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第1節(jié) 熱機
第十四章 內(nèi)能的利用
R·九年級上冊
學習目標：
1.知道什么是熱機和熱機中能量的轉(zhuǎn)化。
2.知道四沖程內(nèi)燃機的構(gòu)造和工作原理。
3.了解汽油機和柴油機的主要區(qū)別。
1.熱機：將燃料燃燒時放出的_____能轉(zhuǎn)化為_______能的機械（即利用內(nèi)能做功的機械）。熱機的常見種類有蒸汽機、________、汽輪機、_____________等。
2.內(nèi)燃機：燃料直接在_____________內(nèi)燃燒產(chǎn)生動力的熱機叫做內(nèi)燃機。內(nèi)燃機是現(xiàn)代社會中最常見的一種熱機。生活中，汽車的動力機械就是________。內(nèi)燃機可以分為_________和_________兩大類，它們分別用汽油和柴油作為燃料。
內(nèi)
機械
內(nèi)燃機
噴氣發(fā)動機
發(fā)動機汽缸
內(nèi)燃機
汽油機
柴油機
18世紀第一輛汽車問世時，它的速度只有數(shù)千米每小時，而目前最快的汽車速度已經(jīng)超過了聲速。汽車是如何獲得機械能的呢？
觀察現(xiàn)象，思考這個過程中不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化情況。
1.你看到了什么現(xiàn)象？
水沸騰后橡膠塞沖出，試管口出現(xiàn)“白霧”。
2.如何解釋你看到的現(xiàn)象？
酒精燃燒放出熱量，熱量通過試管傳遞給水，使其內(nèi)能增加，溫度升高，產(chǎn)生大量的水蒸氣，將橡膠塞推出試管口，同時水蒸氣的內(nèi)能減少，溫度降低，液化成小水滴。在試管口形成“白霧”。
3.簡述該過程的能量轉(zhuǎn)化。
酒精燃燒，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；水蒸氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為橡膠塞的機械能。
這個實驗基本展示了蒸汽機的工作原理，是原始的熱機模型。
蒸汽機的雛形——汽轉(zhuǎn)球
一、熱機　
熱機——利用內(nèi)能做功的機械
　　利用內(nèi)能做功的機器有很多，例如蒸汽機、內(nèi)燃機、汽輪機、噴氣發(fā)動機等。
蒸汽機車
蒸汽機車
噴氣發(fā)動機
火箭發(fā)動機
火電站的汽輪機
熱機的種類
熱機介紹視頻
　　世界上第一臺蒸汽機是由古希臘數(shù)學家希羅于1世紀發(fā)明的汽轉(zhuǎn)球，但它只不過是一個玩具而已。
　　瓦特在前人的啟迪下，對蒸汽機作出一系列重大改進，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。他開辟了人類利用能源新時代，標志著工業(yè)革命的開始。
瓦特
　　熱蒸汽為我們提供了強大的推力，把人們從繁重的體力勞作中解放出來。
蒸汽機帶來一場革命！第一次工業(yè)革命！
蒸汽機：鍋爐與汽缸分離，是“外燃機”。
缺點：
體積龐大，車身笨重，熱量損失大，效率低。
鍋爐
汽缸
內(nèi)燃機——燃料直接在發(fā)動機汽缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生動力的熱機
優(yōu)點：
體積小，重量輕，啟動快，效率高。
奔馳1號
　　內(nèi)燃機分為汽油機和柴油機兩大類
　　使用汽油作為燃料的叫汽油機。
　　使用柴油作為燃料的叫柴油機。
內(nèi)燃機的分類
1．構(gòu)造
二、汽油機　
2．工作原理
　　活塞在汽缸內(nèi)往復(fù)運動時，從汽缸的一端運動到另一端的過程，叫做一個沖程。
　　汽油在汽缸里面燃燒時生成高溫高壓的燃氣，推動活塞做功。
3．工作過程
　　點火方式：點燃式
