針對(duì)汽油機(jī)的壓縮沖程，下列說(shuō)法中正確的是（　?。?/span>A．氣缸中的工作物質(zhì)壓強(qiáng)增大，溫度降低 B．氣缸中的工作物質(zhì)壓強(qiáng)減小，溫度升高 C．氣缸中的工作物質(zhì)內(nèi)能增大，溫度升高 D．氣缸中的工作物質(zhì)內(nèi)能減小，溫度降低【解答】解：汽油機(jī)的壓縮沖程汽缸里面的氣體質(zhì)量不變，汽缸里面的氣體壓強(qiáng)增大，汽缸里面的氣體溫度升高，所以熱機(jī)工作時(shí)，壓縮沖程將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故選項(xiàng)ABD錯(cuò)誤。故選：C。2．如圖所示，給試管里的水加熱，水沸騰后，水蒸氣推動(dòng)橡皮塞沖出試管口，這個(gè)過(guò)程與選項(xiàng)四沖程汽油機(jī)工作示意圖中，哪一個(gè)沖程的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程是相同的（　?。?/span>A． B． C． D．【解答】解：水沸騰后，水蒸氣推動(dòng)橡皮塞沖出試管口，是水蒸氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，與做功沖程中的能量轉(zhuǎn)化相同；A、圖中，兩氣門都關(guān)閉，活塞上行，汽缸容積變小，是壓縮沖程，此沖程將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；B、圖中，排氣門開啟，活塞上行，氣體流出汽缸，是排氣沖程；C、圖中，兩氣門都關(guān)閉，活塞下行，汽缸容積變大，是做功沖程，此沖程將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；D、圖中，進(jìn)氣門開啟，活塞下行，氣體流入汽缸，是吸氣沖程。故C符合題意，ABD不合題意。故選：C。3．關(guān)于下列四幅圖，下列說(shuō)法中不正確的是（　　）A．裝置在持續(xù)加熱一段時(shí)間后，塞子飛出的過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能減少 B．裝置從打氣到瓶塞跳出之前，瓶?jī)?nèi)氣體和打氣筒內(nèi)能改變方式相同 C．如圖顯示的是汽油機(jī)的做功沖程，在這個(gè)工作過(guò)程中內(nèi)能不斷增大 D．圖中火箭加速上升階段，搭載的衛(wèi)星的機(jī)械能增大【解答】解：A、在試管內(nèi)裝些水，用橡膠塞塞住，加熱使水沸騰，會(huì)看到塞子受到水蒸氣的壓力而沖出去，此過(guò)程蒸氣對(duì)外做功，內(nèi)能減小，溫度降低，故A正確；B、用打氣筒向瓶?jī)?nèi)打氣的過(guò)程中壓縮瓶?jī)?nèi)空氣做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；活塞克服與筒壁間的摩擦做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，屬于做功改變物體的內(nèi)能，瓶?jī)?nèi)氣體和打氣筒內(nèi)能改變方式相同，故B正確；C、汽油機(jī)的做功沖程中，燃?xì)鈱?duì)活塞做功，燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以燃?xì)獾膬?nèi)能減少，故C錯(cuò)誤；D、火箭加速上升的過(guò)程中，搭載的衛(wèi)星的質(zhì)量不變，其速度增大、高度增大，所以動(dòng)能和重力勢(shì)能都增大，即機(jī)械能增大，故D正確。故選：C。 知識(shí)點(diǎn)二熱值1．含義熱值表示燃料質(zhì)量的一種重要指標(biāo)。單位質(zhì)量（或體積）的燃料完全燃燒時(shí)所放出的熱量。常用的熱值單位，J/kg（固體燃料和液體燃料），或J/m3（氣體燃料），符號(hào)q。