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1、专题20 热机问题1.热机定义：热机是利用内能来做功，把内能转化为机械能的机器。2.热机的种类：蒸汽机、内燃机(汽油机和柴油机)、汽轮机、喷气发动机等3.工作过程：内燃机的一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。一个工作循环曲轴转两周，活塞往复运动各两次，只有做功冲程对外做功，其余的三个冲程叫辅助冲程，是靠飞轮的惯性来完成的。内燃机活塞在汽缸内往复运动时，从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。四冲程内燃机包括四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。在单缸四冲程内燃机中，吸气、压缩、做功、排气四个冲程为一个工作循环，每个工作循环曲轴转2周，活塞上下往复2次，做功1次。
2、在这四个冲程中只有做功冲程是燃气对活塞做功，而其它三个冲程(吸气冲程、压缩冲程和排气冲程)是依靠飞轮的惯性来完成的。压缩冲程将机械能转化为内能。做功冲程是由内能转化为机械能。 汽油机工作过程： 柴油机工作过程：4.汽油机和柴油机的区别于联系汽油机的气缸顶部是火花塞；柴油机的气缸顶部是喷油嘴。汽油机吸气冲程吸入气缸的是汽油和空气组成的燃料混合物；柴油机吸气冲程吸入气缸的是空气。汽油机做功冲程的点火方式是点燃式；柴油机做功冲程的点火方式是压燃式。柴油机比汽油及效率高，比较经济，但笨重。汽油机和柴油机在运转之前都要靠外力辅助启动。5.热机效率(1) 概念：用来做有用功的那部分能量W与燃料完全燃烧放出
3、的热量Q之比。数学表达式：100%(2) 提高热机效率的途径a.减少各种热量损失； b.减少摩擦，保持良好的润滑；c.尽可能使燃料充分燃烧。【例题1】(2020湖南岳阳)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了人身上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】A一切物体都有内能，年平均气温为-25的南极的冰山有内能，故A不符合题意；B烤火取暖，人体吸收热量，内能增加，内能发生了转移，故B不符合题意；C在压缩冲程中，活塞压缩气体做功，将机械能转化为内能，故C符合
4、题意；D人们闻到粽子的香味，由于分子在不停做无规则运动引起的，所以它是扩散现象，故D不符合题意。【对点练习】四冲程柴油机工作过程中，以下说法错误的是( )A.压缩冲程和做功冲程发生了能量的转化 B.做功冲程使汽车获得动力C.排气冲程排出了汽车的尾气 D.吸气冲程吸入气缸的是柴油【答案】D 【解析】(1)压缩冲程：活塞的机械能转化为燃料混合物的内能；做功冲程：燃料燃烧，化学能转化为内能，产生高温高压气体，推动活塞做功，内能在转化为机械能。(2)做功冲程使汽车获得动力。(3)排气冲程排出汽车的尾气。(4)吸气冲程吸入气缸的只有空气。【例题2】(2020湖南衡阳)如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下
5、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；
6、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。【对点练习】如图所示，是汽油机工作时的四个冲程，其中属于做功冲程的是() A B C D【答案】C【解析】解决此题要知道内燃机的四个冲程有吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，判断冲程名称可用口诀：“先看气门开关情，再看活塞上下行；开下吸气开上排，关上压缩关下功”进行分析A进气门开启，气体流入汽缸，是吸气冲程；不符合题意；B两气门都关闭，活塞上行，汽缸容积变小，是压缩冲程，不符合题意；C两气门都关闭，火花塞点火，活塞下行，汽缸容积变大，是做功冲程，符合题意；D排气门开启，气体流出汽缸，是排气冲程；不符合题意【例题3】(20
