16．4 热机
你知道汽油机的工作原理吗？它在工作过程中能量怎样转化？什么叫热机的效率？怎样提
高热机的效率呢？
智 能 提 要
问：如何理解燃料的热值？
答：从我们的生活经验事实可知，做一顿饭所需的热量是一定的，但所需的煤火燃气的质量
大小是不同的． 这正好表示质量相同的不同燃料完全燃烧放出的热量是不同的特性，我们
就可以用 1kg 的某中燃料完全燃烧所放出的热量叫做这种燃料的热值． 从这个定义可知，
同中燃料的热值相同，不同燃料的热值一般不同．它反映的是燃料的特性，其大小于燃料质
量大小、是否完全燃烧、放出的热量大小无关，但在数值上等于一定质量的燃料完全燃烧放
出的热量（Q）与其质量（m）的比值．
问：怎样更深刻地理解四冲程汽油机的工作过程？
答：四冲程汽油机的每一个工作循环包括四个冲程：吸气、压缩、做功、排气，这四个冲程
中只有做功冲程（即燃烧—膨胀做功冲程）对外做功，它是靠燃料（汽油）在汽缸中燃烧，
生成高温高压的燃气，燃气推动活塞对外做功，实现了内
能转化为机械能，从而使汽车获得了动力（机械能），而
且其他三个冲程靠飞轮的惯性来完成，吸气、压缩、排气
冲程需消耗机械能，其中压缩冲程机械能转化为内能形成
高温高压燃油气体混合物，遇电火花而猛烈燃烧，获得更
大的内能，在这其中，还存在燃料的化学能转化为内能的能量转化形式．
问：怎样从热机的效率来理解提高燃料的利用率？
答：我们知道，热机的效率= 量燃料完全燃烧放出的能
做有用功的能量 ，其中，燃料完全燃烧放出的能量
即为热机的燃气内能，燃气内能=散热损失能量+机械损失能量（克服摩擦）+有用机械能．
从上面的等式中可看出，要提高热机效率可尽量减少各种能量损失，其中减少燃气的内
信息快递：每完成一个工作
循环，活塞在汽缸内往复两
次，飞轮转动两周燃气对外
做功一次．
内能的利用
热 机
汽油机的工作原理
能 量 的 转 化
热 机 的 效 率
燃料的热值
定 义
单 位
燃料的利用率
能损失是有效措施就是重新利用燃气内能（如热电站），这样可提高燃料利用率．当然，现
代化的新型热机（比如课本 P117 介绍的现代汽车的发动机利用微电脑控制）的喷油系统，
可提高燃油在汽车中的燃烧效率，从而业可提高燃料的利用率．
作为当今石油等能源物质的严重匮乏而又必须面临的严峻事实，提高燃料的利用率的问
题就显得尤为重要．我们作为新世纪祖国建设的接班人，在这个问题上有着很广阔的探索空
间，我们希望有更多的同学将来在汽车工业、能源开发遇利用等方面做一个科技型的节能专
家．
问：为什么热机的效率比较低？
答：根据热机效率的定义可知，热机的效率比较低，说明热机中燃料完全燃烧放出的能量中
用来做有用功的部分比较少．为什么会比较少呢？要回答这个问题，先要弄清热机工作过程
中有哪些损失能量的原因，归纳起来应该有以下几个原因：（1）燃料并未完全燃烧，使部分
能量白白浪费掉了．例如，一辆汽车从身边驶过，有时我们从汽车排出的气体中嗅到了汽油
味，这说明汽油机中的汽油未完全燃烧．（2）热机工作的排气冲程要将废气排出，而排出的
气体中还具有内能，另外汽缸壁等也会传走一部分内能．（3）由于热机各零部件之间有摩擦，
需要克服做功而消耗部分能量．（4）曲轴获得的机械能也未完全用来对外做功，而有一部分
传给飞轮以维持其继续转动，这部分虽然是机械能，但不能称之为有用功．
据上所述，热机中能量损失的原因这么多，所以热机的效率一般都比较低．
中 考 撷 要
本节的中考考点有：结合热值的概念，计算燃料燃烧时放出的热量，燃烧过程与吸热过
程的综合；判断内燃机工作过程中能量的转化；根据热机效率的意义，寻求提高热机效率的
途径．最近两年中，关于热机效率的中考试题出现的频率较高．