熱值反映了燃料燃燒特性，即不同燃料在燃燒過(guò)程中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的本領(lǐng)大小，不隨質(zhì)量、體積的變化而變化。2．公式q=Q放/m(固體）；q=Q放/v(氣體）【內(nèi)燃機(jī)】1．關(guān)于燃料的熱值，以下說(shuō)法正確的（　?。?/span>A．燃料不完全燃燒時(shí)的熱值比完全燃燒時(shí)的熱值小 B．0.5g汽油和2kg汽油，它們的熱值是一樣的 C．當(dāng)燃料未燃燒時(shí)，其熱值為零 D．煤油的熱值比酒精大，就是說(shuō)煤油完全燃燒放出的熱量比酒精多【解答】解：AC、燃料的熱值只與燃料的種類有關(guān)，與燃料的燃燒情況無(wú)關(guān)，故AC錯(cuò)誤；B、燃料的熱值只與燃料的種類有關(guān)，與燃料的質(zhì)量無(wú)關(guān)，所以0.5g汽油和2kg汽油的熱值是一樣的，故B正確；D、煤油的熱值比酒精大，意思是在質(zhì)量相同時(shí)煤油完全燃燒放出的熱量比酒精多，故D錯(cuò)誤。故選：B。2．關(guān)于熱值下列說(shuō)法正確的是（　　）A．燃料燃燒不完全時(shí)熱值變小 B．燃料熱值越大，燃燒放出的熱量越多 C．2kg煤的熱值大于1kg同種煤的熱值 D．燃料熱值是燃料的特性，與其他因素?zé)o關(guān)【解答】解：A、熱值與燃料是否完全燃燒無(wú)關(guān)，故A錯(cuò)誤；B、燃料的熱值越大，只有在相同質(zhì)量并且完全燃燒的情況下，放出的熱量才越多，質(zhì)量少、燃燒不完全放出的熱量就少，故B錯(cuò)誤；CD、熱值是燃料本身的特性，只與燃料的種類有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)，故C錯(cuò)誤、D正確。故選：D。3．一瓶酒精用掉一半，關(guān)于剩下的酒精，下列判斷正確的是（　?。?/span>A．密度變?yōu)樵瓉?lái)的一半 B．比熱容不變 C．溫度變?yōu)樵瓉?lái)的一半 D．熱值變?yōu)樵瓉?lái)的一半【解答】解：一瓶酒精用掉一半，剩下酒精的質(zhì)量變小了，體積變小了，溫度沒有發(fā)生變化；密度、比熱容、熱值是物質(zhì)的特性，其大小都與質(zhì)量無(wú)關(guān)，所以密度、比熱容、熱值都不變；故B正確。故選：B。知識(shí)點(diǎn)三熱機(jī)效率1．含義轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>有用功的熱量跟燃料燃燒時(shí)放出的熱量的比叫做熱機(jī)的效率，也叫熱機(jī)的有效效率。通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。2．公式η=Q有/Q放×100%【熱機(jī)效率】1．甲、乙兩種燃料完全燃燒放出的熱量與其質(zhì)量關(guān)系的圖象如圖所示，下列分析正確的是（　?。?/span>A．甲燃料的熱值小于乙燃料的熱值 B．使用甲燃料的熱機(jī)做的有用功一定更多 C．完全燃燒相同質(zhì)量的兩種燃料，甲放出的熱量更多 D．使用甲燃料的熱機(jī)效率一定高，但是熱機(jī)效率肯定小于 100%【解答】解：A、由圖可知，取相同質(zhì)量時(shí)，Q甲＞Q乙，根據(jù)q＝可知，q甲＞q乙，即甲燃料的熱值大于乙燃料的熱值，故A錯(cuò)誤；BD、甲燃料的熱值大，由Q放＝mq可知，完全燃燒相同質(zhì)量的甲燃料和其它燃料相比，甲放出的熱量多，但使用甲燃料的熱機(jī)做的有用功不一定多；使用甲燃料的熱機(jī)做的有用功與燃料完全燃燒放出的熱量之比不一定大，使用甲燃料的熱機(jī)效率不一定高（熱機(jī)效率肯定小于 100%是正確的），故BD錯(cuò)誤；C、甲燃料的熱值大于乙燃料的熱值，由Q放＝mq可知，完全燃燒相同質(zhì)量的甲、乙燃料，甲放出的熱量大于乙燃料，故C正確；故選：C。2．