7、20四川南充)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=4.6107J/kg)。【答案】 (1) (2) 30【解析】(1)这次消耗的汽油为，根据公式可算出汽油完全燃烧放出的热量为 故汽油完全燃烧放出的热量为。(2)该汽车汽油机曲轴的转速为，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。【对点练习】我国自主研发的某品牌汽车进行技术测试，已知该车在某段长1.2km的水平路面做匀速直线运动，用时40s，汽
8、车在行驶过程中受到的阻力为400N，汽车在此过程中发动机热机效率为48%，汽油的热值q4.6107J/kg。在该段测试过程中：(1)汽车的功率为多少？(2)燃烧了多少汽油？(计算结果保留两位小数)【答案】(1)汽车的功率为1.2104W；(2)燃烧了0.02kg汽油。【解析】(1)因汽车匀速行驶时处于平衡状态，受到的牵引力和阻力是一对平衡力，所以，此过程中汽车牵引力做的功：WFsfs400N1.2103m4.8105J，汽车牵引力做的功率：P1.2104W；(2)由100%可得，消耗汽油完全燃烧释放的热量：Q放1106J，由Q放mq可得，消耗汽油的质量：m0.02kg，一、选择题1(2020武
9、汉模拟)如图所示是内燃机工作循环中的一个冲程，它是()A压缩冲程，将化学能转化成内能B压缩冲程，将机械能转化成内能C做功冲程，将内能转化成机械能D做功冲程，将机械能转化成内能【答案】C【解析】解决此题要结合内燃机的做功冲程特点和原理进行分析解答，知道做功冲程中的能量转化。图中的气门关闭，活塞下行，并且电火花打火，这是做功冲程的特点；在做功冲程中，能量转化关系是气体的内能转化为机械能。2(2020云南模拟)如图是某内燃机工作时的能量流向图，该内燃机的热机效率是()A25% B35% C40% D75%【答案】B【解析】燃料燃烧的内能减去机械自身消耗能量和废气带走能量的百分比，即为获得有用机械能的
10、百分比，也就是该内燃机的热机效率。因热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，所以，由内燃机的能量流向图可得，内燃机的热机效率：=125%40%=35%3(2019上海)四冲程柴油机在工作过程中，将内能转化为机械能的冲程是()A吸气冲程B压缩冲程C做功冲程D排气冲程【答案】C【解析】在内燃机的做功冲程中能量转化是内能转化为机械能，压缩冲程中能量转化是机械能转化为内能。四冲程柴油机在做功冲程中，高温高压燃气推动活塞做功，将内能转化为机械能，故C正确。4(2020岳阳模拟)如图所示是四冲程汽油机的剖面图，关于其四个冲程的描述正确的是()A吸气冲程中，汽油和空气的混合物进入汽缸B
11、压缩冲程中，通过做功的方式使汽缸内气体的内能减小C做功冲程中，燃料释放的能量绝大部分转化为机械能D排气冲程中，废气带走了燃料释放的能量的极少部分【答案】A【解析】四冲程汽油机一个工作循环有四个冲程，分别是吸气、做功、压缩和排气，其中只有做功冲程对外做功，将内能转化为机械能；另外还有压缩冲程有能量转化，将机械能转化为内能；根据气门的状态、活塞运动的方向确定冲程的种类。 A.汽油机在吸气冲程中，进气门打开、排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物进入汽缸，故A正确； B.在压缩冲程中，进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，气体的内能变大，此过程是机械能转化为内能的过程，故B错误
12、；C.在做功冲程中，燃料燃烧释放的内能大部分需要克服摩擦、发生热传递而散失，只有一少部分转化为机械能，故C错误； D.在排气冲程中，废气带走了燃料释放的能量的大部分，故D错误。 5(2020海南模拟)多数汽油机是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的，从能量转化的角度看，存在着内能转化为机械能的过程的是()A吸气冲程 B压缩冲程 C做功冲程 D排气冲程【答案】C【解析】汽油机有吸气、压缩、做功、排气四个冲程，压缩冲程是将机械能转化为内能，做功冲程将内能转化为机械能。汽油机的做功冲程中，高温高压的燃气推动活塞做功，将内能转化为机械能，故C正确。二、填空题6.(2020贵州黔西
