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第十二章 機(jī)械能和內(nèi)能
第4節(jié) 機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化
除了熱傳遞外,還有什么途徑可以改變物體的內(nèi)能?
冬天手冷時(shí)搓手
從滑梯上滑下,褲子會(huì)?
思考
快速彎折鐵絲
為什么它們會(huì)發(fā)熱呢?
力在做功
是發(fā)生了熱傳遞嗎?
觀察實(shí)驗(yàn)
① 描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
② 實(shí)驗(yàn)中硝化棉的作用是什么?
③ 實(shí)驗(yàn)中誰對(duì)誰做功?
空氣壓縮引火儀
觀察思考
硝化棉花
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】
空氣
被壓縮
空氣溫度升高
(內(nèi)能增大)
熱傳遞
對(duì)物體做功,可以使物體的內(nèi)能會(huì)增大;
做功是改變物體內(nèi)能的另一方式
研究對(duì)象是___________________。
放入棉花的目的是____________________________。
空氣,而不是硝化棉
利用轉(zhuǎn)換法顯示空氣溫度升高
空氣壓縮引火儀
棉花燃燒了
【原理分析】
棉花點(diǎn)燃
人通過活塞對(duì)空氣
施加壓力做功
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】
【能量轉(zhuǎn)化】
活塞的 轉(zhuǎn)化為
物體的 。
機(jī)械能
內(nèi)能
觀察實(shí)驗(yàn)
①描述觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,此現(xiàn)象形成的原因是什么?
②瓶?jī)?nèi)放水的作用?
③實(shí)驗(yàn)中誰對(duì)誰做功?
觀察思考
觀察思考
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】
物體對(duì)外做功,物體的內(nèi)能會(huì)減小
研究對(duì)象是___________________。
放入水的目的是____________________________________。
空氣(包括水蒸氣)
利用轉(zhuǎn)換法顯示空氣內(nèi)能(溫度)變化
木塞被頂飛,瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)水霧
【原理分析】
對(duì)木塞做功
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】
水霧
瓶?jī)?nèi)空氣溫度降低
內(nèi)能減小
水蒸氣液化
木塞被頂飛
空氣
【能量轉(zhuǎn)化】
空氣的 轉(zhuǎn)化為
物體的 。
內(nèi)能
機(jī)械能
對(duì)物體做功,內(nèi)能增加,溫度升高。
物體對(duì)外做功,內(nèi)能減少,溫度降低。
結(jié)論
總結(jié)
做功改變內(nèi)能的本質(zhì):
機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化
【能量變化】
如圖所示,在試管里裝入一些水,用軟木塞塞住,加熱使水沸騰,水蒸氣會(huì)把軟木塞沖開。在這一過程中,水蒸氣膨脹時(shí)對(duì)軟木塞 ,消耗了水蒸氣的一部分 能,轉(zhuǎn)化為軟木塞的 能。
做功
機(jī)械
內(nèi)
典型例題
流星雨的產(chǎn)生是流星體與地球大氣層相摩擦的結(jié)果
機(jī)械能 內(nèi)能
打氣時(shí),筒壁發(fā)燙
機(jī)械能 內(nèi)能
蒸汽機(jī)
內(nèi)能 機(jī)械能
熱傳遞(熱量:傳遞內(nèi)能的多少)
做功
改變物體
內(nèi)能的方法
①外界對(duì)物體做功,內(nèi)能增加
②物體對(duì)外界做功,內(nèi)能減小
實(shí)質(zhì):內(nèi)能的轉(zhuǎn)移
實(shí)質(zhì):其它形式的能和內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化
總結(jié)
如圖,在透明塑料盒的底部鉆一個(gè)孔,把電火花發(fā)生器的放電管緊緊塞進(jìn)孔中,打開塑料盒蓋,向盒中滴入幾滴酒精,再將盒蓋蓋緊,然后按動(dòng)電火花發(fā)生器的按鈕。
在上述活動(dòng)中,酒精燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)鈱?duì)外做功,燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。根據(jù)這一原理,可以制造出將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。
你觀察到什么現(xiàn)象??
