第十三章第三四节内燃机热机效率和环境保护.docx
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第十三章第三四节内燃机热机效率和环境保护
第十三章内能与热机
第三节内燃机
第四节热机效率和环境保护
【知识点一】内燃机
1、内能的利用方式:
(1)利用内能来加热;从能的角度看,这是内能的转移过程。
(2)利用内能来做功;从能的角度看,这是内能转化为机械能。
2、热机
(1)定义:
利用燃料的燃烧来做功的装置。
(2)能的转化:
内能转化为机械能
(3)热机的发展史:
蒸汽机→蒸汽轮机→内燃机→喷气发动机→火箭发动机
3、内燃机:
(1)定义:
将燃料燃烧移至机器内部燃烧,转化为内能且利用内能来做功的机器叫内燃机。
它主要有汽油机和柴油机。
(2)工作循环:
吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。
能量转化:
做功冲程将内能转化为机械能,压缩冲程将机械能转化为内能。
4、汽油机
(1)结构如右图
(2)汽油机工作的四个冲程:
①吸气冲程:
旋转的飞轮通过曲轴连杆带动活塞,使活塞从汽缸上部向下运动,吸气阀开启,空气和汽油的混合气体通过进气
道进入汽缸。
②压缩冲程:
两气阀关闭,活塞在飞轮带动下,从汽缸下部向上运动,缸内混合气体被压缩,内能增加、温度升高、压强增大。
③做功冲程:
压缩冲程结束时,汽缸顶部的火花塞发出电火花,缸内气体爆发性燃烧,燃烧产生的高温高压气体迅速膨胀,推
动活塞向下运动。
向下运动的活塞利用曲轴连杆推动飞轮旋转。
④排气冲程:
飞轮因为惯性继续转动使活塞上升,排气阀打开,将燃烧后的废气排出排除缸外。
【经典例题】
例1.在如图1所示的四幅图中,甲、乙是两个演示实验示意图;丙、丁是四冲程汽油机关工作过程中的两个冲程示意图。
与压缩冲程
原理相同的是 图所示的演示实验;汽油机利用内能来做功的冲程是 图。
图1
例2.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
例3.骑车四冲程内燃机的一个工作循环一般分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程,在这四个冲程中,把机械能转化为内能的是_________
冲程。
某单缸四冲程内燃机飞轮转速为1200r/min,该内燃机每秒钟对外做功的次数为 次。
例4.下列机器中属于热机的是( )
A.电车B.火箭C.发电机D.电风扇
【习题精练】
1.摩托车上的热机工作时提供动力的是( )
A.吸气冲程B.压缩冲程C.做功冲程D.排气冲程
2.如图所示,水沸腾后会将软木塞冲开,其能量转化情况和四冲程内燃机的哪一个工作冲程相似()
A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程
3.
汽车已经成为现代生活中不可缺少的一部分,现代汽车多数采用汽油机作为发动机,如图2是四冲程汽油机的工作循环示意图,下列说法中正确的是( )
A.甲冲程是把机械能转化为内能
B.乙冲程是把内能转化为机械能
C.丙冲程是把机械能转化为内能
D.丁冲程是把内能转化为机械能
4.在内燃机的压缩冲程中,活塞向上运动时,汽缸内气体的( )
A.密度减小B.温度降低
C.内能减少D.分子热运动加快
5.
图3中是四冲程内燃机的________冲程,此过程是将______能转化为______能。
若一个单缸四冲程柴油机的飞轮转速是1800r/min,则每秒钟完成_________个工作循环,对外做功_________次。
6.如图4所示的四种交通工具,不用热机作为动力机械的是( )
图4
A.B.C.D.
7.内燃机的发明,导致了汽车、飞机、轮船的广泛应用.内燃机的出现主要是由于下列哪一类能源的广泛使用?
( )
A.电能B.核能C.火的利用D.化石能源
8.