13、南)如图所示，给试管内水加热至一定程度，发现试管口木塞会被推出。(1)给水加热是通过_方式使水的内能增加；木塞被推出后水蒸气的内能_(选填“增大”“减小”或“不变”)。(2)四冲程内燃机的_冲程与这个原理相同；内燃机工作时，产生的噪声和_会对环境造成污染。【答案】 (1) 热传递 减小 (2) 做功 废气【解析】(1)改变内能的方式有两种：做功和热传递。给水加热是通过热传递的方式，将酒精燃烧产生的内能转移到水中，使水的内能增加。木塞被推出是因为水蒸气通过做功的方式，将自身内能转化为木塞的机械能，此过程水蒸气内能减少，温度降低。(2)四冲程中，做功冲程是内燃机中高温高压的气体将内能转化为活塞的机
14、械能，推动活塞向下运动，从而实现对外做功，与(1)中木塞被推出的原理相同。内燃机工作时，产生的噪声和废气会对环境造成污染。7(2020山西模拟)如图是四冲程汽油工作状态示意图，由图可以看出，此时它正处在冲程，当燃料混合在气缸内燃烧时将能转化为内能。【答案】压缩；化学。【解析】(1)汽油机一个工作循环有四个冲程，分别是吸气、做功、压缩和排气，其中只有做功冲程对外做功，在做功冲程中，燃料的化学能转化为内能，而内能又转化为机械能；汽油机的做功冲程特点是火花塞点火，在做功冲程对外输出功。从图中可以看出，两气门都关闭和活塞向上运动的特点，可以判断这个冲程是压缩冲程。(2)燃料燃烧的过程，是将燃料的化学能
15、转化为内能的过程。汽油机工作时，汽油在气缸内燃烧时将化学能转化为内能。8.(2020江西模拟)一单缸四冲程汽油机，飞轮转速为3000r/min，则1s对外做功次，若其效率为30%，消耗100g汽油，对外做功 J若水箱中5kg水由20升高到100，水吸收 J热量 (q汽油=4.6107J/kg)【答案】1.38106；1.68106【解析】由Q=mq和=W/Q计算汽油燃烧对外所做的功；由Q=cmt计算水吸热的多少。(1)汽油完全燃烧放出的热量：Q=mq=0.1kg4.6107J/kg=4.6106J，由=W/Q可得，汽油机对外做的功为：W=30%Q=30%4.6106J=1.38106J。(2)
16、水吸收热量：Q吸=cmt=4.2103J/(kg)5kg(10020)=1.68106J。9.(2020哈尔滨模拟)在热机的四个冲程中，把机械能转化为内能的是 冲程。汽油机工作时要产生大量的热，通常采用水循环将热带走，这是利用水 的特性。【答案】压缩；比热容大【解析】(1)在热机的四个冲程中，压缩冲程是机械能转化为内能，做功冲程是内能转化为机械能，排气和吸气冲程没有能的转化；在热机的四个冲程中，把机械能转化为内能的是压缩冲程.(2)对水的比热容大的理解：相同质量的水和其它物质比较，吸收或放出相同的热量，水的温度升高或降低的少；升高或降低相同的温度，水吸收或放出的热量多。汽车的散热器可用水做冷却
17、剂，是因为水的比热容比较大，在升高相同的温度时可以吸收更多的热量，降低发动机的温度。10.(2020新疆模拟)甲图中，迅速向下压活塞，能量的转化情况是 。乙图内燃机的工作过程中与甲图能转化情况相同的是 (选填图中的代号)。【答案】机械能转化为内能；B。【解析】(1)对物体做功，是机械能转化为内能；(2)由进气门和排气门的关闭和打开情况、活塞的上行和下行情况来判断是哪个冲程；四个冲程中压缩冲程是机械能转化为内能，做功冲程是内能转化为机械能，排气和吸气冲程没有能的转化。图甲中，迅速向下压活塞，活塞的机械能转化为筒内空气的内能；图乙中：A.进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，是吸气冲程，没有能量转
18、化；B.两个气门都关闭，活塞向上运动，是压缩冲程，将机械能转化为内能，故B符合题意；C.两个气门都关闭，活塞向下运动，是做功冲程，将内能转化为机械能；D.排气门打开，进气门关闭，活塞向上运动，是排气冲程，没有能量转化。11(2020南宁模拟)汽车的发动机常用水作为降温的物质，这是因为水的_较大的缘故。汽油的热值是4.6107J/kg，1kg汽油完全燃烧放出的热量是_J。目前热机的效率还比较低，在热机的能量损失中，_带走的能量最多，设法利用这部分能量，是提高燃料利用率的重要措施。【答案】比热容 4.6107 废气【解析】汽车的发动机常用水作为降温的物质，是因为水的比热容较大的缘故；1kg汽油完全