關(guān)于熱機(jī)的效率，下列說(shuō)法正確的是（　?。?/span>A．熱機(jī)的效率越高說(shuō)明做功越快 B．熱機(jī)的效率越高，在做功同樣多的情況下消耗的能量越多 C．熱機(jī)損失的能量中，廢氣帶走的能量較少，主要是由于機(jī)械摩擦損失的D．一般情況下柴油機(jī)的效率比汽油機(jī)的高【解答】解：A、熱機(jī)的效率越高說(shuō)明用來(lái)做有用功的能量占燃料完全燃燒產(chǎn)生的能量之比大，做功越快是指功率大，功率和效率沒有關(guān)系，故A錯(cuò)誤；B、熱機(jī)的效率是指用來(lái)做有用功的能量與燃料完全燃燒產(chǎn)生的能量之比，當(dāng)熱機(jī)做一定的有用功，消耗的燃料越少，效率一定越高，故B錯(cuò)誤；C、熱機(jī)損失的能量中，主要有廢氣帶走的能量，故C錯(cuò)誤；D、柴油機(jī)的效率一般要高于汽油機(jī)，故D正確。故選：D。3．如圖是某型號(hào)的消防車，其部分相關(guān)數(shù)據(jù)如下表，該車通過(guò)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供噴水動(dòng)力。在噴水作業(yè)的過(guò)程中，（已知柴油的熱值為4.0×107J/kg，g＝10N/kg）求：型號(hào)***消防車整車質(zhì)量m25t水箱容積V8m3噴嘴橫截面積S4cm2噴水壓強(qiáng)p1×106Pa（1）噴嘴處噴水時(shí)受到的噴水壓力是多少？（2）若將滿箱水全部噴到50m高的著火點(diǎn)處，這一過(guò)程中克服整箱水的重力做的有用功是多少？（3）若這次消防車噴水效率是10%，此過(guò)程需要消耗柴油的質(zhì)量是多少？【解答】解：（1）根據(jù)p＝知，噴嘴處噴水時(shí)受到的噴水壓力為：F＝pS＝1×106Pa1×4×10﹣4m2＝400N；（2）根據(jù)ρ＝知，水的質(zhì)量為：m＝ρV＝1.0×103kg/m3×8m3＝8×103kg，水的重力為：G＝mg＝8×103kg×10N/kg＝8×104N，克服整箱水的重力做的有用功為：W＝Gh＝8×104 N×50m＝4×106J；（3）根據(jù)η＝知，燃料完全燃燒放出的熱量為：Q放＝＝＝4×107J由Q＝mq知，消耗柴油的質(zhì)量為：m′＝＝＝1kg。答：（1）噴嘴處噴水時(shí)受到的噴水壓力是400N；（2）若將滿箱水全部噴到50m高的著火點(diǎn)處，這一過(guò)程中克服整箱水的重力做的有用功是4×106J；（3）若這次消防車噴水效率是10%，此過(guò)程需要消耗柴油的質(zhì)量是1kg。4．我國(guó)自主研制的某型新一代戰(zhàn)斗機(jī)，具備超音速巡航、電磁隱身、超機(jī)動(dòng)性、超視距攻擊等優(yōu)異性能，該飛機(jī)最大起飛質(zhì)量為3.7×104kg，最大飛行高度達(dá)2×104m，最大航行速度達(dá)2.5倍聲速，最大載油量為104kg．飛機(jī)航行時(shí)所受阻力的大小與速度的關(guān)系見下表（其中一格數(shù)據(jù)漏填）：速度v/（m/s）100200300400500阻力f/N0.3×1041.2×1042.7×104 7.5×104飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油完全燃燒的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率是30%，飛機(jī)使用的航空燃油的熱值為5×107J/kg（1）飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)完全燃燒104kg燃油放出的熱量為多少焦？（2）當(dāng)飛機(jī)以400m/s的速度巡航時(shí)，飛機(jī)航行時(shí)所受阻力的大小是　4.8×104　N；當(dāng)飛機(jī)以300m/s的速度巡航時(shí)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率是多少？