专题 06 内能利用（讲义） 一、知识梳理 一、热机 1.热机：利用内能做功的机械叫热机。 热机的种类：分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。 内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。内燃机根据其所使用的燃料 分为汽油机和柴油机两类。 2. 内燃机的工作原理 （1）汽油机：四冲程汽油机的结构—汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、 火花塞。 冲程—活塞在气缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。 汽油机的工作过程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。 吸气冲程—靠惯性运动，吸进汽油与空气的混合物； 压缩冲程—外界对气体做功，机械能转化为内能，气体温度升高； 做功冲程—化学能转化为内能，气体温度升高，气体对外做功，内能转化为机械能； 排气冲程—靠惯性运动，排出废气。 （2）柴油机：四冲程柴油机的结构—汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、 喷油嘴。 柴油机的工作过程与汽油机几乎一样，但有三个区别：1）吸气冲程：汽油机吸进的 是汽油和空气的混合物，柴油机吸进的仅仅是空气；2）压缩冲程：汽油机压缩的是汽油 和空气的混合物，汽油机压缩的仅仅是空气；3）做功冲程：汽油机用火花塞点火，柴油 机用喷油嘴喷油。 二、热机效率 1．热值（q）：1kg 某种燃料完全燃烧放出的热量，叫热值；热值单位是：J/kg。 （1）燃料燃烧放出热量：Q 放 ＝qm；（Q 放 是燃料放出的热量，单位是 J；q 是热值， 单位是 J/kg；m 是质量，单位是 kg。） 对于热值的概念，要注重理解三个关键词：“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg 是 指燃料的质量，如果燃料的质量不是 1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不等于热值 的数值；某种燃料是指热值与燃料的种类有关；完全燃烧意思是燃料要完全烧尽，否则 1kg 燃料燃烧过程中，化学能转变成内能就不是该热值所确定的值。 （2）热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化 学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关 与燃料的形态、质量、体积等均无关。 2.热机的效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量 之比，叫热机 η= 的效率。热机的效率是热机性能的一个重要指标。公式： W 有用 W 有用 = Q总 qm 3.在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料利 用率的重要措施。 注意：热机能量的损失：①燃料未完全燃烧（完全燃烧条件：充足空气，研磨成细颗 粒）； ②废气排出带走能量（废气的利用）；③克服磨擦，消耗能量（使用润滑剂，减 小摩擦）。 三、能量转化与守恒 1.能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形 式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变。 2．能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体，小到原子核，也 无论是物理学问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都 遵从能量守恒定律。 二、重点与难点 ★重点一：热机效率 1.热机工作时，不能把燃料释放的能量全部利用。主要原因是机械散发热量造成能量 损失、废气排放也损失部分能量、发动机各部分零件相互摩擦消耗部分能量等。所以，热 机利用的做有用功的热量只占燃料燃烧放出热量小部分。  2.热机效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的热量之比。由于热损 失的原因多，热机效率一般较低。热机是人类使用的主要动力机，尽管它的效率不高，我 们仍然离不开它。 3.为了合理利用能量人类一直在努力提高热机效率。提高热机效率的途径：让燃料充 分燃烧；减少发动机各部分之间的摩擦。 ★重点二：能量转换与守恒 能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生 物，大到宇宙天体。小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。从 日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用。人类对各种能量，如煤、 石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的。能量守恒定律 是人们认识自然和利用自然的有力武器。 三、考查方向 1.热机及其内能转化 典例一：（2020·衡阳）如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下列说法正确的是（ ）。 A．一个工作循环的正确顺序是：甲乙丙丁； B．乙图冲程能获得动力； C．丁图冲程有明显机械能转化为内能的过程； D．丙图冲程存在化学能转化为内能的过程 【答案】C。 