我們利用這個(gè)原理制成了熱機(jī)
觀察與思考
盒蓋被頂飛
【原理分析】
熱機(jī)是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)稱。熱機(jī)是將燃料燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。
汽油機(jī)
柴油機(jī)
熱機(jī)
蒸汽機(jī)
內(nèi)燃機(jī)
燃?xì)廨啓C(jī)
噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)
…
汽油機(jī)的工作過程
沖程:
活塞從汽缸的一端運(yùn)動(dòng)到另一端的過程
活塞往復(fù)一次,完成兩個(gè)沖程
汽油機(jī)
【工作原理】
利用汽缸內(nèi)燃燒的汽油產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功
實(shí)物透視圖
模型圖
【構(gòu)造】
汽缸
進(jìn)氣口
排氣口
火花塞
曲軸
連桿
活塞
①吸氣沖程:
進(jìn)氣門____,排氣門____,
活塞向___運(yùn)動(dòng),__________的混合物進(jìn)入氣缸。
曲軸轉(zhuǎn)____周。
打開
關(guān)閉
下
汽油和空氣
半
汽油機(jī)的工作原理
②壓縮沖程:
進(jìn)氣門和排氣門_______,
活塞向__運(yùn)動(dòng),燃料混合物被____。
內(nèi)能變___
能量轉(zhuǎn)化:______________
都關(guān)閉
上
壓縮
曲軸轉(zhuǎn)____周。
半
機(jī)械能
內(nèi)能
大
汽油機(jī)的工作原理
③做功沖程:
在壓縮沖程結(jié)束時(shí),火花塞產(chǎn)生電火花,使燃料猛烈燃燒產(chǎn)生高溫高壓的氣體。
高溫高壓的氣體推動(dòng)活塞向___運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)外_____。
下
做功
內(nèi)能
機(jī)械能
能量轉(zhuǎn)化:______________
汽油機(jī)的工作原理
曲軸轉(zhuǎn)____周
④排氣沖程:
進(jìn)氣門_____,排氣門_____,
活塞向____運(yùn)動(dòng),
把______排出氣缸
廢氣
上
打開
關(guān)閉
半
汽油機(jī)的工作原理
機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能
4個(gè)沖程
工作過程
吸氣沖程
壓縮沖程
做功沖程
排氣沖程
內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能
活塞往復(fù)2次
燃?xì)鈱?duì)外做1次功
曲軸旋轉(zhuǎn)2圈
做功沖程:
燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功
其余三個(gè)沖程:
靠飛輪的慣性來完成
(一個(gè)循環(huán))
汽油機(jī)
一個(gè)循環(huán)
吸氣
壓縮
做功
排氣
開始
結(jié)束
循環(huán)
1. 壓縮沖程和做功沖程中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的?
壓縮沖程:機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;
2. 汽油機(jī)的一個(gè)工作循環(huán),活塞經(jīng)歷___個(gè)沖程,曲軸旋轉(zhuǎn)___圈,活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)___次,燃?xì)鈱?duì)外做___次功。
2
4
2
1
3. 在汽油機(jī)的四沖程中,只有做功沖程是燃?xì)鈱?duì)外做功,那么其他3個(gè)沖程是靠什么完成的?
飛輪的慣性
鞏固練習(xí)
4.一臺(tái)單缸四沖程汽油機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)速1200r/min,則汽油機(jī)每秒鐘內(nèi)完成 個(gè)沖程,做功 次。
40
10
做功沖程:內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能
汽油機(jī)和柴油機(jī)的異同點(diǎn)比較
種類 汽油機(jī) 柴油機(jī)
相同點(diǎn)
不 同 點(diǎn) 構(gòu) 造
燃 料
吸入氣體
點(diǎn)火方式
都是內(nèi)燃機(jī),一個(gè)工作循環(huán)都經(jīng)歷四個(gè)沖程
火花塞
噴油嘴
汽油
柴油
汽油和空氣
空氣
點(diǎn)燃式
壓燃式
汽缸
進(jìn)氣口
排氣口
曲軸
連桿
活塞
火花塞
汽油機(jī)
柴油機(jī)
柴油機(jī)比汽油機(jī)要笨重些,噪音大一些,
但柴油機(jī)的效率___,功率____。
高
大
隨堂小練21頁
通過燃料的燃燒,燃料內(nèi)部的_____能轉(zhuǎn)化為____能
從能量轉(zhuǎn)化的角度分析:
化學(xué)
內(nèi)
內(nèi)能的獲得方式
內(nèi)能的利用
燃燒放熱,直接向人們提供熱量,供人類取暖和加熱食物。
直接加熱物體
最常見獲得內(nèi)能的方法是?