某机器的能量流向图如图5所示,据此推测该机器可能是()
A.热机
B.电动机
C.发电机
D.电热水器
【知识点二】热值
1、定义:
1kg某种燃料完全燃烧放出的热量,叫做这种燃料的热值。
2、单位:
J/kg
3、关于热值的理解:
①1kg:
是针对燃料的质量而言,如果燃料的质量不是1kg,那么该燃料完全燃烧放出的热量就不是热值。
某种燃料:
说明热值与燃料的种类有关。
完全燃烧:
表明要完全烧尽,否则1kg燃料化学能转变成内能就不是该热值所确定的值。
②热值反映的是某种物质的一种燃烧特性,同时反映出不同燃料燃烧过程中,化学能转变成内能的本领大小,也就是说,它是燃
料本身的一种特性,只与燃料的种类有关,与燃料的形态、质量、体积等均无关。
4、公式:
Q=mq(q为热值);或Q=Vq(气体)
5、物理意义:
酒精的热值是3.0×107J/kg,它表示:
1kg酒精完全燃烧放出的热量是3.0×107J。
6、应用:
火箭常用液态氢做燃料,是因为:
液态氢的热值大,体积小便于储存和运输。
7、炉子效率:
(1)定义:
炉子有效利用的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比。
(2)公式:
【经典例题】
1.发射神舟八号飞船的“长征二号”等现代火箭都是用液态氢作燃料的,这是因为液态氢具有( )
A.较大的比热容B.较高的沸点C.较高的凝固点D.较大的热值
2.关于燃料的热值下列说法正确的是( )
A.燃料的热值与燃料的燃烧情况有关B.容易燃烧的燃料的热值一定大
C.煤的热值比干木柴的大,因此燃烧放出的热量也多D.0.5kg煤油和1.5kg煤油的热值一样大
3.为了比较酒精和碎纸片的热值,如图6所示,两同规格的烧杯中装有质量相等的水,取质量(“相等”或“不相等”)的酒精和碎纸片分别放入两个燃烧皿中,点燃它们分别给烧杯加热,直到酒精和碎纸片完全燃烧通过比较___________________从而确定酒精和碎纸片的热值大小关系。
4.小红利用天然气灶烧水,完全燃烧0.01m3的天然气,所放出的热量有12%被水吸收,可以使2kg的水温度由20℃升高到______℃。
【已知天然气的热值 q=7×107J/m3,水的比热容c=4.2×103J/(kg·℃)】
【习题精练】
1.酒精的热值为3.0×107J/kg,则当酒精用去一半后,剩余部分热值为____________J/kg。
2.三口之家分别单独使用不同种类的燃料时平均月消耗量分别为:
木柴约180kg,烟煤约70kg,煤气约50kg,液化石油气约为25kg。
则这几种燃料的热值最高的是( )
A.木柴B.烟煤
C.煤气D.液化石油气
3.下列三个数值4.6×107J/kg、0.8×103kg/m3、2.1×103J/(kg•℃)各表征煤油的一个特性,这三个数值依次表示的是煤油的()
A.比热容、密度、热值B.密度、热值、比热容
C.密度、比热容、热值D.热值、密度、比热容
4.天然气是一种清洁燃料,盐城市部分公交车和出租车开始使用天然气来代替柴油或汽油。
天然气与煤气相比,其优点之一是天然气的热值(选填“较大”或“较小”),已知天然气的热值为7×107J/m3,其意义为______________________________________,某汽车消耗2L,天然气所释放的热量为J(假设天然气完全燃烧)。
5.完全燃烧2.1kg酒精(热值q=3×107J/kg)放出多少热量?
若这些热量有50%被500kg的水吸收,可使水的温度上升多少?