（3）某次執(zhí)行任務(wù)時(shí)，駕駛員發(fā)現(xiàn)飛機(jī)的油量還有5.4×103kg，若以500m/s的速度巡航，則飛機(jī)最多還能飛行多少？【解答】解：（1）完全燃燒104kg燃油放出的熱量：Q＝mq＝1×104kg×5×107J/kg＝5×1011J；（2）由表中數(shù)據(jù)可知，飛機(jī)所受阻力與速度的平方成正比，即f1：f2＝v12：v22，則飛機(jī)以400m/s的速度巡航時(shí)，所受阻力：f4＝f1＝×0.3×104N＝4.8×104N；當(dāng)飛機(jī)以300m/s的速度巡航時(shí)，由表格數(shù)據(jù)可知，此時(shí)的阻力為2.7×104N，此時(shí)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率：P＝＝＝F3v3＝f3v3＝2.7×104N×300m/s＝8.1×106W＝8.1×103kW；（3）飛機(jī)的油量還有5.4×103kg，則這些燃油放出的熱量：Q′＝m′q＝5.4×103kg×5×107J/kg＝2.7×1011J；由η＝得還能做的有用功：W＝30%×Q′＝30%×2.7×1011J＝8.1×1010J，由表格數(shù)據(jù)可知，速度500m/s時(shí)的阻力為：f5＝7.5×104N；由W＝Fs＝fs可得飛機(jī)最多還能飛行的路程：s＝＝＝1.08×106m＝1080km。答：（1）飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)完全燃燒104kg燃油放出的熱量為5×1011J；（2）4.8×104；當(dāng)飛機(jī)以300m/s的速度巡航時(shí)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率是8.1×103kW；（3）某次執(zhí)行任務(wù)時(shí)，駕駛員發(fā)現(xiàn)飛機(jī)的油量還有5.4×103kg，若以500m/s的速度巡航，則飛機(jī)的最多還能飛行1080km。5．2019年，常州首批無(wú)人駕駛公交車在常州科教城投入運(yùn)行。某無(wú)人駕駛公交車在一段平直公路上勻速行駛5.52km，用時(shí)9min12s，消耗燃油2L．已知無(wú)人駕駛公交車的牽引力是4000N，燃油的密度為0.75×103kg/m3，熱值為4.6×107J/kg，假設(shè)燃油完全燃燒。求此過(guò)程中：（1）無(wú)人駕駛公交車行駛速度；（2）燃油完全燃燒時(shí)放出的熱量；（3）無(wú)人駕駛公交車牽引力做功的功率；（4）無(wú)人駕駛公交車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。【解答】解：（1）無(wú)人駕駛公交車的速度為：v＝＝＝10m/s；（2）消耗燃油的質(zhì)量：m＝ρV＝0.75×103kg/m3×2×10﹣3m3＝1.5kg，燃油完全燃燒放出的熱量：Q放＝mq＝1.5kg×4.6×107J/kg＝6.9×107J；（3）無(wú)人駕駛公交車牽引力做的功為：W＝Fs＝4000N×5520m＝2.208×107J，無(wú)人駕駛公交車牽引力做功的功率為：P＝＝＝4×104W；（4）無(wú)人駕駛公交車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率為：η＝×100%＝×100%＝32%。答：（1）無(wú)人駕駛公交車行駛速度為10m/s；（2）消耗的燃油完全燃燒放出的熱量6.9×107J；（3）無(wú)人駕駛公交車牽引力做功的功率4×104W；（4）無(wú)人駕駛公交車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率為32%。  

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