智 能 拓 展
内燃机的广泛应用
内燃机，特别是汽油机、柴油机的出现，在社会经济的各个部门中获得了广泛的应用．对
工农业和交通运输业的发展来说，内燃机的重要性甚至超过了电机．
内燃机是各种交通运输工具的强大动力．内燃机的发明导致了汽车制造业的兴起．1885
年戴姆勒和本茨分别造出了汽车，1888 年邓录普发明充气轮胎，1895 年美国人福特开办的
汽车厂采用惠特尼生产标准化零件的方法，建立了“装配线”，日产 1000 辆 T 型汽车．1923
年柴油机成为载重汽车的动力，随后又在大客车方面与汽油机并驾齐驱．1913 年第一台装
置柴油机的内燃机车诞生，促进了铁路运输技术的 ，内燃机车同电气机车一起逐步取代了
蒸汽机车．1912 年艘柴油机驱动的远洋轮船下水．到 20 世纪 70 年代初，全球商队轮船中
已有 80%是由柴油机驱动的．1903 年美国莱特兄弟驾驶内燃机发动的飞机首次飞上了天
空．1909 年法国工程师布来里昂特驾驶飞机飞越英吉利海峡．1927 年林德伯格实现了从纽
约到巴黎的不着陆飞行． 全世界被这一空前的成就所震惊，更大、更安全的飞机从此得到
改进和革新．
内燃机的发明使生产技术发生了重大的革命，内燃机一出现很快就开始取代畜力成为农
业生产的动力．自 1910 年拖拉机成批生产以来，它的使用又促进了农用工具机，如播种机、
收割机等机械的大量制造，加快了农业机械化的进程．
内燃机还被广泛应用于军事设施．例如：飞机、火箭军舰、潜水艇、坦克、战车等，成
为现代化战争中不可缺少的动力设备．
除上述以外，在其他领域中诸如发电、排灌、工程机械、地质钻探等部门，都是应用内
燃机的场所．在人们的生活领域中，家用汽车和摩托车使用的动力机械也是内燃机．内燃机
正在广泛应用中不断得到改进，它的结构日趋成熟、完善，性能不断提高，最高热效率达到
了 46%．
智 能 归 例
题型一 知道汽油机的工作原理及工作过程中能量的转化
例 有关四冲程内燃机的叙述中，不正确的是（ ）
A．工作中只有做功冲程把内能转化为机械能
B．工作中压缩冲程是把内能转化为机械能
C．工作开始时要靠外力启动
D．每一个工作循环，燃气只做功一次
知识点 热机的工作原理及工作过程中能量的转化情况
闯关点拨 吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成了内燃机的一个 工作循环．
析 在内燃机的四个冲程中，只有在做功冲程中，燃气才对外做功，内能转化为机械能．压
缩冲程中机械能转化为内能．内燃机开始工作时需要外力启动，所以，A、C、D 所说的
都是对的．
答 选 B
题型二 认识燃料热值的物理意义，并会计算燃料完全放出的热量
例 1 干木材的热值是 1.2×107J/kg，它的物理意义是____________________．要放出
3.6 × 107J 的热量，需要完全燃烧__________kg 的干木材．
知识点 认识热值的物理意义，并会进行计算
闯关点拨 燃料的热值是燃料的一种特性，其物理意义由
定义可知，要求燃料燃烧放出的热量情况，可利用 Q 放
=qm 来计算．
解 其物理意义是：1kg 干木柴完全燃烧放出 1.2×107 的
热量．由 Q 放=qm 得： kg
kgJ
J
q
Qm 3
/102.1
106.3
7
7
放 ．
例 2 小明学习了热学的有关知识后，知道水的比热是 4.2×103J／（kg·℃），他想估算
一下自己家每天烧水、做饭需要的热量，于是小明仔细记录了他家每天烧水、煮饭、炒菜需
要的时间，并把它折算成烧水时间，相当于每天将 30kg20℃的水烧开．
（1）小明家每天烧水做饭需要多少热量?
