🎯 学习目标：知道内能的两种利用方式；知道热机是把内能转化为机械能的机器；掌握四冲程内燃机的工作过程与能量转化；能区分汽油机与柴油机。
1.1 内能的利用 与 热机内能 → 机械能
热机的共同点：都是把燃料燃烧产生的内能转化为机械能。
利用内能加热物体
通过热传递把内能从一个物体转移到另一个物体。如：烧水做饭、暖气取暖、用热水袋暖手。
利用内能做功
通过做功把内能转化为机械能。如：蒸汽机、汽轮机、内燃机、喷气发动机、火箭。
热机：把内能转化为机械能的机器，叫做热机。
能量转化链：燃料的化学能 —燃烧→ 内能 —做功→ 机械能。
能量转化链：燃料的化学能 —燃烧→ 内能 —做功→ 机械能。
| 类型 | 代表 | 工作物质 |
|---|---|---|
| 外燃机 | 蒸汽机、汽轮机 | 燃料在汽缸外燃烧，用水蒸气推动 |
| 内燃机 | 汽油机、柴油机 | 燃料直接在汽缸内燃烧，用高温高压燃气推动活塞 |
| 喷气式发动机 | 飞机、火箭 | 燃气高速向后喷出，靠反作用获得推力 |
💡 热机的发明极大地推动了社会发展：蒸汽机引发第一次工业革命，内燃机使汽车、轮船、飞机成为可能。
1.2 四冲程内燃机（拖动演示）拖动滑块
慢慢拖动滑块，观察活塞升降、两个气门的开闭、火花塞点火，以及每个冲程的能量转化。
内燃机：燃料在汽缸内部燃烧，把内能转化为机械能。
四冲程内燃机：吸气 → 压缩 → 做功 → 排气
✅ 只有做功冲程对外做功，其余三个冲程都靠飞轮的惯性完成。
💡 一个工作循环：活塞往复运动 2 次（上下各 2 次），曲轴（飞轮）转动 2 圈，完成 4 个冲程，对外做功 1 次。
若飞轮转速为 n 转/秒，则每秒完成 n/2 个工作循环、做功 n/2 次。
若飞轮转速为 n 转/秒，则每秒完成 n/2 个工作循环、做功 n/2 次。
⚠️ 判断冲程的方法：看两个气门——有一个门开着就是吸气或排气冲程（进气门开=吸气，排气门开=排气）；两门都关时看活塞方向——活塞上行是压缩，活塞下行是做功。
1.3 汽油机 与 柴油机的区别对比记忆
| 比较项目 | 汽油机 | 柴油机 |
|---|---|---|
| 构造不同 | 汽缸顶部有火花塞 | 汽缸顶部有喷油嘴 |
| 吸气冲程 | 吸入汽油和空气的混合物 | 只吸入空气 |
| 点火方式 | 点燃式——火花塞产生电火花点燃混合物 | 压燃式——空气被压缩到高温高压后喷入柴油，自行燃烧 |
| 压缩程度 | 较小，压缩后温度较低 | 较大，压缩后温度很高（可达 500~700 ℃） |
| 效率 | 较低（约 20%~30%） | 较高（约 30%~45%） |
| 特点与应用 | 轻巧，转速高 → 小汽车、摩托车 | 笨重，功率大 → 载重汽车、拖拉机、大型机械、轮船 |
✅ 相同点：都是内燃机；一个工作循环都有四个冲程；只有做功冲程对外做功；压缩冲程都是机械能→内能，做功冲程都是内能→机械能。
📝 某四冲程汽油机飞轮转速为 1800 r/min，求它每秒完成多少个工作循环、做功多少次？
1800 r/min = 30 r/s（每秒转 30 圈）。
一个工作循环飞轮转 2 圈，所以每秒完成 30 ÷ 2 = 15 个工作循环；
每个循环对外做功 1 次，所以每秒做功 15 次，同时完成 15 × 4 = 60 个冲程。
一个工作循环飞轮转 2 圈，所以每秒完成 30 ÷ 2 = 15 个工作循环；
每个循环对外做功 1 次，所以每秒做功 15 次，同时完成 15 × 4 = 60 个冲程。
四冲程内燃机的四个冲程中，把内能转化为机械能的是（ ）
