第三节 热机的工作原理
学习目标: 1.知道什么是热机以及热机的工作原理. 2.了解内燃机的工作原理. 3.了解燃气轮机和制冷机的工作原理.
学习目标 课前自主学案 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第三节 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练
1.热机是把_______转化为_______的一种装置. 课前自主学案 一、热机 1.热机是把_______转化为_______的一种装置. 2.蒸汽机和蒸汽轮机是把_______的内能转化为机械能,内燃机和燃气轮机是把________的内能转化为机械能. 二、蒸汽机和蒸汽轮机 1.蒸汽机:工作物质是________,它是从加热器吸收热量,其中部分热量用于推动活塞_______,剩余的热量排入冷凝器. 2.蒸汽轮机:它是用高压水蒸气驱动_______,带动转子高速旋转,能输出强大动力. 内能 机械能 水蒸气 燃气 水蒸气 做功 叶轮
三、内燃机和燃气轮机 1.内燃机 (1)燃料在汽缸内燃烧,直接利用汽缸内生成的高温高压气体推动活塞做功. (2)工作原理 ①内燃机的一个工作循环一般由______、_____、_______和_______四个冲程组成.四个冲程循环往复,内燃机持续工作.内燃机的一个工作循环,活塞往复____次,做功____次,飞轮转____转. ②能量转化 在内燃机工作的四个冲程中,只有______冲程燃气对外做功,完成______向_______的转化;压缩冲程是将_________转化为____能的过程. 吸气 压缩 做功 排气 一 两 两 做功 机械能 内能 机械能 内
2.燃气轮机 燃气轮机没有汽缸和活塞,工作时将燃油喷入__________,燃烧后产生高温高压燃气,驱动涡轮旋转,将燃气的_______转化为________. 四、制冷机 制冷机跟蒸汽机、内燃机一样都属于_____,只是两者的作用正相反.热机利用吸收的热量的一部分做功,同时将另一部分排放;而制冷机则利用外界对它所做的功,从待冷却物体中吸收热量,同时向高温物体排放. 燃烧室 内能 机械能 热机
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如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能;内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能;燃气轮机把燃气的内能转化为机械能. 核心要点突破 一、热机 1.热机 热机是把内能转化成机械能的一种装置. 如蒸汽机把水蒸气的内能转化为机械能;内燃机是把燃烧后的高温高压气体的内能转化为机械能;燃气轮机把燃气的内能转化为机械能. 2.热机的组成部分 热源:指燃烧燃料而获得能量的部件. 工作物质:指利用获得的热量来做功的物质.如蒸汽机里的蒸汽,内燃机里燃烧后的高温气体,燃气轮机内的燃气.
冷凝器:把工作物质做功后所剩余的热量进行再吸收的部分.如推动活塞做功后放出的蒸汽的温度也很高,如果把这种蒸汽直接放入大气中,则大气就是冷凝器.当然这样就白白浪费了剩余蒸气所具有的能量,通常把这种工作后的剩余蒸汽通过管道送入居民区用于烧水、做饭、取暖等. 3.热机的工作原理 工作物质从热源吸收热量Q1,推动活塞做功W,然后排出废气,同时把热量Q2散发到冷凝器中. 根据能量守恒,有Q1=W+Q2.
4.热机的种类 热机分为外燃机和内燃机两种.如蒸汽机、蒸汽轮机属于外燃机;内燃机包括柴油机、汽油机、燃气轮机. 特别提醒:热机必须有热源和冷凝器,工作时总要向冷凝器中散热,总有Q1>W.即使是理想热机,无摩擦、无漏气,也不可能把吸收的热量Q1全部转化为机械能,因此η<1.
二、内燃机的工作原理 1.内燃机的四冲程 内燃机的一个工作循环一般由吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程四个冲程组成. 注意:活塞由最上端运动到最下端或最下端运动到最上端叫做一个冲程. (1)吸气冲程:此时,进气门打开,排气门关闭,在飞轮作用下,活塞向下运动,汽油和空气的混合物进入汽缸,混合气体体积增大,温度近似看做不变,即工作物质没有传热和做功效应,其内能近似不变.
