内能利用如何提升效率？
校园之窗 2026年1月17日 07:16:46 99ANYc3cd6
核心概念回顾
在学习“内能的利用”之前，必须牢固掌握以下几个基础概念，它们是理解后续内容的关键：
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内能：
（图片来源网络，侵删）- 定义：物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和。
- 影响因素：物体的温度（分子动能的主要标志）、质量（分子数量）、状态（分子间距，影响分子势能）和物质种类。
- 改变方式：做功（对物体做功，内能增大；物体对外做功，内能减小）和热传递（物体吸热，内能增大；物体放热，内能减小）。
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热量：
- 定义：在热传递过程中，传递内能的多少，它是一个过程量，不能说“物体含有热量”。
- 单位：焦耳。
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比热容：
- 定义：单位质量的某种物质，温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量，它是物质的一种属性。
- 物理意义：反映物质吸热或放热能力的强弱，比热容越大，温度越难改变（如水）。
- 公式：
Q = cmΔt(Q:热量, c:比热容, m:质量, Δt:温度变化量)。
内能的两大主要途径
内能的利用主要分为两个方面：利用内能来加热和利用内能来做功。
(一) 利用内能来加热 (Heat Transfer)
- 原理：将燃料燃烧时释放的化学能转化为内能，然后通过热传递的方式将内能转移给其他物体，以满足人们的需求（如取暖、烧水、做饭等）。
- 核心思想：能量的转移，内能从一个物体（高温物体，如火焰）转移到另一个物体（低温物体，如水壶）。
- 实例：
- 烧水做饭：燃料（天然气、煤气）的化学能 → 火焰的内能 → 通过热传递给水壶和水 → 水和壶的内能增加，温度升高。
- 冬季取暖：暖气片、火炉等将内能传递给室内空气，提高室温。
- 提高燃料利用率的方法：
- 增大接触面积：将燃料粉碎、制成蜂窝煤，使其与氧气充分接触，燃烧更完全。
- 增大氧气供给：用鼓风机向炉膛内吹入空气，提供充足氧气。
- 充分利用废气内能：现代大型锅炉利用废气来预热进入炉膛的空气，既提高了燃料利用率，又减少了环境污染。
(二) 利用内能来做功 (Work Done)
- 原理：将燃料燃烧释放的内能转化为机械能，驱动机器对外做功。
- 核心思想：能量的转化，内能 → 机械能。
- 实例：
- 热机：将内能转化为机械能的机器，蒸汽机、内燃机（汽油机、柴油机）、汽轮机、喷气发动机等。
- 生活中的应用：汽车、火车、轮船、飞机等都是利用热机作为动力源的。
热机——内能做功的典型代表
九年级物理主要学习的是内燃机，它是在气缸内燃烧燃料的热机，内燃机分为汽油机和柴油机。
共同点
- 都有气缸和活塞。
- 都通过吸气、压缩、做功、排气四个冲程来实现能量的转化。
- 都有一个火花塞（汽油机）或喷油嘴（柴油机）。
- 都是将燃料的化学能最终转化为机械能。
汽油机与柴油机的区别
| 特征 | 汽油机 (Gasoline Engine) | 柴油机 (Diesel Engine) |
|---|---|---|
| 燃料 | 汽油 | 柴油 |
| 气缸顶部 | 火花塞 (用于点火) | 喷油嘴 (用于喷入柴油) |
| 吸气冲程 | 吸入汽油和空气的混合物 | 只吸入纯空气 |
| 压缩冲程 | 压缩比小 (约为10:1 到 12:1)，压缩程度小 | 压缩比大 (约为15:1 到 22:1)，压缩程度大 |
| 点火方式 | 点燃式 (压缩冲程末，火花塞产生电火花点燃) | 压燃式 (压缩冲程末，空气被压缩后温度很高，喷油嘴喷入柴油后立即自燃) |
| 效率 | 较低 (约 20% - 30%) | 较高 (约 30% - 45%) |
| 优点：轻便、噪音小 缺点：效率低、易爆震 |
优点：效率高、功率大、经济 缺点：笨重、噪音大 |
四个冲程详解 (以汽油机为例)
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吸气冲程：
- 活塞：向下运动。
- 进气门：打开，排气门：关闭。
- 工作：吸入汽油和空气的混合物。
- 能量转化：无。
-
压缩冲程：
- 活塞：向上运动。
- 进气门：关闭，排气门：关闭。
- 工作：混合物被压缩，温度升高，压强增大。
- 能量转化：机械能 → 内能。
-
做功冲程：
- 活塞：向下运动。
- 进气门：关闭，排气门：关闭。
- 工作：火花塞点火，混合物猛烈燃烧，产生高温高压燃气，推动活塞做功。
- 能量转化：内能 → 机械能。（唯一对外做功的冲程，是能量的主要来源）
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排气冲程：
（图片来源网络，侵删）- 活塞：向上运动。
- 进气门：关闭，排气门：打开。
- 工作：将废气排出气缸。
- 能量转化：无。
注意：
- 四个冲程为一个工作循环，活塞往复两次，曲轴转动两周，对外做功一次。
- 在四个冲程中,只有做功冲程是燃气对外做功，其他三个冲程都需要靠飞轮的惯性来完成。
热机的效率与环境保护
热机的效率
- 定义：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧所释放的能量之比。
- 公式：
