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第二章 改變世界的熱機
第1節 熱機
1.知道熱機的概念；
2.初步了解熱機的工作原理。
3.能描述汽油機四沖程的名稱、工作特點及能量轉化。
火箭升空
艦船劈波斬浪
飛機凌空穿云
車流在城市中蜿蜒穿行，貨輪在茫茫大海中航行，飛機在藍天中翱翔，火箭刺破蒼穹… …它們是如何做到的呢？
熱機，改變了我們的生活，推動了社會的進步。
改變物體內能的方式
熱傳遞
做功
思考：減少物體的內能可以做功嗎？
知識點一：利用內能來做功
觀察：
如圖所示，在試管內裝些水，用帶玻璃管的膠塞塞住,在玻璃管口處放一個用紙做成的小葉輪。加熱試管使水沸騰，細心觀察，會發生什么現象？
在這個實驗種，燃料的_______能轉化為_______能，傳給水，水沸騰變成水蒸氣，水蒸氣驅動葉輪轉動。這樣，_______能就轉化成了葉輪的_______能。
化學
內
內
機械
熱機是通過燃料燃燒獲取內能并轉化為機械能的裝置。
燃料的
化學能
燃燒
內能
做功
機械能
蒸汽機是最早應用于工業生產的熱機。世界上第一臺蒸汽機是由古希臘數學家希羅于 1 世紀發明的汽轉球，但它只不過是一個玩具而已。
　　瓦特在前人的啟迪下，對蒸汽機作出一系列重大改進，在工業上得到廣泛應用。他開辟了人類利用能源新時代，標志著工業革命的開始。
瓦特
觀看蒸汽機的原理圖，汽缸內活塞的左右移動由滑塊閥門來控制。請研究圖中的機械結構，說明蒸汽是如何進入汽缸、推動活塞運動、帶動輪子轉動的。
蒸汽機是怎樣工作的
蒸汽機工作的原理圖
蒸汽的內能轉化為機械能
燃料的化學能轉化為內能
內燃機：燃料直接在發動機汽缸內燃燒產生動力的機械
優點：
體積小 重量輕
啟動快 效率高
蒸汽機的鍋爐與汽缸分離，是“外燃機”
缺點：
體積龐大
車身笨重
熱損失大
效率很低
（1）在透明塑料盒的底部鉆一個小孔，把電子式火花發生器的放電針插進孔中；
（2）打開盒蓋，在盒中滴入幾滴酒精；
（3）再將盒蓋蓋好，然后按動火花發生器的按鈕。
【進行實驗】
很少的酒精在爆炸時就可以產生很大的爆炸力，為了保障安全，應適當少加酒精。實驗時不要把裝置正對自己或他人。
注意安全
知識點二：內燃機
內能轉化為機械能
能量轉化：
酒精的化學能 → 燃氣的內能 → 盒蓋的機械能
現象：按下按鈕，產生電火花，點燃酒精和空氣混合物，酒精燃燒爆炸，推動盒子做功
結論：燃氣的內能轉化為機械能
活塞式內燃機是應用最廣泛的一種熱機。
這種熱機工作時，燃料在氣缸內燃燒，產生的燃氣直接推動活塞做功，因此叫做活塞式內燃機。
汽油機
柴油機
常見的活塞式內燃機有汽油機和柴油機。
汽油機動力汽車是我們生活中主要的交通工具。
大部分農業機械是靠柴油機工作的
①沖程：活塞在往復運動中從汽缸一端運動到另一端叫做一個沖程。
②多數汽油機是由吸氣、壓縮、燃燒—膨脹做功（簡稱做功）和排氣四個沖程不斷循環來保證連續工作。該四個沖程稱為發動機的一個工作循環。
要使汽油機連續工作，活塞必須在推動曲軸后回到原來的位置，以便再次推動曲軸，這就要求活塞能在汽缸里做往復運動。
知識點三：汽油機的工作過程
汽油機的工作過程分析
【吸氣沖程】
· 進氣門 ，排氣門 。
· 活塞 運動。
· 汽缸內氣體的體積 ，氣壓 。
· 汽油和空氣的混合物從進氣門 。
· 曲軸轉動： 圈。
打開
關閉
向下
吸入汽缸
半
增大
減小
【壓縮沖程】
· 進氣門 ，排氣門 。
· 活塞 運動。
· 汽缸內氣體的體積 ，溫度 。
· 活塞的 能轉化為燃料混合物的 能。
· 曲軸轉動： 圈。
關閉
關閉
向上
機械
半
壓縮
升高
內
【做功沖程】
· 進氣門 ，排氣門 。
· 火花塞產生電火花點燃燃料，使燃料猛烈燃燒，
產生高溫高壓的燃氣。
· 燃氣推動活塞 運動，帶動曲軸轉動，對外做功。
· 燃氣的 能轉化為活塞的 能。
· 曲軸轉動： 圈。
關閉
關閉
向下
內
機械
半
【排氣沖程】
· 進氣門 ，排氣門 。
· 活塞 運動，將廢氣排出汽缸。
· 由于安裝在曲軸上的飛輪轉動具有的動能，可以帶動活塞繼續運動，再次進入到吸氣沖程，這樣汽油機就實現了連續工作。
· 曲軸轉動： 圈。
打開
關閉
半
向上
1.在四個沖程中，哪些沖程發生了能量的轉化？
2.哪個沖程使汽車獲得了動力？
3.哪個沖程排出了汽車的尾氣？
吸氣
壓縮
