明確考點(diǎn)解讀熱機(jī)

最初出現(xiàn)的熱機(jī)是蒸汽機(jī)，最早的蒸汽機(jī)很笨重，后來(lái)許多人對(duì)它不斷改進(jìn)，其中貢獻(xiàn)最大的是英國(guó)人瓦特．現(xiàn)代的熱機(jī)種類很多，例如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等．下面我們從熱機(jī)的工作原理、內(nèi)燃機(jī)的四沖程、熱機(jī)的效率三方面來(lái)學(xué)習(xí)．

熱機(jī)的工作原理

熱機(jī)種類很多，但其本質(zhì)都是利用內(nèi)能做功的機(jī)械．它在工作時(shí)一般存在兩個(gè)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程：一是通過(guò)燃燒將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，二是將燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，做題時(shí)同學(xué)們一定要細(xì)心審題．

例1 2024年4月25日，搭載“神舟十八號(hào)”載人飛船的“長(zhǎng)征二號(hào)F遙十八”運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，火箭升空時(shí)將燃料燃燒產(chǎn)生的____能轉(zhuǎn)化為____能.

解析：火箭升空過(guò)程中，通過(guò)燃燒將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，又將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為火箭的機(jī)械能．

答案：內(nèi) 機(jī)械

內(nèi)燃機(jī)的四沖程

常見的四沖程內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)由吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程組成，在這四個(gè)沖程中，只有壓縮沖程和做功沖程存在能量轉(zhuǎn)化，壓縮沖程中將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，做功沖程中將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．沖程個(gè)數(shù)、做功次數(shù)和飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)周數(shù)的關(guān)系為“一周兩個(gè)沖程，兩周一次功”．

辨別內(nèi)燃機(jī)沖程的方法是：一看氣門開閉情況，二看活塞運(yùn)動(dòng)方向．若進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，則此沖程為吸氣沖程；若進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開，則此沖程為排氣沖程；若兩氣門都關(guān)閉，且活塞向上運(yùn)動(dòng)，則此沖程為壓縮沖程：若兩氣門都關(guān)閉，且活塞向下運(yùn)動(dòng)，則此沖程為做功沖程.

例2 圖1所示是單缸四沖程汽油機(jī)某一沖程．作示意圖，該沖程是____沖程．若汽油機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)速為1 800 r/min．則該汽油機(jī)Is對(duì)外做功____次，完成____個(gè)沖程．

解析：由圖1可知，汽油機(jī)的進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉，活塞向上運(yùn)動(dòng)，所以此沖程為壓縮沖程．汽油機(jī)的飛輪1 min轉(zhuǎn)1 800 r，因?yàn)轱w輪轉(zhuǎn)一周完成兩個(gè)沖程，轉(zhuǎn)兩周對(duì)外做一次功，所以汽油機(jī)1 min完成3 600個(gè)沖程，對(duì)外做功900次，Is完成60個(gè)沖程，對(duì)外做功15次．

答案：壓縮 15 60

熱機(jī)的效率

熱機(jī)的效率問(wèn)題是難點(diǎn)，解決熱機(jī)的效率問(wèn)題的關(guān)鍵是弄清燃料完全燃燒放出的熱量及熱機(jī)工作過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程．

1．熱量的計(jì)算

熱值是燃料本身的一種特性，它只與燃料的種類有關(guān)，與燃料的質(zhì)量、體積，燃料是否燃燒、是否完全燃燒等均無(wú)關(guān)，它在數(shù)值上等于1 kg或1 m3某種燃料完全燃燒放出的熱量，計(jì)算燃料完全燃燒放出的熱量時(shí)，選擇公式Q=mq還是Q=vq不是看燃料是固體、液體還是氣體，而是看熱值的單位．當(dāng)熱值的單位為J/kg時(shí)用Q=mq計(jì)算，當(dāng)熱值的單位為J/m3時(shí)用Q=Vq計(jì)算．

例3 2024年5月3日17時(shí)27分，“嫦娥六號(hào)”探測(cè)器由“長(zhǎng)征五號(hào)遙八”運(yùn)載火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射（如圖2），“長(zhǎng)征五號(hào)遙八”運(yùn)載火箭使用液氫作為燃料，是因?yàn)樵撊剂暇哂休^大的（ ）．

A．熱值 B．比熱容

C．密度 D．體積

解析：火箭升空過(guò)程中，將燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在火箭運(yùn)載能力有限的情況下，燃料的熱值越大越好，這樣它在燃燒時(shí)就會(huì)給火箭提供更多的能量，故B、C、D不符合題意，A符合題意.

答案：A

例4 某轎車在從北京到鄭州的行駛過(guò)程中，消耗了50 L汽油，則油箱中剩余汽油的熱值____（填“變大”“變小”或“不變”），消耗的這些汽油完全燃燒放出的熱量為____．（ρ燃油=0.8×103 kg/m3，q燃油=4.5×107 J/kg）

解析：熱值是燃料本身的一種特性，它只與燃料的種類有關(guān)，因此剩余汽油的熱值不變．此題給出的熱值的單位為J/kg，因此我們要用公式Q=mq來(lái)計(jì)算放出的熱量.50 L汽油的質(zhì)量m=ρ燃油V=0.8×103 kg/m3×50×10-3 m3=40 kg，這些汽油完全燃燒放出的熱量Q=mq燃油=40 kg×4.5×107 J/kg=1.8×109 J．

答案：不變 1.8×109 J

2．熱機(jī)的效率的計(jì)算

熱機(jī)工作過(guò)程中，燃料燃燒釋放的能量只有一部分用來(lái)做有用功，還有相當(dāng)一部分能量散失了，用來(lái)做有用功的那部分能量，與燃料完全燃燒放出的能量之比，叫作熱機(jī)的效率．若用W表示牽引力做的功，Q表示燃料完全燃燒釋放的能量，則計(jì)算熱機(jī)的效率的公式為η=W/Q×100%．

例5 水上摩托運(yùn)動(dòng)是集高科技、競(jìng)技和驚險(xiǎn)刺激于一體，富有現(xiàn)代文明特征的高速水上運(yùn)動(dòng)（如圖3）．某水上摩托的油箱容積為10 L，加滿一次燃油最多能使它以20 m/s的速度勻速航行1 h．該過(guò)程中牽引力做的功為1.44×108 J．已知ρ燃油=0.8×103 kg/m3．q燃油=4.5×107 J/kg，求：

（1）一滿箱燃油完全燃燒放出的熱量．

（2）該水上摩托的熱機(jī)的效率．

解析：（1）因?yàn)槿加偷臒嶂档膯挝粸镴/kg，所以計(jì)算熱量要用Q=mq.已知燃油的熱值，我們需先求出燃油的質(zhì)量.（2）利用公式η=（W/Q）×100%可計(jì)算該水上摩托的熱機(jī)的效率．

答案：（1）油箱容積V=I0 1=0.01 m3，一滿箱燃油的質(zhì)量m=ρ燃油V=0.8×103 kg/m3×0.01 m3=8 kg.一滿箱燃油完全燃燒放出的熱量Q=mq燃油=8 kg×4.5×107 J/kg=3.6×108 J.（2）該水上摩托的熱機(jī)的效率η=W×1000/0=（1.44×10 8J/3.6×10 8J）×100%=40%.