《热机》教学课例 人教课标九年级下

【学习目标】

1．了解四冲程汽油机的基本工作原理；

2．从能量转化的角度认识燃料的热值；

3．了解内能的利用在人类发展史上的重要意义；

4．通过能量的转化和转移，认识效率；

5．通过实验培养观察和分析问题的能力；

6．通过阅读《科学世界》《现代汽车》扩展学生的知识面．

【基础知识精讲】

凭着你对内能知识的了解，你认为在日常生活中内能被人们怎样地利用？

热传递就是内能的转移，因此人们利用内能来加热物体，不过，还有一种情况你可能没有注意到，那就是内能被用于做功．我们来看个实验：

如图15-7所示，用铁架台将试管固定好，在试管内装些水，用橡皮塞塞住，用酒精灯给水加热，水沸腾后，会有什么现象发生？

我们看到：瓶塞被推出试管口．为什么呢？

酒精燃烧放出的热量，通过热传递将一部分内能转移给水，水的内能增加使其温度逐渐升高直至沸腾，产生大量水蒸气，水蒸气越来越多，对橡皮塞的压力越来越大，最后将橡皮塞推出试管口，这就是水蒸气膨胀对橡皮塞做功，可见，我们可以利用内能来做功．

1．热机的原理

热机就是利用内能来做功的机器，也是内能转变成机械能的机器．

燃料的化学能通过燃烧转化为内能，又通过做功把内能转变成机械能．这就是热机的原理．

热机的种类很多，例如蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等．本节我们来了解内燃机的基本工作原理．

2．内燃机的工作原理

在现代社会中，内燃机是最常见的热机．其气缸中燃烧汽油或柴油．大多数汽车里的内燃机是燃烧汽油的，也叫汽油机．汽油在汽缸里面燃烧时生成高温高压的燃气，用来推动活塞做功．

活塞在气缸里往复运动时，从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程．多数汽油机是由吸气、压缩、燃烧——膨胀做功、排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的．

如图15-8所示，这是内燃机的工作过程示意图．

图15-8

下面我们来说说内燃机工作的各个过程:

吸气冲程：如图15-9所示，进气门打开，排气门关闭，活塞由上端向下运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸入气缸．

图15-9

压缩冲程：如图15-10所示，进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高．

图15-10

做功冲程：如图15-11所示，在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气．高温高压燃气推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动．

图15-11

排气冲程：如图15-12所示，进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸．

图15-12

然后活塞又向下运动，开始新的吸气冲程，汽油机就连续工作下去．

汽油机工作的四个冲程中，只有做功冲程是燃气对活塞做功，其他三个冲程要靠飞轮的惯性来完成．在开始运转时，要靠外力先使飞轮和曲轴转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，以后汽油机才能自己工作．

汽油机比较轻巧，常用在汽车、飞机和小型农业机械上面．在四个冲程中，做功冲程使汽车等机械获得动力，在排气冲程中将尾气排出．

3．燃料的热值

燃烧是生活中常见的现象，人们利用燃料燃烧来取暖、煮饭．热机也是利用燃料燃烧来获得动力的．燃料的燃烧是一种化学反应，燃烧过程中，储存在燃料中的化学能被释放，转变成周围物体的内能．因此，燃料燃烧过程是化学能转化成内能的过程．

燃料的种类很多，你能举出一些燃料吗？天然气、煤气、木柴、煤油、汽油、煤等都属于燃料．根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量相同吗？我们举个例子来分析一下：烧开同一壶水，用质量相同的干木柴作燃料比用煤块作燃料烧的时间要长,这说明质量相同的干木柴和煤块，燃烧时干木柴放出的热量少．

燃烧相同质量的不同燃料，放出的热量是不同的．例如，燃烧1 kg煤放出的热量，是燃烧1 kg木柴放出热量的2倍多．

物理学中规定：1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值．热值的单位是焦/千克，符号是J/kg． 在燃料的热值的定义中提到“完全燃烧”一词，实际生活中使用燃料时，通常是放在各种炉子里燃烧的．工业企业和取暖设备中燃料在锅炉中燃烧，家用燃料在煤炉或燃气炉中燃烧，因此，实际上很难完全燃烧，放出的热量往往比按燃烧值计算出的数值要小，而且有效利用的热量又比放出的热量要小．例如用煤烧水的锅炉，有效利用的热量就是被水吸收的热量，其余的热量都散失了．

4．热机效率和提高热机效率的途径

如果燃料释放的能量用来开动热机，这些能量也不会全部用来做有用功．热机工作时，用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率．

怎样才能提高热机的效率呢？你认为应从哪几方面下手？

尽可能让燃料充分燃烧，这是提高热机效率的途径之一．通常的锅炉燃料利用率比较低，在节约能源上有很大潜力．例如取暖用的小型锅炉，如果把煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，就会比煤块燃烧得更完全．

尽可能减小各种热量损失，也是提高热机效率的途径之一．在小型锅炉中，如果把煤粉粘结成煤粒，加大送风量，把煤粒在炉膛里吹起来燃烧，可以燃烧得更充分．用各种办法加大受热面积，可以减少烟气带走的热量．

保持良好的润滑，尽量减小摩擦，也是提高热机效率的途径之一．在机器零件间加润滑油，可减少机器在运转过程中克服摩擦所消耗的热量．