19、燃烧放出的热量是Q=qm=4.6107J/kg1kg=4.6107J；热机的能量损失中，废气带走的能量最多。三、综合应用题12(2020沈阳模拟)某汽车在平直路面上以75km/h的速度匀速行驶1h的过程中，消耗了5kg汽油，汽油燃烧释放能量的40%随废气通过热电转换装置，如图所示，汽油热值近似取q=5107J/kg，设汽油在气缸内完全燃烧(1)图示时刻，四冲程汽油机处于冲程；若该汽油机每分钟完成7200个冲程，则它每秒钟完成 个工作循环(2)若上述过程中汽油燃烧释放能量的30%用来驱动汽车行驶，求汽车所受的阻力f；(3)研究表明新材料的出现可将热电转换装置的效率大幅提高到15%，据此计算，上述
20、过程中随废气排放的能量通过转换装置后可获得多少电能？这些电能可供车内总功率为1000W的用电器持续工作多长时间？【答案】(1)压缩；30；(2)汽车所受的阻力f是103N；(3)随废气排放的能量通过转换装置后可获得1.5107J的电能；这些电能可供车内总功率为1000W的用电器持续工作 1.5104s【解析】由进气门和排气门的关闭和打开情况、活塞的上行和下行情况来判断是哪个冲程；热机完成一个工作循环，要经过4个冲程，燃气对外做功1次，活塞往返2次，飞轮转动2周，根据这个比例关系可以求出答案；根据W=Q放=mq求得总功，已知燃烧效率为30%，可求得有用功；根据求得的汽车在这段时间内所做的有用功，
21、利用W=Fs可求得汽车匀速行驶过程中的牵引力，再利用二力平衡条件可知其所受的阻力；汽油燃烧释放能量的40%随废气通过热电转换装置，可求转化的能量，由提高到15%可求转换的电能，由W=Pt可求时间(1)由图可知，进气门和排气门都是关闭的，活塞上行，可以判断是压缩冲程；该汽油机每分钟完成7200个冲程，故每秒完成120个冲程，热机完成一个工作循环，要经过4个冲程，燃气对外做功1次，活塞往返2次，飞轮转动2周，若该汽油机每秒完成120个冲程，则每秒它对外做功30次，完成30个工作循环，飞轮转动20周；(2)汽油完全燃烧释放的热量：Q放=mq汽油=5kg5107J/kg=2.5108J；根据=可得有用
22、功：W有=W总=30%2.5108J=7.5107J；由v=可得，汽车在平直路面上以75km/h的速度匀速行驶1h的过程中，通过的路程：s=vt=75km/h1h=75km=75000m，由W=Fs可得，汽车匀速直线行驶，F=f，f=F=103N；(3)汽油燃烧释放能量的40%，由公式Q=Q1=2.5108J40%=1108J，转换的电能：W=Q2=1108J15%=1.5107J；由P=可得，这些电能可供车内总功率为1000W的用电器持续工作的时间：t=1.5104s13(2020苏州模拟)2019年1月3日，我国“嫦娥四号”探测器在月球背面成功着陆，标志着我国探月工程取得历史性突破。(1)
23、“嫦娥四号”到达月球上方后，使用高热值燃料发动机开始点火工作，该发动机 (填“属于”或“不属于)热机。“嫦娥四号”减速落月过程中，其动能不断 (填“增大”或“减小”)，“嫦娥四号相对于其内部的巡视器是 (填“运动”或“静止”)的。(2)“嫦娥四号”降落到距月球表面100m时，开始悬停并寻找着陆点。悬停时，“嫦娥四号”发动机的推力为2.5103N，则“嫦娥四号”的重力为 N。“嫦娥四号”从100m高竖直降落到月球表面所用的时间为80s，该过程中“嫦娥四号”的平均速度为 m/s，重力(忽略其变化)做的功为 J。【答案】(1)属于；减小；静止；(2)2.5103；1.25；2.5105；【解析】本题综合考查热能、机械能、功和能、机械运动等知识。(1)嫦娥四号的发送机用燃料燃烧产生的热量进行工作，属于热机。嫦娥四号减速过程中，质量不变，速度变小，所以其动能减小。嫦娥四号相对于其内部的巡视器是静止的，因为二者固定在一起。(2)悬停时，嫦娥四号受力平衡，所以其重力大小等于发动机的推力，为2.5103N。下落过程中，v=s/t=1.25m/s，重力做的功W=Gh=2.5103N100m=2.5105J。