12.4機械能與內能的相互轉化（原卷版）2

蘇科版九年級上冊第十二章《機械能和內能》12.4機械能與內能的相互轉化【知識梳理】一、改變物體內能的另一種方式——做功1．對物體做功甲乙丙?。?）將鐵絲快速彎折多次,用手指觸摸一下彎折處,我們會發(fā)現(xiàn)彎折處溫度較高,這說明我們對鐵絲做功鐵絲的內能增加,溫度升高（2）將一個鐵釘用鐵錘反復敲打,一段時間后被敲打的鐵釘很燙,這說明我們對鐵釘做功,鐵釘?shù)膬饶茉黾?溫度升高（3）用如圖甲所示的空氣壓縮引火儀進行實驗我們通過活塞對筒內的封閉氣體做功,氣體的內能增加,溫度升高,當達到棉花的著火點時,棉花燃燒了（4）如圖乙所示,將刀在磨刀石上來回迅速摩擦,人克服摩擦做功,則刀和磨刀石的溫度升高,說明它們的內能增加了。以上實驗說明,我們對物體做功時,消耗的機械能轉化為內能,使物體的內能增加，溫度升高。2．物體對外做功試管內裝一些水，放在火上加熱，使水沸騰，水蒸氣會把木塞頂起來，水蒸氣瞬間變成白氣，說明物體的內能轉化為了機械能，溫度降低。歸根到底：做功是改變物體內能的一種方式物體對外做功（如爆炸、膨脹）內能→機械能外力對物體做功（如彎折、壓縮、敲打、摩擦）機械能→內能二、熱機（1）一種將內能（燃料產生的高溫、高壓燃氣）轉化為機械能的裝置。（2）汽油機工作循環(huán)①吸氣沖程：進氣門打開，排氣門關閉，活塞向下運動，吸入汽油和空氣的混合氣；②壓縮沖程：進氣門關閉，排氣門關閉，活塞向上運動，活塞壓縮缸內氣體，氣體溫度升高，活塞的機械能轉化為壓縮氣體的內能，當活塞運動到頂端時，混合氣體溫度達到最高；③做功沖程：進氣門關閉，排氣門關閉，當活塞在頂端時，火花塞點火，汽油燃燒，產生高溫高壓的燃氣，對活塞做功，活塞向下運動，氣體的內能轉化為活塞的機械能；④排氣沖程：進氣門關閉，排氣門打開，活塞向上運動，排出燃燒后的廢氣。沖程名稱吸氣沖程壓縮沖程做功沖程排氣沖程氣門開、關情況只有一個氣門（進氣門）打開兩個氣門都關閉兩個氣門都關閉只有一個氣門（排氣門）打開活塞的運動方向向下運動向上運動向下運動向上運動能量的轉化情況機械能轉化成內能內能轉化成機械能注意：沖程是指活塞從汽缸的一端運動到另一端。（3）汽油機和柴油機的不同處項目構造吸入氣缸的物質點燃方式效率汽油機氣缸頂部有一個火花塞空氣和汽油混合物點燃式效率較低柴油機氣缸頂部有一個噴油嘴空氣壓燃式效率較高三、燃料的熱值1．探究不同燃料的放熱能力【實驗器材】鐵架臺、燒杯、玻璃棒、溫度計、酒精燈、石棉網(wǎng)【實驗設計】如圖所示,用天平測出質量為10g的煤油和10g的菜籽油分別放入燃燒皿中,點燃后,給兩個完全相同的燒杯和質量、溫度相同的水加熱,待煤油和菜籽油充分燃燒后分別記錄水的溫度加熱前的水溫/℃燃料燃盡后的水溫/℃溫度變化/℃10g煤油10g菜籽油【實驗方法】①轉換法將吸收熱量的多少轉化為溫度計示數(shù)的變化②控制變量法控制相同的被加熱條件、燃料的質量相等【實驗分析】質量相等的煤油和菜籽油充分燃燒，水溫的變化不同，燃燒煤油使水的溫度變化較大【實驗結論】質量相等的不同燃料，在完全燃燒時放出的熱量一般是不相等的。2．燃料的熱值：（1）定義：燃料完全燃燒放出的熱量與燃燒的質量(固體、液體)或體積(氣體)之比，用q表示（2）定義式：(固體、液體)或（3）單位：J/kg或J/m3（4）物理意義：單位質量的某種燃料完全燃燒放出的熱量。（5）熱值是燃料的屬性，與質量、體積、是否完全燃燒無關，與燃料的種類有關。不同燃料的熱值一般不同。3．燃料燃燒放熱的計算公式：(固體、液體)或(氣體)四、熱效率1．加熱效率（1）有效利用的熱量與燃料完全燃燒釋放的總能量的比值,就是熱效率。（2）公式：或。2．熱機效率（1）熱機效率：熱機工作時,用來做有用功的能量與燃料完全燃燒放出的能量之比,叫作熱機效率（2）公式：①熱機所做的有用功W有用往往是熱機對外的牽引力F使得熱機在水平方向上通過一定的距離s，當勻速運動時，牽引力F與阻力f相等，于是有；②是燃料燃燒放出的熱量或，所以熱機效率公式可變形為：或。（3）能量損失的原因如圖所示是內燃機的能量流向圖,燃料燃燒產生的內能,相當大一部分被廢氣帶走,只有很少一部分轉化為有用的機械能,所以熱機效率一般都很低（4）提高熱機效率的途徑

