16．4 　　　热机

你知道汽油机的工作原理吗？它在工作过程中能量怎样转化？什么叫热机的效率？怎样提高热机的效率呢？

智　 能　 提　 要

问：如何理解燃料的热值？

答：从我们的生活经验事实可知，做一顿饭所需的热量是一定的，但所需的煤火燃气的质量

大小是不同的． 这正好表示质量相同的不同燃料完全燃烧放出的热量是不同的特性，我们就可以用1kg的某中燃料完全燃烧所放出的热量叫做这种燃料的热值． 从这个定义可知，同中燃料的热值相同，不同燃料的热值一般不同．它反映的是燃料的特性，其大小于燃料质量大小、是否完全燃烧、放出的热量大小无关，但在数值上等于一定质量的燃料完全燃烧放出的热量(Q)与其质量(m)的比值．

问：怎样更深刻地理解四冲程汽油机的工作过程？

答：四冲程汽油机的每一个工作循环包括四个冲程：吸气、压缩、做功、排气，这四个冲程中只有做功冲程(即燃烧-膨胀做功冲程)对外做功，它是靠燃料(汽油)在汽缸中燃烧，生成高温高压的燃气，燃气推动活塞对外做功，实现了内能转化为机械能，从而使汽车获得了动力(机械能)，而且其他三个冲程靠飞轮的惯性来完成，吸气、压缩、排气冲程需消耗机械能，其中压缩冲程机械能转化为内能形成高温高压燃油气体混合物，遇电火花而猛烈燃烧，获得更大的内能，在这其中，还存在燃料的化学能转化为内能的能量转化形式．

问：怎样从热机的效率来理解提高燃料的利用率？

答：我们知道，热机的效率=，其中，燃料完全燃烧放出的能量即为热机的燃气内能，燃气内能=散热损失能量+机械损失能量(克服摩擦)+有用机械能．

从上面的等式中可看出，要提高热机效率可尽量减少各种能量损失，其中减少燃气的内能损失是有效措施就是重新利用燃气内能(如热电站)，这样可提高燃料利用率．当然，现代化的新型热机(比如课本P117介绍的现代汽车的发动机利用微电脑控制)的喷油系统，可提高燃油在汽车中的燃烧效率，从而业可提高燃料的利用率．

作为当今石油等能源物质的严重匮乏而又必须面临的严峻事实，提高燃料的利用率的问题就显得尤为重要．我们作为新世纪祖国建设的接班人，在这个问题上有着很广阔的探索空间，我们希望有更多的同学将来在汽车工业、能源开发遇利用等方面做一个科技型的节能专家．

问：为什么热机的效率比较低？ 答：根据热机效率的定义可知，热机的效率比较低，说明热机中燃料完全燃烧放出的能量中用来做有用功的部分比较少．为什么会比较少呢？要回答这个问题，先要弄清热机工作过程中有哪些损失能量的原因，归纳起来应该有以下几个原因：(1)燃料并未完全燃烧，使部分能量白白浪费掉了．例如，一辆汽车从身边驶过，有时我们从汽车排出的气体中嗅到了汽油味，这说明汽油机中的汽油未完全燃烧．(2)热机工作的排气冲程要将废气排出，而排出的气体中还具有内能，另外汽缸壁等也会传走一部分内能．(3)由于热机各零部件之间有摩擦，需要克服做功而消耗部分能量．(4)曲轴获得的机械能也未完全用来对外做功，而有一部分传给飞轮以维持其继续转动，这部分虽然是机械能，但不能称之为有用功．

据上所述，热机中能量损失的原因这么多，所以热机的效率一般都比较低．

中 考 撷 要

本节的中考考点有：结合热值的概念，计算燃料燃烧时放出的热量，燃烧过程与吸热过程的综合；判断内燃机工作过程中能量的转化；根据热机效率的意义，寻求提高热机效率的途径．最近两年中，关于热机效率的中考试题出现的频率较高．

智 能 拓 展

内燃机的广泛应用

内燃机，特别是汽油机、柴油机的出现，在社会经济的各个部门中获得了广泛的应用．对工农业和交通运输业的发展来说，内燃机的重要性甚至超过了电机．

内燃机是各种交通运输工具的强大动力．内燃机的发明导致了汽车制造业的兴起．1885年戴姆勒和本茨分别造出了汽车，1888年邓录普发明充气轮胎，1895年美国人福特开办的汽车厂采用惠特尼生产标准化零件的方法，建立了“装配线”，日产1000辆T型汽车．1923年柴油机成为载重汽车的动力，随后又在大客车方面与汽油机并驾齐驱．1913年第一台装置柴油机的内燃机车诞生，促进了铁路运输技术的 ，内燃机车同电气机车一起逐步取代了蒸汽机车．1912年艘柴油机驱动的远洋轮船下水．到20世纪70年代初，全球商队轮船中已有80%是由柴油机驱动的．1903年美国莱特兄弟驾驶内燃机发动的飞机首次飞上了天空．1909年法国工程师布来里昂特驾驶飞机飞越英吉利海峡．1927年林德伯格实现了从纽约到巴黎的不着陆飞行． 全世界被这一空前的成就所震惊，更大、更安全的飞机从此得到改进和革新．