(2)压缩冲程:在飞轮作用下,活塞向上运动,燃料混合物被压缩,外界对工作物质做功使工作物质内能增加,温度升高. (3)做功冲程:在压缩冲程结束时由电火花点火,使燃料燃烧,产生高温高压气体,推动活塞向下运动,在此阶段中,工作物质既从高温热源(燃烧的燃料)t1吸热Q1,又对外做负功(-W),其内能先是在吸热后增加,又在对外做功后减少. (4)排气冲程:此时,进气门关闭,排气门打开,在飞轮作用下,活塞向上运动,把温度较高的废气排出汽缸,同时将一部分热量Q2传递给外界环境(低温热源t2),其内能继续减少.
2.四冲程柴油机原理图,如图2-3-1. 柴油机工作过程原理图 图2-3-1
3.四冲程汽油机原理图,如图2-3-2. 图2-3-2
三、制冷机 1.工作原理 如图2-3-3所示,制冷机的压缩机在电动机等的带动下做功,将蒸汽状的制冷剂压入冷凝器(散热器),制冷剂在冷凝器(散热器)中液化,放出热量;液态的制冷剂进入蒸发器后,通过很细的管道后膨胀、汽化,这个过程中冷库的温度降低.其后再次进入压缩机,准备下一次循环过程.
制冷机的结构和工作原理 图2-3-3
特别提醒:制冷机可以使用不同的制冷剂.过去常用氟利昂,但是因为氟利昂会破坏大气的臭氧层,现在已改用R134a了. 2.热机与制冷机的联系与区别 广义地讲,制冷机跟蒸汽机、内燃机一样都属于热机,只是两者的作用正好相反.热机利用吸收的热量的一部分做功,同时将另一部分排放(图2-3-4甲);而制冷机则利用外界对它所做的功,将待冷却物体中的热量取出,同时向高温物体排放(图2-3-4乙).
图2-3-4
内燃机工作的四个冲程中,将内能转化为机械能的是( ) 课堂互动讲练 类型一 内燃机工作原理的理解 例1 内燃机工作的四个冲程中,将内能转化为机械能的是( ) A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程
【精讲精析】 内燃机要完成一个工作循环,就要完成吸气、压缩、做功和排气这四个冲程.燃料是在做功冲程中燃烧的.化学能先转化为内能,产生高温高压的气体,推动活塞做功,内能再转化为机械能的.而另外三个冲程是要消耗机械能的.所以选项应为C. 【答案】 C
变式训练1 下列叙述正确的是( ) A.在构造上,汽油机汽缸顶部有火花塞,柴油机汽缸顶部有喷油嘴 B.在吸气冲程中,汽油机吸入汽缸的是汽油,柴油机吸入汽缸的是柴油 C.在压缩冲程中,汽油机是压燃机点火,柴油机是点燃式点火 D.在做功冲程中,汽油机汽缸里燃气压强比柴油机里的高
解析:选A.由于汽油机与柴油机的区别是:汽油机汽缸顶部有火花塞,柴油机汽缸顶部有喷油嘴;汽油机吸入汽缸的是空气与汽油的混合物,柴油机吸入汽缸的只是空气;在压缩冲程中,汽油机是点燃式点火,柴油机是压燃式点火;在做功冲程中,柴油机燃气压强高,因而效率比汽油机的高.
类型二 对制冷机工作原理的理解 例2 图2-3-5
图2-3-5所示为电冰箱的工作原理.压缩机工作时,使制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环从而达到制冷的效果,那么,下列说法正确的是( ) A.在冰箱外的管道中,制冷剂迅速膨胀并放出热量 B.在冰箱内的管道中,制冷剂迅速膨胀并吸收热量 C.在冰箱外的管道中,制冷剂被剧烈压缩并放出热量 D.在冰箱内的管道中,制冷剂被剧烈压缩并吸收热量
【精讲精析】 根据制冷机的制冷原理可知,在冰箱内的管道中,制冷剂迅速膨胀是汽化过程要吸收热量,在冰箱外的管道中,制冷剂被剧烈压缩是液化过程要放出热量.故只有B、C两项正确,A、D两项错误. 【方法总结】 记住并理解制冷机的工作原理很重要.
变式训练2 制冷机向空气放出的热量用Q1表示,从冷库吸收的热量用Q2表示,需要外界做功用W表示,关于三者的关系正确的是( ) A.Q1=Q2=W B.Q1<Q2<W C.Q2>Q1>W D.Q1=Q2+W 答案:D