η = (W_有用 / Q_总) × 100%W_有用：热机对外做的有用功。Q_总：燃料完全燃烧放出的总热量 (Q = mq，m为燃料质量，q为热值)。
- 提高热机效率的途径：
- 使燃料充分燃烧。
- 尽量减少各种热量损失（如废气带走的热量、克服摩擦消耗的能量、散热损失等）。
- 在技术上不断创新（如改进热机结构，采用冷却液等）。
热值
- 定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，它是燃料的一种属性。
- 物理意义：反映燃料燃烧放热本领的强弱。
- 公式：
q = Q / m(q:热值, Q:热量, m:质量)。 - 单位：焦耳/千克 (J/kg)。
环境保护
热机在为人类提供动力的同时,也带来了严重的环境问题：
- 污染：
- 大气污染：燃料燃烧会产生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、粉尘等有害气体，形成雾霾、酸雨。
- 热污染：废气中含有大量废热，排放到环境中会造成局部气温升高。
- 保护措施：
- 改进燃烧技术：如使用清洁能源（天然气、氢能），推广无铅汽油。
- 加装净化装置：如在汽车的排气管上安装催化转化器，将有害气体转化为无害物质。
- 使用新能源：如电动汽车、太阳能汽车等，从根本上减少化石燃料的使用。
知识结构图
内能的利用
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+-----------------+-----------------+
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利用内能来加热 利用内能来做功
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(能量的转移) (能量的转化)
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实例：烧水、取暖 热机 (如：内燃机)
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+-------+-------+
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汽油机 柴油机
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四个冲程 四个冲程
(吸气、压缩、 (吸气、压缩、
做功、排气) 做功、排气)
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能量转化：内能 → 机械能
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效率 (η = W_有用 / Q_总)
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+-------+-------+
| |
热值 (q) 环境保护
(燃料属性) (大气污染、热污染)典型例题与解题思路
例1： 汽油机的四个冲程中，将内能转化为机械能的是哪个冲程？哪个冲程是依靠飞轮的惯性来完成的？
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解题思路：
- 回顾四个冲程的能量转化。
- 做功冲程是燃气燃烧膨胀推动活塞,内能减少，活塞获得机械能，所以是内能转化为机械能。
- 除了做功冲程,其他三个冲程（吸气、压缩、排气）都是活塞依靠飞轮的惯性来运动的。
-
答案：做功冲程将内能转化为机械能，吸气、压缩、排气三个冲程是依靠飞轮的惯性来完成的。
例2： 一台汽油机，飞轮转速为3600r/min，则它每秒钟完成多少个做功冲程？
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解题思路：
- 单位换算：3600 r/min = 60 r/s，即飞轮每秒转60圈。
- 理解工作循环：一个工作循环包含4个冲程，飞轮转2圈，对外做功1次。
- 计算工作循环次数：每秒60圈，每2圈为一个循环，所以每秒有 60 / 2 = 30 个工作循环。
- 计算做功次数：每个循环做功1次，所以每秒做功30次。
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答案：它每秒钟完成30个做功冲程。
例3： 某汽车发动机的效率为30%，已知汽油的热值为 6 × 10^7 J/kg，若该汽车行驶100km消耗了5kg汽油，求：
(1) 这些汽油完全燃烧放出的热量是多少？
(2) 这些汽油完全燃烧释放的能量中有多少焦耳是用于做有用功的？
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解题思路： (1) 利用燃料燃烧放热公式
Q = mq直接计算。 (2) 利用效率公式η = W_有用 / Q_总的变形W_有用 = Q_总 × η来计算有用功。 -
解答： (1) 汽油完全燃烧放出的总热量：
Q_总 = mq = 5kg × 4.6 × 10^7 J/kg = 2.3 × 10^8 J(2) 用于做有用功的能量：W_有用 = Q_总 × η = 2.3 × 10^8 J × 30% = 6.9 × 10^7 J -
答案：(1) 这些汽油完全燃烧放出的热量是
3 × 10^8 J。(2) 用于做有用功的能量是9 × 10^7 J。
希望这份详细的梳理能帮助你全面掌握“内能的利用”这一章节！学习时，要注重理解概念的本质，并结合生活实例和热机的工作过程来加深记忆。