压缩冲程是活塞压缩混合气体，机械能→内能；做功冲程是高温高压燃气推动活塞，内能→机械能，也是唯一对外做功的冲程；吸气、排气冲程主要靠飞轮惯性完成。
下列关于汽油机和柴油机的说法中，正确的是（ ）
A 错：汽油机吸入的是汽油和空气的混合物，柴油机只吸空气；B 错：柴油机顶部是喷油嘴，汽油机才是火花塞；D 错：只有做功冲程对外做功；C 正确。
🎯 学习目标：理解热值的概念、单位和物理意义；知道热值是燃料的特性；会用 Q放 = mq（或 Q放 = Vq）计算燃料完全燃烧放出的热量。
2.1 热值 q 与它的物理意义燃料的特性
热值 q：1 kg 某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值。
单位：固体、液体燃料用 J/kg；气体燃料常用 J/m³。
单位：固体、液体燃料用 J/kg；气体燃料常用 J/m³。
定义式：q = Q放 / m 计算式：Q放 = mq（气体燃料：Q放 = Vq）
✅ 热值为什么这样定义？为了定量比较不同燃料的放热能力，物理学规定："1 kg 燃料完全燃烧放出的热量"作为这种特性的量度，这就是热值 q。它只反映燃料本身的属性（与种类有关），所以不随燃料的质量、是否烧掉一部分而变——就像比热容、密度一样，q=Q放/m 是量度式而非决定式。
⚠️ 热值是燃料的一种特性！它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧、放出热量的多少都无关。
例如：1 kg 干木柴与 10 kg 干木柴的热值相同；烧掉一半煤后，剩下煤的热值不变。
例如：1 kg 干木柴与 10 kg 干木柴的热值相同；烧掉一半煤后，剩下煤的热值不变。
| 燃料 | 热值 q | 燃料 | 热值 q |
|---|---|---|---|
| 氢气 | 1.4×10⁸ J/kg（最大） | 汽油 | 4.6×10⁷ J/kg |
| 焦炭 | 3.0×10⁷ J/kg | 柴油 | 3.3×10⁷ J/kg |
| 无烟煤 | 3.4×10⁷ J/kg | 酒精 | 3.0×10⁷ J/kg |
| 干木柴 | 1.2×10⁷ J/kg | 天然气 | 8.4×10⁷ J/m³ |
| 煤油 | 4.6×10⁷ J/kg | 煤气 | 3.9×10⁷ J/m³ |
💡 q汽油 = 4.6×10⁷ J/kg 的物理意义：1 kg 汽油完全燃烧放出的热量是 4.6×10⁷ J。
✅ 火箭为什么用液态氢作燃料？因为氢的热值最大（1.4×10⁸ J/kg），燃烧相同质量的燃料能放出更多的热量，而且燃烧产物是水，不污染环境。
2.2 热值计算器 Q放 = mq（拖动演示）实时计算
拖动滑块选择燃料种类和质量，右边实时算出完全燃烧放出的热量。
Q放 = mq（固体、液体） Q放 = Vq（气体）
—
热值 q
—
完全燃烧放热 Q放
—
合
—
⚠️ 公式 Q放 = mq 计算的是燃料完全燃烧放出的热量。如果燃料没有完全燃烧，实际放出的热量会小于 mq，但燃料的热值不变。
2.3 综合计算 与 c、q 的区别易混辨析
📝 例题：完全燃烧 0.5 kg 的无烟煤（q = 3.4×10⁷ J/kg），放出的热量能使多少 kg 的水从 20 ℃ 升高到 70 ℃？[不计热损失，c水 = 4.2×10³ J/(kg·℃)]
① 求放热：Q放 = mq = 0.5 kg × 3.4×10⁷ J/kg = 1.7×10⁷ J
② 不计损失：Q吸 = Q放 = 1.7×10⁷ J