燃燒
燃燒
燃料可分為三類
你知道常見的燃料有哪些,它們分別屬于哪一類?
常見的燃料有煤、石油(加工煉制成汽油、煤油、柴油和液化氣等)、天燃?xì)獾龋r(nóng)村還用草木等植物的秸桿作燃料。
固體燃料
氣體燃料
液體燃料
思考
根據(jù)你的經(jīng)驗(yàn),相同質(zhì)量的不同燃料,完全燃燒時(shí)放出的熱量是不是相同?
這說明了什么?
根據(jù)生活實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):1kg的煤燃燒釋放出的熱量比1kg木柴燃燒放出的熱量 。
由此可見:質(zhì)量相同的不同燃料在完全燃燒時(shí)所放出的熱量是不同的。
不同燃料燃燒時(shí)放熱本領(lǐng)是不同的。
思考
多
【提出問題】
【猜想假設(shè)】
如圖所示,用天平分別測(cè)出質(zhì)量均為10g的酒精和碎紙片,將它們分別放入燃燒皿中,點(diǎn)燃后,分別給用兩個(gè)完全相同的燒杯裝質(zhì)量相同的水加熱,待酒精和碎紙片完全燃燒后分別記錄水的溫度
探究燃料燃燒放熱的本領(lǐng)
【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】
如何比較等質(zhì)量不同燃料完全燃燒放熱多少?
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】
轉(zhuǎn)換法
將燃料釋放的熱量給物體吸熱升溫,觀察溫度變化
【數(shù)據(jù)表格】
探究燃料燃燒放熱的本領(lǐng)
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】
相同質(zhì)量的不同燃料,在完全燃燒時(shí)放出的熱量是不相等的。物理學(xué)中,用熱值表示燃料在完全燃燒時(shí)放熱本領(lǐng)的大小。
【方法】
【定義】
【單位】
J/kg
讀作:焦耳每千克
如何科學(xué)地比較不同燃料燃燒時(shí)放熱本領(lǐng)的強(qiáng)弱呢?
把所有燃料都取1kg,讓它們完全燃燒,比較它們放出的熱量的多少。
我們把某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質(zhì)量之比叫做這種燃料的熱值(q)。
J/m3
讀作:焦耳每立方米
熱值
【公式】
q =
理論上
完全充分燃燒
觀察熱值表,你有什么收獲?
熱值是燃料的一種特性,其大小只與燃料的種類有關(guān),與燃料的質(zhì)量(體積)、是否燃燒、是否完全燃燒無關(guān)。
常見燃料的熱值
1kg汽油完全燃燒放出的熱量為4.6×107J
1m3煤氣完全燃燒放出的熱量為3.9×107J
氫與其他燃料相比,具有較大的熱值
①汽油熱值是4.6×107J/kg,物理意義是?
②煤氣熱值是3.9×107J/m3,物理意義是?
③為什么發(fā)射上天的火箭要用液態(tài)氫做燃料?