①使燃料充分燃燒;②盡量減少各種熱損失;③在熱機的設計和制造上,采用先進技術;④注意保養(yǎng),保持機械部件良好的潤滑,減少因克服摩擦阻力而消耗的能量【易錯點】1．熱機的壓縮沖程是活塞對氣體壓縮，做功沖程是燃氣對活塞做功。2．熱值是物質的屬性，只與物質種類有關，與其他因素均無關。3．溫度、內能、熱量之間的關系①內能和溫度的關系物體內能的變化，不一定引起溫度的變化。這是由于物體內能變化的同時，有可能發(fā)生物態(tài)變化。物體在發(fā)生物態(tài)變化時內能變化了，溫度有時變化有時卻不變化。如晶體的熔化和凝固過程，還有液體沸騰過程，內能雖然發(fā)生了變化，但溫度卻保持不變。溫度的高低，標志著物體內部分子運動速度的快慢。因此，物體的溫度升高，其內部分子無規(guī)則運動的速度增大，分子的動能增大，因此內能也增大，反之，溫度降低，物體內能減小。因此，物體溫度的變化一定會引起內能的變化。②內能與熱量的關系物體的內能改變了，物體卻不一定吸收或放出了熱量，這是因為改變物體的內能有兩種方式：做功和熱傳遞。即物體的內能改變了，可能是由于物體吸收（或放出）了熱量也可能是對物體做了功（或物體對外做了功）。而熱量是物體在熱傳遞過程中內能變化的量度。物體吸收熱量，內能增加，物體放出熱量，內能減少。因此物體吸熱或放熱，一定會引起內能的變化。熱量的實質是內能的轉移過程。例如兩個物體之間發(fā)生熱傳遞，高溫物體放出了50J的熱量，表示它的內能減少了50J；同樣低溫物體吸收了50J的熱量，則內能增加了50J，實際上就是50J的內能從高溫物體傳給了低溫物體。物體吸收熱量，分子運動劇烈，內能增加，但內能的增加不僅可以通過吸熱來實現(xiàn)，還可以通過對物體做功來實現(xiàn)。在不清楚內能變化的過程時，我們不能肯定究竟是通過哪種方式實現(xiàn)的。另外要注意的是熱量是一個過程量，而內能是狀態(tài)量，因此我們不能說物體含有熱量。③熱量與溫度的關系物體吸收或放出熱量，溫度不一定變化，這是因為物體在吸熱或放熱的同時，如果物體本身發(fā)生了物態(tài)變化（如冰的熔化或水的凝固）。這時，物體雖然吸收（或放出）了熱量，但溫度卻保持不變。物體溫度改變了，物體不一定要吸收或放出熱量，也可能是由于對物體做功（或物體對外做功）使物體的內能變化了，溫度改變了?！疽?guī)律總結】1．曲軸旋轉2圈，活塞往復2次，四沖程，對外做功一次。2．汽油機和柴油機工作的四個沖程中，只有做功沖程是燃氣對活塞做功，其它三個沖程要靠飛輪的慣性完成。3．判斷汽油機和柴油機工作屬哪個沖程應抓住兩點：一是氣門的開與關；二是活塞的運動方向【典例分析】1．（2022·上海長寧·八年級期末）如圖所示，某同學探究物體對外做功時能量的轉化情況。他利用酒精燈給試管和水加熱如圖（a），當水沸騰后，水蒸氣會把瓶塞“沖”出去如圖（b），在研究過程中發(fā)現(xiàn)，如將瓶塞塞的緊一些，酒精燈對試管和水的加熱時間會長一些，瓶塞被“沖”出去的距離會遠一些如圖（c）。（1）觀察圖（a）和圖（b）或圖（a）和圖（c），在水蒸氣把瓶塞“沖”出去的過程中，水蒸氣對瓶塞______，在此過程中，能量的轉化情況是______；（2）分析比較圖（b）和圖（c）的實驗現(xiàn)象，可以得出初步結論：______。2．（2021·上海新中·八年級期末）下列選項中，稱為熱機的是（）A．冰箱壓縮機 B．風扇電動機C．水力發(fā)電機 D．燃油汽車發(fā)動機3．（2021·陜西西安·九年級期中）如圖所示是四沖程汽油機的其中一個沖程剖面圖，下列描述正確的是（）A．吸氣沖程中，只有汽油被吸入汽缸B．壓縮沖程中，通過做功的方式使汽缸內氣體的內能減小C．做功沖程中，燃料釋放的能量少部分轉化為機械能D．排氣沖程中，廢氣帶走了燃料釋放的能量的極少部分4.（2022·湖北黃岡·九年級期中）關于汽油機和柴油機的區(qū)別，下列說法中你認為不妥的是（）A．柴油機比汽油機費用低廉，但比較笨重B．柴油機吸入汽缸的是空氣，汽油機吸入汽缸的是汽油和空氣的混合物C．汽油機的汽缸頂部有噴油嘴，柴油機的頂部有火花塞D．