内燃机的发明使生产技术发生了重大的革命，内燃机一出现很快就开始取代畜力成为农业生产的动力．自1910年拖拉机成批生产以来，它的使用又促进了农用工具机，如播种机、收割机等机械的大量制造，加快了农业机械化的进程．

内燃机还被广泛应用于军事设施．例如：飞机、火箭军舰、潜水艇、坦克、战车等，成为现代化战争中不可缺少的动力设备．

除上述以外，在其他领域中诸如发电、排灌、工程机械、地质钻探等部门，都是应用内燃机的场所．在人们的生活领域中，家用汽车和摩托车使用的动力机械也是内燃机．内燃机正在广泛应用中不断得到改进，它的结构日趋成熟、完善，性能不断提高，最高热效率达到了46%．

智　 能　 归　 例

题型一　 知道汽油机的工作原理及工作过程中能量的转化

例 　有关四冲程内燃机的叙述中，不正确的是(　 )

A．工作中只有做功冲程把内能转化为机械能

B．工作中压缩冲程是把内能转化为机械能

C．工作开始时要靠外力启动

D．每一个工作循环，燃气只做功一次

知识点　 热机的工作原理及工作过程中能量的转化情况

闯关点拨　 吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成了内燃机的一个 工作循环．

析　 在内燃机的四个冲程中，只有在做功冲程中，燃气才对外做功，内能转化为机械能．压缩冲程中机械能转化为内能．内燃机开始工作时需要外力启动，所以，A、C、D所说的都是对的．

答 　选B

题型二　 认识燃料热值的物理意义，并会计算燃料完全放出的热量

例1 　干木材的热值是1.2×10⁷J/kg，它的物理意义是____________________．要放出3.6 × 10⁷J的热量，需要完全燃烧__________kg的干木材．

知识点　 认识热值的物理意义，并会进行计算

闯关点拨　 燃料的热值是燃料的一种特性，其物理意义由定义可知，要求燃料燃烧放出的热量情况，可利用Q_放=qm来计算．

解　 其物理意义是：1kg干木柴完全燃烧放出1.2×10⁷的热量．由Q_放=qm得：．

例2　　 小明学习了热学的有关知识后，知道水的比热是4.2×10³J／(kg·℃)，他想估算一下自己家每天烧水、做饭需要的热量，于是小明仔细记录了他家每天烧水、煮饭、炒菜需要的时间，并把它折算成烧水时间，相当于每天将30kg20℃的水烧开．

　(1)小明家每天烧水做饭需要多少热量?

　(2)如果普通煤的燃烧值为3×10⁷J/kg，从理论上讲小明家每天烧水做饭需要多少千克煤?

　(3)小明家实际平均每天需要烧4块蜂窝煤，按每块蜂窝煤含煤0.5kg算，他家每天实际用煤2kg，由此小明计算出他家煤炉的效率只有16.5%，你认为小明家煤炉效率低的原因是什么?

　(4)从大的方面讲，家用煤炉除了热效率低浪费能源的缺点外，另一个主要缺点是什么?

知识点　 利用公式Q_放=qm和的综合计算

闯关点拨　 用公式Q_放=qm和来计算．

解　 (1)Q＝cm(t₂－t₁)

　将数据代入①得Q＝1.0×10⁷J

　(2)M＝kg＝0.33kg

　(3)煤不能完全燃烧；热量散失严重．　

　(4)产生废渣、废气，造成环境污染．　

题型三 认识热机的效率，并会进行有关的计算

例　 甲、乙两汽车，甲的汽油机效率比乙的汽油机效率高，这表明(　 )

A．甲做功比乙多

B．甲做功比乙快

C．甲消耗的汽油比乙少

D．以相同的牵引力行驶相同的路程，甲耗油比乙少

知识点　 考查对热机效率的理解

闯关点拨　 热机的效率与功率、做功的多少没有必然联系．

析 　汽油机做功的多少由牵引力的大小和汽车前进的距离的大小有关，与汽油机的效率无关，所以A不正确；汽油机做功的快慢是由汽油机的功率决定的，与汽油机的效率无关，故B不正确；汽油机做功的多少没有确定，其耗油量也不能确定，故C也是错误的．在D选项中，由W=Fs可知，两汽油机做的功相等，由于甲的效率高，故甲耗油少．

答 　选D

中考典题精析

考题1 　汽油机的一个工作循环是由四个冲程组成，其中在做功冲程中燃气对活塞做功，实现了___________能向___________能的转化．图15-11表示的是汽油机的________冲程(填冲程的名称)．

( 北京市东城区2004年中考题)