（2）如果普通煤的燃烧值为 3×107J/kg，从理论上讲小明家每天烧水做饭需要多少千
克煤?
在实际情况中燃料不能完全
燃烧，所放出的热量肯定比
利用该公式算出的要少．
（3）小明家实际平均每天需要烧 4 块蜂窝煤，按每块蜂窝煤含煤 0.5kg 算，他家每天
实际用煤 2kg，由此小明计算出他家煤炉的效率只有 16.5%，你认为小明家煤炉效率低的原
因是什么?
（4）从大的方面讲，家用煤炉除了热效率低浪费能源的缺点外，另一个主要缺点是什
么?
知识点 利用公式 Q 放=qm 和 ）（吸 0ttcmQ 的综合计算
闯关点拨 用公式 Q 放=qm 和 ）（吸 0ttcmQ 来计算．
解 （1）Q＝cm(t2－t1)
将数据代入①得 Q＝1.0×107J
（2）M＝ 7
7
103
100.1
kg＝0.33kg
（3）煤不能完全燃烧；热量散失严重．
（4）产生废渣、废气，造成环境污染．
题型三 认识热机的效率，并会进行有关的计算
例 甲、乙两汽车，甲的汽油机效率比乙的汽油机效率高，这表明（ ）
A．甲做功比乙多
B．甲做功比乙快
C．甲消耗的汽油比乙少
D．以相同的牵引力行驶相同的路程，甲耗油比乙少
知识点 考查对热机效率的理解
闯关点拨 热机的效率与功率、做功的多少没有必然联系．
析 汽油机做功的多少由牵引力的大小和汽车前进的距离的大小有关，与汽油机的效率无
关，所以 A 不正确；汽油机做功的快慢是由汽油机的功率决定的，与汽油机的效率无关，
故 B 不正确；汽油机做功的多少没有确定，其耗油量也不能确定，故 C 也是错误的．在
D 选项中，由 W=Fs 可知，两汽油机做的功相等，由于甲的效率高，故甲耗油少．
答 选 D
中考典题精析
考题 1 汽油机的一个工作循环是由四个冲程组成，其中在做功冲程
中燃气对活塞做功，实现了___________能向___________能的转化．图
15-11 表示的是汽油机的________冲程（填冲程的名称）．
（ 北京市东城区 2004 年中考题）
闯关点拨 由汽油机汽缸示意图辨别冲程名称时，要根据两气门的关
闭活塞的上下运动情况来确定，要判断是否是做功冲程可观察火花
塞是否点火．
析 在做功冲程中，将内能转化为机械能；从图中可以看出：进气门
打开、排气门关闭，活塞由上往下运动，汽油和空气的混合物将进入汽缸，这是吸气冲
程．
本题是一道热学知识与生活实
际联系紧密的好题．同时告诉
我们在学习物理知识时要注意
理论联系实际，并要有高度的
环保意识．
图 15-11
答 内能 机械能 吸气
考题 2 一辆轿车在平直的高速公路上匀速行驶 1.8km，轿车上
的速度表如图 15-12 所示，在此过程中
（1）轿车速度为多少 km/h？合多少 m/s？
（2）若轿车行驶过程中发动机的功率为 40kW，则该车行驶中
所受阻力多大？
（3）这段过程中轿车消耗汽油 0.25kg，其发动机的效率多
大？（q 汽油＝4.6×107J/kg）（江苏省南通市 2004 年中考题）
闯关点拨 这是一道力学与热学的综合试题，涉及了速度、平
衡力、功、功率、热量、热值、效率等许多知识点．计算发动机的效率可根据热机的效
率公式 %100
总
有
W
W ，W 有即为发动机牵引力对汽车所做的功，W 总等于汽油完全燃
烧放出的热量．
解 ⑴轿车的速度为 90km/h
sms
mhkm /253600
100090/90
⑵由 FvP 得： Nsm
W
v
PF 1600/25
4000
因轿车匀速运动，受力平衡
所以阻力 f=F=1600N
⑶汽油燃烧释放的热量为：
JkgJkgmqQ 77 1015.1/106.425.0
牵引力做功为： JmNFsW 61088.218001600
∴发动机效率为：
%25%100
1015.1
1088.2%100 7
6
J
J
W
W
总
有
智 能 训 练
基础知识训练
1．汽油机的工作过程由吸气、 、做功、排气四个冲程组成，其中将内能转化为机
械能的是 冲程. （题型一）
2．汽油的热值是4.6×107J/kg，现有汽油 500g，若燃烧一半，剩余汽油的热值是________J/kg.