吸氣
壓縮
做功
排氣
甲：吸氣
乙：壓縮
丙：做功
丁：排氣
汽油機工作原理
吸氣沖程
汽油和空氣
進氣門狀態(tài)：
排氣門狀態(tài)：
活塞運動方向：
能量轉(zhuǎn)化：
過程描述：
打開
汽缸中氣體體積增大，壓強減小，大氣壓將汽油和空氣組成的燃料混合物從進氣門壓入汽缸。
向下運動
無
關(guān)閉
壓縮沖程
進氣門狀態(tài)：
排氣門狀態(tài)：
活塞運動方向：
能量轉(zhuǎn)化：
過程描述：
關(guān)閉
活塞向上運動，燃料混合物被壓縮，壓強增大，溫度升高。
向上運動
機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能
關(guān)閉
做功沖程
進氣門狀態(tài)：
排氣門狀態(tài)：
活塞運動方向：
能量轉(zhuǎn)化：
過程描述：
關(guān)閉
壓縮沖程結(jié)束時，火花塞產(chǎn)生電火花，使燃料猛烈燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，推動活塞向下運動，帶動曲軸轉(zhuǎn)動，對外做功。
向下運動
內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能
關(guān)閉
排氣沖程
進氣門狀態(tài)：
排氣門狀態(tài)：
活塞運動方向：
能量轉(zhuǎn)化：
過程描述：
關(guān)閉
氣缸內(nèi)氣體體積減少，氣壓增大，廢氣排出氣缸。
向上運動
無
打開
1．在四個沖程中，哪些沖程發(fā)生了能量的轉(zhuǎn)化？
2．哪個沖程使汽車獲得動力？
3．哪個沖程排出了汽車的尾氣？
想想議議
壓縮沖程把機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；做功沖程把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。
做功沖程
排氣沖程
例1 如圖所示是內(nèi)燃機工作循環(huán)中的一個沖程，它是（ ）
A.壓縮沖程，將化學能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能
B.壓縮沖程，將機械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能
C.做功沖程，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能
D.做功沖程，將機械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能
解析：判斷內(nèi)燃機工作過程屬于哪一個沖程，需分兩步：一是看氣門開閉狀況，二是看活塞運動情況。
B
具體判斷方法是：一氣門打開，若進氣為吸氣沖程，若排氣為排氣沖程；兩氣門都關(guān)閉，活塞向上是壓縮沖程，活塞向下為做功沖程.本題是兩氣門都關(guān)閉，活塞向上是壓縮沖程.壓縮沖程是將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
例2 一臺單缸四沖程汽油機，飛輪轉(zhuǎn)速為6000r/min，則每秒鐘發(fā)動機完成______個沖程，對外做功______次。
200
50
解析：由6000r/min，算出飛輪每秒轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)為 。飛輪轉(zhuǎn)一周完成2個沖程，一個工作循環(huán)為4個沖程，做1次功，飛輪需要轉(zhuǎn)動2周，則每秒完成沖程數(shù)為100×2＝200（個），每秒做功次數(shù)為 ×100＝50（次）。
例3 如圖所示的是汽油機汽化器的工作原理圖，油管的噴嘴為什么要安裝在進氣管的狹窄處？請作出簡要解釋。