【水
的比热容为4.2×103J/(Kg·℃)】
6.某家庭需要将50kg、20℃的水加热到60℃作为生活用热水,他们利用煤气灶烧水,需燃烧0.8kg煤气.已知煤气的热值q=4.2×107J/kg,水的比热容c=4.2×103J/kg。
求:
(1)50kg、20℃的水加热到60℃需吸收的热量;
(2)完全燃烧0.8kg煤气放出的热量;
(3)煤气灶烧水的效率。
7.某物理兴趣小组的同学,用煤炉给10kg的水加热,同时他们绘制了如图7所示的加热过程中水温随时间变化的图线。
若在6min内完全燃烧了2kg的煤
,水的比热容为4.2×103J/(kg•℃),煤的热值约为3×107J/kg。
求:
(1)煤完全燃烧产生的热量;
(2)经过6min时间加热,水所吸收的热量;
(3)煤炉烧水时的热效率。
【知识点三】热机效率和环境保护
1、热机效率
(1)定义:
热机用来做有用功的那部分能量和完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率。
(2)公式:
(3)提高热机效率的途径:
使燃料充分燃烧
尽量减小各种热量损失
机件间保持良好的润滑、减小摩擦。
2、环境保护
【经典例题】
例1.热机的效率是热机性能的一个重要指标,下面关于热机效率的叙述中不正确的是( )
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,就有可能使热机的效率达到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高
C.热机要正确使用、注意保养,可提高效率
D.在热机的各种损失中,废气带走的能量最少,设法利用废气的能量是提高燃料利用率的重要措施
例2.有一台汽油机在一个工作循环中消耗了10g汽油(热值为4.6×107J/kg),这些汽油完全燃烧产生的热量是_______________J。
若这台汽油机的效率为30%,则一个工作循环中输出的有用机械能为_________________J。
例3.下列关于热机和环境保护的说法中,正确的是()
A.热机排出的尾气没有内能 B.热机的效率能达到100%
C.热机都是利用汽油作燃料 D.热机的大量使用会造成环境污染
【习题精练】
1.甲汽油机的效率比乙汽油机的效率大,这说明了( )
A.甲的功率一定比乙的大 B.乙用的燃料一定比甲的省
C.甲把内能转化为机械能的百分比一定比乙大 D.相同时间内,甲做的功一定比乙做的功多
2.下列有关热机的说法中不正确的是()
A.热机工作的过程是将燃料燃烧获得的内能转化成机械能的过程
B.为了防止热机过热,通常用水来降温,是利用水的比热大的特性
C.可以采用增大热机功率的方法来增大热机的效率
D.热机的大量使用会造成环境污染
3.下列提高炉子效率的措施中,不正确的是()
A.把煤磨成粉,用空气吹进炉膛B.把煤粒在炉膛里吹起来燃烧
C.把炉子密封起来不与空气接触,尽量减小热量损失D.用各种方法加大受热面
4.安徽江淮汽车有限公司是一家大型的汽车生产基地。
该厂某型号专用车在车型测试中,在一段平直的公路上匀速行驶5.6km,受到的平均阻力是3.0×103N,消耗燃油1.5×10-3m3(假设燃油完全燃烧)。
若燃油的密度ρ=0.8×103kg/m3,热值q=4×107J/kg,求:
(1)专用车牵引力所做的功。
(2)燃油放出的热量。
(3)该专用车的热机效率是多少
5.
如图8为厦门市某风景区山中的一段盘山公路照片。
以汽油为燃料的观光汽车沿该盘山公路(盘山公路近似处理为斜面)以36km/h的速度匀速行驶,经过15min从山脚到达山顶;汽车上山时沿路面获得的牵引力恒为9.2×103N。
已知汽油完全燃烧释放的热量转化为汽车牵引力做功的效率为30%,汽油热值q=4.6×107J/Kg,求:
(1)汽车上山时牵引力发挥的功率为多大。
(2)汽车从山脚到山顶消耗了多少千克的汽油。
综合练习
一、选择题
1.四冲程内燃机工作时,机械能转化成内能的冲程是()
A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程
2.