（题型二）
3．西气东输主干线西起塔里木盆地的轮南油气田，向东途经九个省区，最终到达上海，总
计年输送天然气 1.2×1010m3，即年输气质量为_____kg。若这些天然气完全燃烧放出的热量
020
40
60 80
100
120km/h
图 15-12
是_______J。（管道内天然气密度为 6kg/m3，天然气的热值是 5×107J/kg）（题型二）
4．随着人们物质生活水平逐步提高，农村的厨灶发生了革命性的变化．煤球炉、沼气灶和
液 化 气 灶 等 灶 具 已 走 进 家 庭 . 液 化 气 与 煤 相 比 , 热 学 方 面 突 出 的 优 点 是
________________；环保方面突出的优点是 _________________________ .若要将
2.5kg 初温为 20℃的水加热到 80℃,至少需要燃烧 ______________m3 的液化气．［ 水
的比热容是 4.2×103J/(kg•℃),液化气的热值是 5.0×107J/ m3 ］（题型二）
5．一台内燃机运行时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占 25％，废气带走的能量占 30％，
摩擦等机械损耗占 10％，则它的机械效率为 。（题型三）
6．近期煤价节节攀升，少数不法商贩将煤矸石破碎后掺在优质煤中高价销售，客户为了不
上当，最恰当的方法是检测下列物理量的中( ) （题型二）
A．热值 B．比热容 C．温度 D．质量
7．关于“热机”，下列说法中正确的是( ) （题型一）
A．压缩冲程中的能量转化是内能转化为机械能
B．做功冲程中的能量转化是机械能转化为内能
C．热机所产生的噪音，可以被热机上的消音器完全吸收
D．用水循环来降低热机的温度，主要是利用水比热容较大的特性
8．内燃机工作的四个冲程中，内能转化为机械能的冲程是（ ）（题型一）
A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程
9．有关四冲程内燃机叙述中，不正确的说法是（ ）（题型一）
A．工作中只有做功冲程把内能转化为机械能
B．效率可以大于 1
C．工作开始时要靠外力启动
D．每一个工作循环，燃气只做功一次
10．四口之家分别单独使用不同种类的燃料时的平均月消耗量分别为：木柴约 200 kg，烟煤
约 80kg，液化石油气约 30kg；煤气约 60kg．这四种燃料中哪一种燃料的热值最高? （ ）
（题型二）
A．液化石油气 B．煤气 C．烟煤 D．木柴
11．一支蜡烛在燃烧过程中，它的（ ）（题型二）
A．质量变小，比热容变小，热值变小 B．质量变小，比热容变小，热值不变
C．质量不变，比热容不变，热值变小 D．质量变小，比热容不变，热值不变
综合提高训练
1．已知酒精的热值为 q，质量为 m 的酒精完全燃烧一半放出的热量为 ，剩余酒精
的热值为 。（题型二）
2．焚烧生活垃圾放出的热量用来发电，是综合利用垃圾的一种方法，据资料显示，仅 2001
年全国城市生活垃圾就达 1.5×108t．若焚烧 1t 垃圾可放出 1.5×1010J 的热量，如果将
2001 年我国的城市生活垃圾全部焚烧，则放出的热量是___________J，它相当于
________kg 煤炭完全燃烧放出的热量（煤炭的热值为 3.0×107J/kg）．（题型二）
3．柴油机是工农业生产中常用的热机，已知某型号柴油机的效率是 30%，在柴油机内完全
燃烧2kg柴油能放热 J，这些热通过该柴油机的转化能对外做有用功 J．（柴
油的热值为 3.3×107J/kg）（题型三）
4．S195 型柴油机的部分技术规格如表所示
汽缸数 汽缸直径 额定功率 转 速 燃油消耗率 冷却方式
1 95 mm 8.8 kW 2000 R/min 0.27 kg/kW•h 蒸发水冷
其中，“额定功率”是指柴油机正常工作时对外所做机械功的功率；“燃油消耗率”是指
柴油机正常工作时，每输出 1 kW•h 的能量柴油机所消耗柴油的千克数．已知柴油的热
值为 3.3 710 J/kg,水的比热容为 4.2 310 J/(kg•℃).