解：將油管的噴嘴安裝在進氣管的狹窄處，是因為進氣管狹窄處的空氣流速較大，壓強較小（小于油箱內(nèi)油面的大氣壓），汽油才能在氣壓的作用下流出噴嘴，在高速氣流的沖擊下變成霧狀，與空氣混合。
　　柴油機結(jié)構(gòu)和汽油機相似，但是柴油機汽缸頂部沒有火花塞，而有一個噴油嘴。
噴油嘴
三、柴油機　
噴油嘴
進氣門
活塞
連桿
排氣門
氣缸
曲軸
1．柴油機的構(gòu)造
點火方式：壓燃式
2．工作過程
吸氣沖程
壓縮沖程
做功沖程
排氣沖程
柴油機工作原理
點火方式：壓燃式
吸氣沖程
壓縮沖程
做功沖程
排氣沖程
將空氣吸進氣缸。
活塞向上把空氣壓縮得非常小，空氣的壓強更大，溫度更高。
在壓縮沖程末，汽缸內(nèi)空氣溫度已超過柴油的燃點，此時從噴油嘴噴出的霧狀柴油遇到熱空氣立刻燃燒起來，燃燒放出的熱使得氣體的壓強和溫度急劇升高，從而推動活塞對外做功。
汽油機轉(zhuǎn)速高，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，造價低廉，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，使用維修方便。汽油機在汽車上，特別是小型汽車上大量使用，至今不衰。
柴油機比較笨重，主要用于載重汽車、拖拉機、火車、輪船上。
柴油發(fā)動機與汽油發(fā)動機相比熱效率高30%，因而從節(jié)約能源、降低燃料成本角度上講，柴油發(fā)動機轎車的推廣使用具有重大意義。
汽油機和柴油機的優(yōu)缺點
柴油機和汽油機的區(qū)別與聯(lián)系
相同點：
（1）都是燃料在汽缸內(nèi)燃燒。
（2）都是由吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程構(gòu)成一個工作循環(huán)，活塞往復(fù)運動兩次，曲軸轉(zhuǎn)動兩周，對外做功一次。
（3）壓縮沖程都是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，做功沖程都是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。
不同點：
內(nèi)燃機 項目 汽油機 柴油機
燃料 汽油 柴油
構(gòu)造
工作循環(huán) 吸氣沖程
壓縮沖程
做功沖程
主要特點
主要用途
汽缸頂部是火花塞
汽缸頂部是噴油嘴
吸入汽油和空氣的混合物
吸入空氣
壓縮程度較小
壓縮程度較大
點燃式
壓燃式
輕巧但輸出功率小
笨重但輸出功率大
小汽車和小型農(nóng)業(yè)機
械、低速飛機等
載重汽車、
拖拉機、火車、輪船等
例4 下列關(guān)于柴油機的敘述中，正確的是（ ）
A.柴油機是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置
B.四沖程柴油機每經(jīng)過一個工作循環(huán)，曲軸就要轉(zhuǎn)動兩周
C.汽油機有噴油嘴，柴油機有火花塞
D.汽油機用壓燃式點火，柴油機用點燃式點火
熱機
B
在做功沖程中，汽油機是通過火花塞產(chǎn)生電火花點燃高溫高壓的油氣混合物，是點燃式；
而柴油機是用噴油嘴向遠高于柴油燃點的空氣噴射霧狀柴油而使柴油燃燒的，稱之為壓燃式，故C、D選項錯誤。
×
×
閱讀教材P20《科學世界》——“現(xiàn)代汽車”
現(xiàn)代汽車多數(shù)采用四缸或六缸等多缸發(fā)動機，每個汽缸都進行這種四沖程循環(huán)。
圖14.1-5 汽車的動力系統(tǒng)
例5 某單缸四沖程柴油機的汽缸活塞面積為30cm2，一個做功沖程活塞在汽缸中移動的距離是50mm，滿負荷工作時做功沖程中燃氣的平均壓強為9.0×105Pa，飛輪1min轉(zhuǎn)動1800周，當柴油機滿負荷工作時（不計摩擦），求：
（1）做功沖程中燃氣對活塞的平均壓力；
（2）一個做功沖程中燃氣對活塞做的功；
（3）柴油機的功率.