图9是内燃机工作循环中的一个冲程,它是()
A.压缩冲程,将化学能转化成内能
B.压缩冲程,将机械能转化成内能
C.做功冲程,将内能转化成机械能
D.做功冲程,将机械能转化成内能
3.图10表示四冲程内燃机工作时各冲程的示意图,它们正确的排列顺序为()
A.甲、乙、丙、丁
B.丁、丙、乙、甲C.甲、丙、乙、丁 D.甲、丁、乙、丙
4.如图11所示的点火爆炸实验中,电子式火花发生器点燃盒中酒精蒸气,产生的燃气将塑料盒盖喷出很远。
此过程的能量转化方式类似于汽油机的()
A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程
5.单缸四冲程内燃机工作时,依靠飞轮惯性来完成的是()
A.只有吸气和压缩两个冲程 B.只有压缩和排气两个冲程
C.只有排气和吸气两个冲程 D.有吸气、压缩和排气三个冲程
6.下列交通工具中,常用汽油机作为动力装置的是( )
A.摩托车B.载重卡车C.拖拉机D.火车
7.我们知道:
多数汽油机是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环来连续工作的。
关于压缩冲程的作用,下列说法正确的是( )
A.将废气排出缸外B.完成对外做功
C.吸进汽油和空气的混合物D.压缩燃料和空气的混合物
8.在柴油机的压缩冲程中,气体的温度和内能的变化情况是( )
A.温度降低,内能减小B.温度不变,内能不变
C.温度升高,内能增大D.温度降低,内能增大
9.热机的大量使用对环境造成的污染主要有()
A.大气污染B.废水污染C.固体废弃物污染D.没有污染
10.一台单缸四冲程汽油机的飞轮转速是1200r/min,则该汽油机每秒钟内完成的冲程数和对外做功的次数分别是()
A.40和10 B.20和20 C.10和10 D.40和20
11.少数不法商贩将煤矸石(矿井下与煤共生一处的石块)破碎后掺在优质煤中高价销售给客户。
客户为了防止上当,最恰当的方法是可以检测下述物理量中的()
A.密度 B.比热 C.熔点 D.热值
12.在“比较质量相等的不同燃料充分燃烧时放出的热量”的活动中,小明发现分别使5g的酒精和5g的碎纸片充分燃烧后,各自被它们加热的100g、25℃的水的温度分别上升到80℃和45℃,这说明()
A.燃烧酒精总比燃烧碎纸片放出的热量多 B.酒精含有的热量比碎纸片大得多
C.酒精的内能比碎纸片内能大得多 D.酒精的热值比碎纸片的热值大
13.有经验的柴油机维修师,不用任何仪器,只是靠近柴油机排气管口观察和闻一下,并将手伸到排气管口附近感觉一下尾气的温度,就能初步判断这台柴油机的节能效果。
在同样负荷的情况下,关于柴油机的节能效果,下列判断中正确的是()
A.尾气的温度越高,柴油机越节能 B.尾气的温度越低,柴油机越节能
C.尾气的柴油味越浓,柴油机越节能 D.尾气的颜色越发黑,柴油机越节能
二、填空题
1.如图12所示,礼仪小姐手持的广州亚运会火炬“潮流”使用的燃料为丙烷,常温下呈气态的丙是通过加压液化后储存在较小的罐内。
若丙烷的热值为8.0×107J/kg,罐内装有的450g丙烷完全燃烧可以放出的热量是 J。
2.
如图13所示实验中,当塞子从试管口喷出时,水蒸汽的________能转化为塞子的________能。
这个能量转化过程与汽油机的_______冲程一样。
汽油在气缸内燃烧会使发动机温度升高,需要用水冷却以确保发动机正常工作,这是利用了水__________的特点。
3.一台单缸四冲程柴油机
,飞轮转速为3000转/分,该柴油机活塞1s对外做功 次。
若其效率为40%,消耗5kg的柴油转化成的机械能是_______________J。
(q柴油=4.3×107J/kg)
4.澳大利亚农场主MalcolmBeare发明了一种“六冲程发动机”,比传统的四冲程发动机效率提高40%。
其第五冲程是在排气冲程结束后,将水注入气缸内形成高温高压的水蒸气,推动活塞运动;第六冲程排出水蒸气,这些水蒸气进入冷凝器(填物态变化的名称)变成循环再使用的水,这种新型发动机一个工作循环对外做功次。
三、实验题
1.小王学习燃料的热值之后,自己设计一个实验来探究酒精和碎纸片的热值大小。
(1)实验装置如图14甲、乙所示,则图中横杆、温度计、铁圈、燃具四个器件的安装顺序是____________(由下而上/由上而下)。
(2)为保证实验结论的可靠,以及方便比较,小王同学在实验中应让酒精和碎纸片的质量、两烧杯中水的质量、以及两个烧杯
都应保持___________________。
(3)实验数据记录如下表:
燃 料
加热前水温℃
燃料燃尽时水温℃
燃料的热值J/kg
酒 精
15
35
2.4×106
碎纸片
15
25
?