(1) 若柴油机的水箱中贮有 10kg 冷却水，当水的温度由 20℃上升到 40℃时，这些水所
吸收的热量是_____________J；
(2) 已知柴油机的效率η＝ W
Q
100%（式中 W 为柴油机在某段时间内对外所做的功，Q
为它在这段时间内所消耗的柴油完全燃烧所产生的热量），则该柴油机正常工作时的效率约
为__________．（题型三）
5．甲、乙两台汽油机，甲的功率比乙的大．则下列说法中正确的是（ ）（题型三）
Ａ．甲做的功肯定比乙的多
Ｂ．做相同的功，甲用的时间比乙的短
Ｃ．甲消耗的能量肯定比乙的多
Ｄ．甲的机械效率肯定比乙的高
6．关于燃料和热值，以下说法正确的是（ ）（题型二）
A．燃料热值与燃料的质量无关
B．容易燃烧的燃料，热值一定大
C．煤的热值大于干木柴的热值，燃烧煤放出的热量比燃烧木柴放出的热量一定多
D．为了提高锅炉的效率，一定要用热值高的燃料
7．热机的效率是热机性能的一个重要指标，下面噶热机效率的叙述不正确的是（ ）
（题型三）
A．在设计和制造上，要不断改进和革新，以减少各种能量损失，就有可能使热机效率达到
100%
B．两辆型号相同的小汽车，以相同的速度行驶相同的路程，耗油量小的那辆车效率较高
C．在使用上要正确使用，注意保养，可提高效率
D．在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量是提高燃料利用率的
重要措施
8．要使 4kg 的水温度升高 50℃需要吸收多少热量?若这些热量全部由燃烧酒精获得（不计
热量损失）则需要完全燃烧多少 kg 的酒精? )CJ/(kg104.2( 3 水c 3.0酒精q
J/kg)107 （题型二）
9．某中学为学生供应开水，用锅炉将 200 ㎏的水从 25℃加热到 100℃，燃烧了 6 ㎏的无烟
煤。［水的比热容是 4.2×103J/（㎏·℃）,无烟煤的热值是 3.4×107J/㎏］
试求：（1）锅炉内 200 ㎏的水吸收的热量是多少 J？
（2）6 ㎏无烟煤完全燃烧放出的热量是多少 J？
（3）此锅炉的效率是多少？（题型三）
10．光明中学锅炉房每天要将 3t 水从 20℃加热以 100℃，问：
⑴这些水要吸收多少热量？[水的比热容为 34.2 10 /J kg C ]
⑵“西气东输”实现后，可用天然气作为燃料来烧水，设天然气完全燃烧释放出热量
的 75% 被 水 吸 收 ， 学 校 每 天 因 烧 水 要 消 耗 多 少 体 积 的 天 然 气 ？ （ 天 然 气 的 热 值
7 38.4 10 /q J m 。气体燃料完全燃烧放出热量的公式是Q qV ，式中 V 表示气体燃料
的体积）（题型二）
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