熱值
如圖,甲、乙、丙三圖中的裝置完全相同,燃料的質(zhì)量都是10g,燒杯內(nèi)的液體質(zhì)量和初溫也相同。
(1)比較不同燃料熱值,應(yīng)選擇 兩圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn),燃料完全燃燒放出的熱量,是通過________反映;
(2)比較不同物質(zhì)吸熱升溫的特點(diǎn):
①應(yīng)選擇 兩圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn);
②不同物質(zhì)吸熱的多少是通過 來反映的;
③ 關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的變量控制,下列要求中不正確的是: 。
A. 采用相同的加熱方法
B. 燒杯中分別裝入相同體積的物質(zhì)
C. 使用相同的燒杯
④如果質(zhì)量和初始溫度均相同的A、B兩種液體,吸熱后它們的溫度隨時(shí)間變化的圖象如圖所示,由圖可以看出,___液體的溫度升高得較快,___液體的比熱容較大。
⑤如果已知a液體的比熱容是1.8×103J/(kg ℃),則b液體的比熱容是 J/(kg ℃)。
甲乙
溫度計(jì)
示數(shù)變化
甲丙
加熱時(shí)間
B
a
b
3.6×103
典型例題
我們已經(jīng)知道:氫的熱值是1.4×108J/kg,物理意義是:
1kg氫完全燃燒時(shí)放出的熱量是1.4×108J。
10kg氫完全燃燒放出的熱量
= 10kg×1.4×108 J/kg
= 1.4×109J
Q放= mq
熱量的計(jì)算
注意:只有燃料完全燃燒時(shí)放出的熱量才能用Q放 = mq進(jìn)行計(jì)算,不要與Q放 = cm(t0 t)混淆
氣體:
Q放 = Vq
已知無煙煤的熱值為3.4×107 J/kg,則10kg無煙煤完全燃燒放出多少熱量?
已知干木柴的熱值為1.2×107J/kg,則完全燃燒多少干木柴可獲得1.44×1012 J的熱量?
=3.4×107 J/kg× 10kg
=3.4×108J
解:需要干木柴
解:10kg無煙煤完全燃燒放出的熱量
Q放= qm
熱量的計(jì)算
用煤氣灶燒水時(shí),煤氣能完全燃燒嗎?煤氣燃燒放出的熱量能全部被水吸收嗎?
燃料的內(nèi)能
Q燃料
④燃料不能完全燃燒
① 散熱
②加熱煤氣灶壁
水吸收的熱量Q利用
③ 加熱水壺
熱機(jī)效率
燃料的利用率η =
100%
內(nèi)燃機(jī)中能量損失:
用來做有用功的那部分能量,與燃料完全燃燒放出的能量之比,叫做熱機(jī)的效率。
④燃料不能完全燃燒
有用機(jī)械能
W有用
燃料的
內(nèi)能Q放
②克服機(jī)器的摩擦
①散熱
③廢氣帶走
熱機(jī)效率
η =
100%
蒸汽機(jī)的效率只有6%~15%
汽油機(jī)的效率為 20%~30%
柴油機(jī)的效率為30%~45%
常見熱機(jī)的效率
如何提高熱機(jī)的效率呢?
①改善燃燒環(huán)境,使燃料盡可能完全燃燒,提高燃料的燃燒效率。
②盡量減小各種熱散失。
③減小各部件間的摩擦以減小因克服摩擦做功而消耗的能量。
④充分利用廢氣帶走的能量,從而提高燃料的利用率。
提高熱機(jī)效率的途徑
有用機(jī)械能
W有用
燃料的
內(nèi)能Q放
③克服機(jī)器摩擦
②散熱
④廢氣帶走
①燃料不能完全燃燒
熱機(jī)的效率能達(dá)到100%嗎?為什么?