F = pS
W = Fs
解析：（3）柴油機工作時，飛輪轉(zhuǎn)動兩周，對外做功一次，由此可根據(jù)飛輪的轉(zhuǎn)速求出飛輪1s做功的次數(shù)，從而可以求出柴油機的功率。
s
解：（1）做功沖程燃氣對活塞的平均壓力
F = pS = 9.0×105Pa×30×10-4m2 = 2.7×103N；
（2）一個做功沖程燃氣對活塞的功
W = Fs = 2.7×103N×50×10-3m = 135J；
（3）因為飛輪的轉(zhuǎn)速是1800r/min=30r/s，
每秒做功次數(shù) 次，
柴油機的功率
　　1．內(nèi)燃機壓縮沖程中 能轉(zhuǎn)化為 能；在做功沖程中 能轉(zhuǎn)化為 能。
機械
內(nèi)
機械
內(nèi)
知識點1 熱機
2．依靠飛輪慣性完成的沖程是（ ）
BCD
A
D
B
C
知識點2 汽油機
做功
吸氣
排氣
壓縮
3．汽油機在壓縮沖程工作中物質(zhì)被壓縮，汽缸中的 （ ）
　A．壓強增大，溫度降低
　B．壓強減小，溫度升高
　C．壓強增大，溫度升高
D．壓強減小，溫度降低
C
4．汽油機和柴油機相比較，下列敘述中正確的是（ ）
A．柴油機吸入汽缸的是柴油和空氣的混合物，汽油機吸入的是空氣
B．在壓縮沖程中它們的壓縮程度是一樣的
C．柴油機里推動活塞做功的燃氣的壓強比汽油機里的高
D．在壓縮沖程末，汽油機汽缸內(nèi)的溫度比柴油機的高
C
×
空氣
汽油和空氣的混合物
汽油機的壓縮程度較小，柴油機的較大
×
×
√
知識點3 柴油機
概念
能量轉(zhuǎn)化情況
內(nèi)燃機
汽油機
柴油機
構(gòu)造
一個工作循環(huán)
能量轉(zhuǎn)化
熱機
利用內(nèi)能做功的機械
內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能
應(yīng)用
吸氣、壓縮、做功、排氣
壓縮沖程中機械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能；做功沖程中內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能
內(nèi)燃機 項目 汽油機 柴油機
燃料 汽油 柴油
構(gòu)造
工作循環(huán) 吸氣沖程
壓縮沖程
做功沖程
主要特點
主要用途
汽缸頂部是火花塞
汽缸頂部是噴油嘴
吸入汽油和空氣的混合物
吸入空氣
壓縮程度較小
壓縮程度較大
點燃式
壓燃式
輕巧但輸出功率小
笨重但輸出功率大
小汽車和小型農(nóng)業(yè)機
械、低速飛機等
載重汽車、
拖拉機、火車、輪船等
柴油機和汽油機的區(qū)別：
1.除了飛機、汽車、摩托車之外，你還知道哪些地方用到了熱機？你列舉的這些熱機中哪些是內(nèi)燃機？
解：除了飛機、汽車、摩托車外，還有輪船、拖拉機、收割機、推土機、壓路機、坦克等都使用了熱機，這些熱機都是
內(nèi)燃機。火車可分為電力機車、內(nèi)燃機車和蒸汽機車，其中內(nèi)燃機車使用的是內(nèi)燃機。
（見教材P21 動手動腦學物理）
2.在下圖中，甲為四沖程內(nèi)燃機吸氣沖程的示意圖，圖中畫出了吸氣沖程中活塞和曲軸的位置和進氣門、排氣門的開閉情況。請在圖乙、丙、丁中，分別畫出壓縮、做功、排氣沖程中活塞和曲軸的位置和進氣門、排氣門的開閉情況。
3.從能量轉(zhuǎn)化的角度看，一臺四沖程內(nèi)燃機在一個循環(huán)中
（1）哪個沖程存在著化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程？
（2）哪個沖程存在著內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程？
（3）哪個沖程具有很明顯的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程？
解：（1）做功沖程；
（2）做功沖程；
（3）壓縮沖程。
4.柴油機和汽油機的工作過程有什么相同點，有什么不同點？
解：相同點：
（1）一個工作循環(huán)相同：一般都包括吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程。
（2）能量轉(zhuǎn)化相同：四個沖程的內(nèi)燃機中，吸氣和排氣沖程都不發(fā)生能量轉(zhuǎn)化，壓縮沖程將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；做功沖程將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。
（3）啟動與動力方式相同：都需要外力（人力、電力、重力）啟動，啟動后只有做功沖程對外提供動力，其他三個輔助沖程要靠飛輪的慣性完成。
不同點：
（1）構(gòu)造不同：柴油機汽缸頂部是噴油嘴；汽油機汽缸頂部是火花塞。
（2）吸氣成分不同：柴油機在吸氣沖程中，吸入的只有空氣；汽油機在吸氣沖程中，吸入的是空氣和霧狀汽油的混合物。
（3）點火方式不同：柴油機為壓燃式；汽油機為點燃式。
（4）壓縮程度不同：柴油機對空氣的壓縮程度比汽油機更高，因而可以輸出更大的功率。
4.柴油機和汽油機的工作過程有什么相同點，有什么不同點？

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