③ 求水的质量：由 Q吸 = c·m水·Δt 得
m水 = Q吸 / (cΔt) = 1.7×10⁷ J ÷ [4.2×10³ J/(kg·℃) × 50 ℃] ≈ 81 kg
② 不计损失：Q吸 = Q放 = 1.7×10⁷ J
③ 求水的质量：由 Q吸 = c·m水·Δt 得
m水 = Q吸 / (cΔt) = 1.7×10⁷ J ÷ [4.2×10³ J/(kg·℃) × 50 ℃] ≈ 81 kg
这类"燃料 + 水"综合题的思路：先用 Q放=mq 求放热，再用 Q吸=cmΔt 求吸热，两者通过"不计热损失（Q吸=Q放）"或"效率"联系起来。
| 易混概念 | 比热容 c | 热值 q |
|---|---|---|
| 研究对象 | 一切物质 | 只针对燃料 |
| 定义 | 1 kg 物质温度升高 1 ℃ 吸收的热量 | 1 kg 燃料完全燃烧放出的热量 |
| 单位 | J/(kg·℃) | J/kg（或 J/m³） |
| 公式 | Q = cmΔt | Q放 = mq |
| 共同点 | 都是物质（燃料）的特性，与 m、Q 等无关 | 都是物质（燃料）的特性，与 m、Q 等无关 |
💡 提高燃料利用率的措施：让燃料与空气充分接触（如把煤磨成粉、汽油雾化喷射）、供给充足的氧气、防止热量散失。注意这些措施不改变热值，只是让燃料更完全地燃烧。
关于燃料的热值，下列说法正确的是（ ）
热值只由燃料的种类决定，与质量、体积、放热多少、是否完全燃烧都无关。所以 A、B、D 都错。
完全燃烧 2 kg 的酒精（q酒精 = 3.0×10⁷ J/kg），放出的热量是（ ）
Q放 = mq = 2 kg × 3.0×10⁷ J/kg = 6.0×10⁷ J。注意公式中 m 用千克、q 用 J/kg，结果单位是 J。
🎯 学习目标：知道热机工作时能量的流向与主要损失；理解热机效率的定义与公式 η = W有用/Q放；知道提高热机效率的途径。
3.1 热机的能量流向 与 效率η < 1
热机效率低的根本原因：内能不可能全部转化为机械能，废气必然带走大量内能。
燃料完全燃烧放出的热量 Q放 中，只有一部分转化为有用的机械能 W有用，其余都以各种方式损失掉了。
| 能量去向 | 占比（汽油机大致） | 说明 |
|---|---|---|
| 废气带走的内能 | 约 30%~40% | 排出的废气温度很高，带走大量内能（最主要的损失） |
| 冷却水（散热）带走 | 约 25%~30% | 汽缸壁很热，靠冷却水和空气把热量散失到周围 |
| 克服摩擦、机械损失 | 约 5%~10% | 活塞与汽缸壁、轴承等处的摩擦消耗能量 |
| 燃料未完全燃烧 | 约 5% | 一部分燃料没烧尽就被排出 |
| 有用机械能 W有用 | 约 20%~30% | 真正推动汽车前进的那部分能量 |
热机的效率 η：用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比。
η = W有用 / Q放 × 100 % 其中 Q放 = mq，η 总小于 1（100%）
✅ 效率 η < 1 并不违背能量守恒：燃料放出的总能量满足 Q放 = W有用 + 各项损失（废气、散热、摩擦、未完全燃烧），能量总量守恒。但内能不可能全部转化为机械能（尤其废气必然带走大量内能），所以真正有用的那部分永远小于 Q放，η 必小于 100%。提高 η 的本质是：在能量总量不变的前提下，增大有用功所占的比例。
⚠️ 热机效率永远小于 100%，因为能量损失不可避免（尤其是废气带走的内能）。效率是热机最重要的性能指标：一般蒸汽机 6%~15%、汽油机 20%~30%、柴油机 30%~45%。