做功
排氣
機械能轉化為內能
內能轉化為機械能
獲得動力
排出
尾氣
得出結論：
在壓縮沖程，活塞的機械能轉化為燃料混合物的內能；做功沖程燃氣對活塞做功，內能轉化為機械能。
做功沖程使汽車獲得動力，其余三個沖程依靠飛輪的慣性來完成。
歸納小結：
吸氣
壓縮
做功
排氣
一個循環
4個沖程
活塞往復2次
飛輪和曲軸轉動2周
對外做功1次
燃料燃燒1次
　 只有做功沖程對外做功，其余三個沖程靠飛輪慣性完成。
在實際應用中，為了增大功率和減小震動，常把四個或更多的汽缸組合在一起，它們的做功沖程是輪流進行的。如圖所示的內燃機是一部汽車配備的四缸發動機，這可是汽車里構造最為精密、復雜的部件。
1. 結構
柴油機的燃料是柴油，它與汽油機在結構上的主要不同是氣缸頂部的火花塞換成了噴油嘴。
拓展： 柴油機
2. 工作過程
四沖程柴油機的一個工作循環也分為吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程。
吸氣沖程
壓縮沖程
做功沖程
排氣沖程
進氣閥開，排氣閥關。活塞向下運動。將空氣吸進氣缸。
進氣閥關，排氣閥關。活塞向上運動。氣體被壓縮的程度比汽油機更大，缸內氣體的溫度更高，壓強更大。機械能轉化為內能。
吸氣沖程
壓縮沖程
做功沖程
進氣閥關，排氣閥關。活塞向下運動。
壓縮沖程末，噴油嘴噴出霧狀柴油，遇到高溫空氣立即猛烈燃燒，進行壓燃式點火。
內能轉化為機械能。
排氣沖程
進氣閥關，排氣閥開。活塞向上運動。把廢氣排出氣缸。
內燃機的啟動
內燃機不能自行啟動。開始運轉時，要靠外力使飛輪和曲軸轉動起來，由曲軸通過連桿帶動活塞運動，以后內燃機才能自己工作。
一個工作循環中，活塞往復 次，曲軸轉動 周，飛輪轉動 圈，對外做功 次。
兩
兩
兩
一
例如：一臺柴油機飛輪的轉速為2400r/min,則在1s內，柴油機完成 個沖程，對外做功的次數是 次。
80
20
汽油機與柴油機的比較
相同點：
（1）都是燃料在汽缸內燃燒。
（2）都是將內能轉化為機械能的機器。
（3）汽油機的火花塞與柴油機的噴油嘴的工作時刻都是壓縮沖程末。
（4）都是由吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程構成一個工作循環，一個工作循環曲軸和飛輪均轉兩圈，對外做功一次。
（5）排氣沖程排出廢氣的過程相同。
（6）啟動時都是靠外力使飛輪和曲軸轉動起來。
1.構造不同：汽油機汽缸頂有火花塞，而柴油機汽缸頂部有噴油嘴。
2.燃料不同：汽油機的燃料是汽油，而柴油機的燃料是柴油。
3.吸氣不同：汽油機吸進汽油和空氣的混合氣體，柴油機只吸進空氣。
4.點火不同：汽油機屬點燃式點火，柴油機屬壓燃式點火。
5.效率：汽油機效率低，柴油機效率高。
不同點
不同點
內燃機 項目 汽油機 柴油機
燃料 汽油 柴油
構造
工作循環 吸氣沖程
壓縮沖程
做功沖程
主要特點
主要用途
氣缸頂部是火花塞
氣缸頂部是噴油嘴
吸進汽油和空氣的混合物
吸進空氣
壓縮程度較小
壓縮程度較大
點燃式
壓燃式
輕巧、效率較低
笨重、功率大
小汽車和小型農業機
械、低速飛機等
載重汽車、
拖拉機、火車、輪船等
熱機
原理
內燃機
內能轉化為機械能
工作循環
汽油機
柴油機
火花塞
點燃式
吸入空氣和汽油混合物
噴油嘴
壓燃式
只吸入空氣
四個沖程
吸氣、壓縮、做功、排氣
1.內燃機的工作過程由______、______、______、 _____四個沖程組成，其中，將機械能轉化為內能的是_______沖程， 將內能轉化為機械能的是______沖程。
2.在內燃機工作的四個沖程中，發生內能和機械能相互轉化的是（ ）。
A.吸氣沖程和壓縮沖程 B.壓縮沖程和做功沖程
C.做功沖程和排氣沖程 D.排氣沖程和吸氣沖程
吸氣
壓縮
做功
排氣
壓縮
做功
B
3. 依靠飛輪慣性完成的沖程是（ ）
BCD
A
D
B
C
做功
吸氣
排氣
壓縮
3．汽油機和柴油機相比較，下列敘述中正確的是（ ）
A．柴油機吸入汽缸的是柴油和空氣的混合物，汽油機吸入的是空氣
B．在壓縮沖程中它們的壓縮程度是一樣的
C．柴油機里推動活塞做功的燃氣的壓強比汽油機里的高
D．在壓縮沖程末，汽油機汽缸內的溫度比柴油機的高
C

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