闯关点拨　 由汽油机汽缸示意图辨别冲程名称时，要根据两气门的关闭活塞的上下运动情况来确定，要判断是否是做功冲程可观察火花塞是否点火．

析　 在做功冲程中，将内能转化为机械能；从图中可以看出：进气门打开、排气门关闭，活塞由上往下运动，汽油和空气的混合物将进入汽缸，这是吸气冲程．

答 　内能　 机械能　 吸气

考题2 　一辆轿车在平直的高速公路上匀速行驶1.8km，轿车上的速度表如图15-12所示，在此过程中

(1)轿车速度为多少km/h？合多少m/s？

(2)若轿车行驶过程中发动机的功率为40kW，则该车行驶中　

所受阻力多大？

(3)这段过程中轿车消耗汽油0.25kg，其发动机的效率多　

大？(q_汽油＝4.6×10⁷J/kg)(江苏省南通市2004年中考题)

闯关点拨　 这是一道力学与热学的综合试题，涉及了速度、平衡力、功、功率、热量、热值、效率等许多知识点．计算发动机的效率可根据热机的效率公式，W_有即为发动机牵引力对汽车所做的功，W_总等于汽油完全燃烧放出的热量．

解　 ⑴轿车的速度为90km/h

⑵由　 得：

因轿车匀速运动，受力平衡

所以阻力f=F=1600N

⑶汽油燃烧释放的热量为：

牵引力做功为：

∴发动机效率为：

智　 能　 训　 练

基础知识训练

3、5月12日，四川汶川发生8级大地震，震后立即开展了紧急救援。在救援过程中，常看到救援工作者使用的这种起重机械，利用这种机械吊起坍塌的混凝土结构的吊板。如所示是这种起重机吊臂上的滑轮组，它在50s内将重为2.4×10⁴N的吊板匀速提高10m。已知拉力F为10⁴N。则这个过程中：

(1)拉力F做了多少功？拉力F的功率多大？

(2)滑轮组的机械效率多大？

2．右图为用道钉撬来撬铁路枕木上道钉的图片，若阻力F₂为1500N，根据图片估算此道钉撬所用最小动力F₁的大小。

1、一个质量为80g的皮球从某一高处下落了5m，重力对它做了多少功(g=10N/kg)？

5．用如图所示的实验装置测量杠杆的机械效率．实验时，竖直向上匀速拉动弹簧测力计，使挂在较长杠杆下面的钩码缓缓上升．

(1)实验中，将杠杆拉至图中虚线位置，测力计的示数F为

　 　　　N，钩码总重G为1.0N，钩码上升高度h为0.1m，测力计移动距离s为0.3m，则杠杆的机械效率为　　 %．请写出使用该杠杆做额外功的一个原因：　　 ．

(2)为了进一步研究杠杆的机械效率与哪些因素有关，一位同学用该实验装置，先后将钩码挂在A、B两点，测量并计算得到下表所示的两组数据：

根据表中数据，能否得出“杠杆的机械效率与所挂钩码的重有关，钩码越重其效率越高”的结论？答：　　　 　；

请简要说明两条理由：①　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ；

②　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ．

4、在探究“杠杆的平衡条件”实验中，所用的实验器材有杠杆、支架、刻度尺、细线、质量相同的钩码若干。

　 (1)将杠杆装在支架上，发现杠杆右端下沉，如果将杠杆右侧的平衡螺母向左调到头了，杠杆右端仍下沉，此时应将杠杆左侧的平衡螺母向_________调，直到杠杆在水平位置平衡为止。

　 (2)某同学进行正确的实验操作后，得到的数据为F₁=6N、l₁=20cm、F₂=4N和l₂=30cm。该同学根据这些数据能否得出探究结论?_________。理由是：________________________。

　 (3)使杠杆在倾斜一定角度的位置做实验，也能得出杠杆平衡条件。这种实验方案与杠杆在水平位置做实验的方案相比较，你认为哪种实验方案好并说明理由：

_____________________________　　　　　　　　　　　　　 __。

(4)如图所示，杠杆在水平位置平衡。如果在两侧钩码下再各挂一个相同的钩码，则杠杆_________端将下沉。

(5)如果如乙图示把弹簧测力计斜拉，且拉环固定在支架上(P点)，水平平衡时弹簧测力计示数比竖直拉时_____(选填“大”、“小”)。

3、用右下图示所示的滑轮组提升重物，若拉力F将绳子的自由端移动1. 5m时，重物升高0.5m,请你在图中画出绳子绕法。

2、如图所示，陈师傅想用最省力的方法把一个油桶推上台阶，请你帮他在图中画出这个力。

1、铡刀铡草时的示意图如图12所示，请作出作用在铡刀上的动力F₁和阻力F₂的力臂。

8．如图所示，AOB为一杠杆，0为支点，杠杆重不计，AO=BO，在杠杆左端A处用细绳悬挂重为G的物体，当AO段在水平位置时保持平衡，这时在B端需施加最小的力为；若使BO段在水平位置时保持平衡，这时在B端需施加最小的力为，则　　　　 　　(＞/=/＜)。