在做功沖程中，柴油機的點火方式是壓燃式，汽油機的點火方式是點燃式5.（2022·黑龍江齊齊哈爾·中考真題）一臺單缸四沖程汽油機，當飛輪轉速是2400r/min時，它每秒鐘對外做功___________次；做功沖程是將___________轉化為機械能。6.（2022·遼寧錦州·中考真題）如圖所示是我國自行設計研制的AG600全狀態(tài)新構型滅火飛機。若該飛機以270km/h的速度勻速直線航行20min，消耗航空燃油1.35t，飛機發(fā)動機的功率為2.25×107W。（航空燃油的熱值為4×107J/kg）求：（1）消耗的航空燃油完全燃燒放出的熱量是多少？（2）飛機在航行過程中的阻力是多少？（3）發(fā)動機的效率是多少？【思路小結】1．搞清楚熱機整個工作循環(huán)的能量轉化、活塞運動、氣門開閉，是解決熱機問題的關鍵。2．熱機效率與機械效率類似，都是有用能量（功）與總能量（功）的比值。【精典訓練】一、單選題1．（2022·陜西咸陽·九年級期末）煲湯沸騰時，鍋蓋不斷被水蒸氣頂起而發(fā)生“跳動”，在此過程中，涉及到的有關物理現(xiàn)象表述不正確的是（）A．溫度越高，水分子運動越劇烈，就有越多的水分子“外逃”到空氣中B．鍋蓋“跳動”過程的能量轉化與內燃機的做功沖程相似C．煲湯過程中，主要是通過熱傳遞的方式改變內能的D．湯沸騰時比沸騰前的溫度高，含有的熱量多2．（2022·安徽蚌埠·九年級期末）如圖四個實驗中的能量轉化方式與汽油機的做功沖程相同的是（）A．滾擺向下運動 B．電火花發(fā)生器點火后將盒蓋頂出C．向下壓縮空氣引火儀 D．酒精燈加熱杯中冷水3．（2022·遼寧撫順·九年級期末）小紅對學習過的汽油機和柴油機進行了比較，其中說法錯誤的是（）A．它們都有四個沖程B．它們都可以將內能轉化為機械能C．它們安裝有火花塞D．它們都是靠做功沖程來提供動力4．（2022·湖北黃石·九年級期末）下圖為汽油機工作時的四個沖程，能使汽車獲得動力的沖程是（）A．B．C．D．5．（2022·湖北宜昌·中考真題）關于燃料及其熱值，下列說法中正確的是（）A．沒有燃燒的燃料，熱值等于零B．燃料完全燃燒時，它的熱值最大C．燃料的熱值與質量和燃燒狀態(tài)無關D．燃料燃燒時溫度越高，放出的熱量越多6．（2022·四川成都·九年級期中）關于熱機效率，下列說法中正確的是（）A．熱機效率越高，即熱機做的有用功越多B．熱機單位時間內耗費的燃料少，效率一定高C．要提高熱機效率，就要盡量減少各種能量損失，并且要保證良好的潤滑D．通過技術改進，熱機效率可達100%7．（2022·廣東廣州·中考一模）熱機的效率是熱機性能的重要指標，如圖所示是熱機的能量流向圖，則熱機的效率等于（）A．×100% B．×100%C．×100% D．×100%二、填空題8．（2022·湖北荊州·九年級期末）使用清潔能源天然氣有助于國家提出的2060年前實現(xiàn)碳中和的目標。某同學家使用天然氣熱水器，平均每天需將質量為100kg的水從18℃加熱到58℃，水吸收的熱量為_____J，若天然氣完全燃燒放出熱量的70%被水吸收，則熱水器平均每天消耗天然氣_____m3[c水=4.2×103J/(kg?℃)，q天然氣=4.0×107J/m3]。9．（2022·內蒙古通遼·九年級期末）已知汽油的熱值為4.6×107J/kg，表示的意思是______，完全燃燒50g汽油所釋放的熱量是______J，若發(fā)動機獲得的機械能是9.2×105J，該發(fā)動機的效率是______。若在使用中汽油不完全燃燒，則它的熱值______（選填“變大”“變小”或“不變”）。10．（2021·山東臨沂·九年級期末）如圖所示，該沖程為汽油機的______沖程，其中飛輪的轉速為3600r/min。則這臺汽油機活塞在1s內對外做功______次，共完成了______個沖程。11．（2021·江蘇鹽城·九年級期末）用天然氣灶將一壺質量為2kg、初溫為5℃的水加熱到55℃，消耗了16g天然氣。已知水的比熱容為，天然氣的熱值為4.2×107J/kg，則天然氣完全燃燒放出的熱量為___________J，水吸收的熱量為___________J，天然氣灶燒水