根据表中数据,计算出碎纸片的热值是J/kg。
(4)通过实验得到的燃料热值与实际相比是偏 (选填“大”或“小”),
你认为出现这样情况的主要原因是:
。
四、计算题
1.小明想计算一下家用天然气灶烧水时的热效率,他用容积为2L的瓶子接满水倒人烧水壶中,并测出水温为20℃,把水刚加热到100℃时,测出消耗天然气0.06m3。
已知天然气热值约为3.9×10'J/m3,水的比热容为4.2×103J/( kg·℃)。
求:
(1)天然气灶烧水是把 能转化为 能。
(2)把这些水烧开,需要吸收的热量约为多少?
(3)此次烧水的效率是多少?
2.煤、石油、天然气的过量开采使人类面临能源危机。
某县在冬季利用地热能为用户取暖。
县内有一口自喷状态地热井,出水温度为90℃,出水流量为150m3/h。
(1)求每小时流出的地热水温度降低到50℃,所放出的热量。
(2)这些热量如果用天燃气蒸汽锅炉供热,且天燃气蒸汽锅炉的热效率为90%,则利用上述地热能供暖一小时可以节约多少天然
气?
(ρ水=1.0×103kg/m3,c水=4.2×103J/(kg·℃),天燃气的热值为4×107J/m3)
3.泰安五岳专用汽车有限公司是一家大型的特种专用汽车生产基地。
该厂某型号专用车在车型测试中,在一段平直的公路上匀速行驶5.6km,受到的平均阻力是3.0×103N,消耗燃油1.5×10-3m3(假设燃油完全燃烧),已知燃油的密度ρ=0.8×103kg/m3,热值q=4×107J/kg,求:
(1)在该测试中专用车牵引力所做的功;
(2)燃油完全燃烧放出的热量;
(3)该测试中专用车的热机效率。
第十三章第三、四节参考答案
【知识点一】内燃机
【经典例题】
例1、乙;丙例2、B例3、压缩;10例4、B
【习题精练】
1、C2、C3、A4、C5、压缩;机械;内;15;15
6、A7、D8、A
【知识点二】热值
【经典例题】
例1、B例2、D例3、相等;温度计示数大小例4、30
【习题精练】
1、3.0×1072、D3、D4、较大;1m3天然气完全燃烧放出的热量是3.0×107J;1.4×105
5、6.3×107J;15℃
6、
(1)8.4×106J
(2)3.36×107J(3)25%7、
(1)6×107J
(2)2.52×107J(3)42%
【知识点三】热机效率和环境保护
【经典例题】
例1、A例2、4.6×105J;1.38×105J例3、D
【习题精练】
1、C2、C3、C4、
(1)1.68×107J
(2)4.8×107J(3)35%5、9.2×104W
(2)6kg
【综合练习】
一、选择题
1、B2、C3、D4、C5、D6、A
7、D8、C9、A10、A11、D12、D
13、B
二、填空题
1、3.6×1072、内;机械;做功;比热容大3、25;8.6×1074、液化;2
三、实验题
1、
(1)由下而上
(2)相等(3)1.2×106(4)小;有热量散失,水只吸收了一部分/燃料不能完全燃烧
四、计算题
1、
(1)化学;内
(2)6.72×105J(3)25%
2、
(1)1小时出水的体积为150m3,出水的质量m水=ρ水V=1.0×103kg/m3×150m3=1.5×105kg
地热水放出的热量Q放=c水m水Δt=4.2×103J/(kg·℃)×1.5×105kg×50℃=2.52×1010J
(2)因为热利用效率η=Q吸/Q放,所以燃烧天燃气放出的热量Q放/=Q放/η=2.52×1010J/90%=2.8×1010J
因为Q放/=qV,所以天燃气的体积为V=Q放/q=2.8×1010J/4×107J/m3=700m3
3、
(1)∵专用车匀速行驶,∴F=f=3.0×103N,
牵引力所做的功:
W=FS=3.0×103N×5.6×103m=1.68×107J;
(2)消耗燃油的质量:
m=ρv=0.8×103kg/m3×1.5×10-3m3=1.2kg,
燃油完全燃烧放出的热量:
Q放=mq=1.2kg×4×107J/kg=4.8×107J;
(3)该专用车的热机效率:
η=35%;
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