不能達(dá)到100%,因?yàn)闊釞C(jī)中可用于做有用功的能量只是燃料完全燃燒所放出的能量的一部分,因?yàn)楦鞣N熱量損失以及燃燒條件的限制,這部分能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總能量,所以其與燃料完全燃燒所放出的總能量的比值必然小于1,即熱機(jī)效率小于100%。
思考
化石燃料為人類發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn),但也帶來許多環(huán)境污染
化石燃料的燃燒與環(huán)境保護(hù)
煙塵
酸雨
1.化石燃料的燃燒
(1)化石燃料的燃燒產(chǎn)生一氧化碳、二氧化氮等氣體污染物和粉塵,污染空氣,產(chǎn)生酸雨,對(duì)人類的健康及動(dòng)植物的正常生長(zhǎng)等有影響。
(2)以化石燃料為燃料的汽油機(jī)和柴油機(jī)的廣泛使用,不僅會(huì)產(chǎn)生廢氣粉塵,還會(huì)產(chǎn)生噪聲污染,噪聲直接影響著人類的正常生活和心理健康。
化石燃料的燃燒與環(huán)境保護(hù)
2.我們要認(rèn)識(shí)到環(huán)境污染的危害,提高環(huán)境保護(hù)的意識(shí),加強(qiáng)對(duì)環(huán)境污染的控制,保護(hù)我們生存的環(huán)境。保護(hù)環(huán)境的主要措施:
(1) 改進(jìn)燃燒設(shè)備,消除煙塵;
(2) 提高燃料的綜合利用率,如采取集中供熱。
(3) 充分開發(fā)利用污染小或無污染的能源,如風(fēng)能、太陽能等。
(4) 在內(nèi)燃機(jī)排氣管上安裝消音器,以減小噪聲污染。
化石燃料的燃燒與環(huán)境保護(hù)
PM2.5監(jiān)測(cè)
PM的英文全稱為Particu-late Matter(顆粒物)。PM2.5是指大氣中直徑為2.5 μm及2.5μm以下的顆粒物。每立方米空氣中PM2.5的含量越高,表明空氣的此類污染越嚴(yán)重。
PM2.5主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)冗^程中使用化石燃料后排放的煙塵,大多含有重金屬等有毒物質(zhì)。醫(yī)學(xué)認(rèn)為,人體的生理結(jié)構(gòu)決定了對(duì)粒徑在2.5μm以下的細(xì)顆粒物,沒有任何過濾、阻攔能力。吸入肺泡的細(xì)顆粒物會(huì)迅速被吸收,在不經(jīng)過肝臟解毒的情況下直接進(jìn)人血液循環(huán),分布到全身,引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等疾病。
化石燃料的燃燒與環(huán)境保護(hù)
PM2.5污染的治理,必須從生產(chǎn)、生活和生態(tài)方面采取綜合措施。例如,改變能源結(jié)構(gòu),加大清潔能源的使用力度,淘汰高耗能、高污染的企業(yè);發(fā)展公交導(dǎo)向型城市交通,減少居民出行對(duì)機(jī)動(dòng)車的依賴;提倡植樹造林,提高城市綠化率,創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境等。
化石燃料的燃燒與環(huán)境保護(hù)
C
練一練
1.對(duì)于燃料的熱值,下列說法中,屬于正確理解的是 ( )
A.燃料的熱值跟燃料燃燒時(shí)放出的熱量成正比
B.燃料沒燃燒時(shí)就沒有熱值
C.就某種確定的燃料而言,它的熱值是一個(gè)確定的值,跟燃料 的質(zhì)量及燃料燃燒放出的熱量無關(guān)
D.容易燃燒的燃料熱值一定大
2.煙煤的熱值比木炭的小,這表示( )
A.燃燒煙煤比燃燒木炭放出的熱量少
B.燃燒煙煤比燃燒木炭放出的熱量多
C.相同質(zhì)量的煙煤和木炭,完全燃燒時(shí),木炭放出的熱量少
D.相同質(zhì)量的煙煤和木炭,完全燃燒時(shí),木炭放出的熱量多
D
練一練
3.下列提高熱機(jī)效率的方法中,不可行的是( )
A.減少各種熱損失
B.加潤(rùn)滑油減少機(jī)器各部件之間的摩擦
C.充分利用廢氣的能量,如建熱電站
D.采取少消耗總能量的辦法
D
練一練
4.用燃?xì)庠顭紵?.5kg的煤氣,使50kg的水從20℃升高到70 ℃。已知水的比熱容為4.2×103J/(kg ℃),煤氣的熱值為4.2×107J/kg。求:
(1)0.5kg煤氣完全燃燒放出的熱量。
(2)水吸收的熱量。
(3)燃?xì)庠顭男省?br/>Q放 = m煤q
= 2.1×107J
Q吸 = cm水 t
= 1.05×107J
η = Q吸 / Q放
= 50%
練一練
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