【解析】甲图中两个气阀都关闭，火花塞点火，活塞下运动，是做功冲程，此冲程将 内能转化为机械能； 乙图中进气门打开，活塞向下运行，气缸容积增大，是吸气冲程； 丙图中排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程； 丁图中两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程，是机械能转化为内能； A、四个冲程的正确顺序是乙丁甲丙，故 A 错误； B、乙图为吸气冲程，内燃机在做功冲程能获得动力，故 B 错误； C、丁图为压缩冲程，在该冲程中将机械能转化为内能，故 C 正确； D、丙图为排气冲程，而在做功冲程存在化学能转化为内能的过程，故 D 错误。故 选：C。 典例二：（2020•岳阳）下列与热学有关叙述合理的是（ ）。 A．年平均气温为-25℃的南极的冰山没有内能； B．烤火取暖是火焰的温度转移到人身上； C．内燃机压缩冲程将机械能转化为内能； D．“端午佳节粽叶飘香”，人们闻到粽子的香味是升华现象 【答案】C。 【解析】一切物体都有内能；烤火取暖是通过热传递的方式传播的内能；内燃机压缩 冲程将机械能转换为内能；粽叶飘香是扩散现象，说明构成物质的分子在不停息地运动。 故选 C。 2.热值及相关计算 典例三：（2020·自贡）用煤气灶把 2kg、初温为 20℃的水加热到 70℃，消耗了 20g 煤气。已知水的比热容是 4.2×103J/（kg·℃），煤气的热值为 4.0×107J/kg，则水 吸收的热量为______J，煤气灶烧水的效率为______。 【答案】（1）4.2×105 ；（2）52.5%。 【解析】水吸收的热量： Q 吸=cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)×2kg×(70℃-20℃)=4.2×105J 20g 煤气完全燃烧放出的热量： Q 放=mq=20×10-3kg×4.0×107J/kg=8×105 J Q吸 4.2 �105 J = 燃气灶烧水的效率：η= Q 8 �105 J =52.5%。 放 典例四：（2020·四川南充）若一辆小汽车一年行驶一万公里，消耗 1t 汽油，这次 汽油完全燃烧放出________J 的热量；某次行驶过程中，该汽车汽油机曲轴的转速为 3600r/min，在 1s 内汽油机对外做功________次(q 汽=4.6×107J/kg)。 【答案】（1） 4.6 �1010 ；（2）30。 【解析】这次消耗的汽油为 的热量为： 1t  1000kg ，根据公式 Q放 =mq 可算出汽油完全燃烧放出 Q放 =mq =1000kg �4.6 �107 J/kg=4.6 �1010 J 故汽油完全燃烧放出的热量为 该汽车汽油机曲轴的转速为 4.6 �1010 J 。 3600r/min  60r/s ，内燃机做一次功，曲轴转动两次， 某次行驶过程中，该汽车汽油机曲轴 1s 内转动 60 次，则该汽车 1s 内油机对外做功 30 次。 3.热机效率 典例五：（2020·四川甘孜州）下列关于热值和热机效率 的 说法，正确的是（　 　）。 A. 使燃料燃烧更充分，可以增大热值； B. 使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率； C. 柴油机的热机效率通常为 100%； D. 燃料燃烧释放的热量越大，热值越大 【答案】B。 【解析】A．热值是燃料的特性，与燃烧情况无关，故 A 错误； B．使燃料燃烧更充分，可以增大有效利用的能量，提高热机的效率，故 B 正确； C．任何机器的做功时都不可避免的做额外功，效率不可能达到 100%，故 C 错误； D．热值是燃料的特性，与放出热量的多少无关，故 D 错误。故选 B。 典例六：（2020·安徽）某同学家使用燃气热水器，平均每天需将 100kg 的水从 18℃加热到 58℃，若天然气完全燃烧放出热量的 70%被水吸收，则热水器平均每天消 耗天然气________m³. [c 水=4.2×103J/（kg·℃），q 天然气=4.0×107J/m³]。 【答案】0.6。 【解析】根据 Q=cmΔt 可以算出水吸收的热量： Q 吸=c 根据 水  mΔt =4.2×103J/（kg·℃）×100kg×（58℃－18℃）=1.68×107J； Q吸 Q吸 1.68 107 J   Q放 ×100%可知，则天然气完全燃烧放出的热量 Q 放  70% = 2.4 × 107； Q放 2.4 107 J V  0.6m 3 7 3 则根据 Q=Vq 可知， q 4 10 J / m 故答案为 0.6m³。 典例七：（2020·山东聊城）小华家使用的是天然气热水器，他尝试估测该热水器 的效率，以核对铭牌上的数值是否准确。当只有该热水器使用天然气时。把 50kg 的水从 20℃加热到 54℃，天然气表的示数由 1365.05m3 变为 1365.17m3，已知水的比热容 c=4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值 q=7.0×107J/m3。求： (1)水吸收的热量； (2)消耗的天然气完全燃烧故出的热量； (3)该热水器的效率。 【答案】(1)7.14×106J；(2)8.4×106J；(3)85%。 【解析】(1)水吸收的热量： Q吸 �cm 水�‫�״‬  t t0  4.2 103 J /  kg ℃℃℃  50kg  54 20  7.14 106 J (2)消耗的天然气体积：V=1365.17m3-1365.05m3=0.12m3 消耗的天然气完全燃烧放出的热量： Q放  qV  7.0 �107 J/m3 �0.12m3  8.4 �106 J  (3)该热水器的效率： 答：(1)水吸收 的 Q吸 7.14 �106 J   85% 。 Q放 8.4 �106 J 热量是 7.14×106J；(2)消耗的天然气完全燃烧故出的热量是 8.4×106J；(3)该热水器的效率是 85%。 4.能量转换与守恒 典例八：（2020·黑龙江）目前，市区里的老旧小区正在进行水路改造，改造中用到 了一种打孔工具一冲击钻，冲击钻工作时，钻头在电动机的带动下