3.2 热机效率计算器（拖动演示）能量流向图
拖动质量、热值、效率三个滑块，观察能量流向图中"有用"与"损失"两部分的变化。
η = W有用 / Q放 × 100% （Q放 = mq）
—
Q放 = mq
—
有用机械能 W有用
—
损失的能量
—
💡 解题套路：先由 Q放 = mq 求出燃料放热；再由 W = Fs 或 W = Pt 求出有用功；最后 η = W/Q放。反过来已知 η 也可以求 W 或所需燃料质量 m。
3.3 提高热机效率的途径节能减排
- 使燃料充分燃烧：把煤磨成粉、汽油喷射雾化、供给充足的空气；
- 减少废气带走的内能：利用废气余热（如涡轮增压、热电联产、余热供暖）；
- 减少散热损失：改进汽缸保温与冷却系统设计；
- 减小摩擦损失：各部件间保持良好的润滑，及时加润滑油；
- 采用先进技术：改进结构与材料、提高加工工艺水平。
📝 例题：一辆汽车以 72 km/h 匀速行驶 1 h，牵引力为 2000 N，消耗汽油 8 kg（q = 4.6×10⁷ J/kg）。求汽车发动机的效率。
① 路程：v = 72 km/h = 20 m/s，s = vt = 20 m/s × 3600 s = 7.2×10⁴ m
② 有用功：W = Fs = 2000 N × 7.2×10⁴ m = 1.44×10⁸ J
③ 放热：Q放 = mq = 8 kg × 4.6×10⁷ J/kg = 3.68×10⁸ J
④ 效率：η = W/Q放 = 1.44×10⁸ / 3.68×10⁸ ≈ 39.1%
② 有用功：W = Fs = 2000 N × 7.2×10⁴ m = 1.44×10⁸ J
③ 放热：Q放 = mq = 8 kg × 4.6×10⁷ J/kg = 3.68×10⁸ J
④ 效率：η = W/Q放 = 1.44×10⁸ / 3.68×10⁸ ≈ 39.1%
⚠️ 热机效率没有单位，通常用百分数表示，且一定小于 100%。若算出的效率大于 1，一定是计算或单位出了错。
关于热机效率，下列说法正确的是（ ）
A 错：能量损失不可避免（尤其废气带走的内能），η 总小于 100%；C 错：热值大只说明放热多，效率取决于有用功所占的比例；D 错：m 增大时 W 与 Q放 同比例增大，效率不变。
汽油机工作时，损失能量最多的途径是（ ）
排出的废气温度很高，带走的内能约占 30%~40%，是热机能量损失中最主要的一部分。所以利用废气余热是提高效率的重要方向。
🎯 学习目标：知道能量的多种形式及相互转化；理解能量守恒定律的内容；知道第一类永动机不可能制成；能列举能量转化与转移的实例。
4.1 能量守恒定律 与 能量转化实例最普遍的定律
能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。
✅ 能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，它对一切自然现象（物理、化学、生物）都成立。认识它的过程中，迈尔、焦耳等科学家做出了重要贡献。
能量的转化
能量在形式之间改变。如：摩擦生热（机械能→内能）、电灯发光（电能→光能+内能）。
能量的转移
能量的形式不变，从一个物体传给另一个物体。如：热传递（内能从高温物体转移到低温物体）。
| 实例 | 能量转化 / 转移 |
|---|---|
| 植物光合作用 | 光能 → 化学能 |
| 燃料燃烧 | 化学能 → 内能 |
| 内燃机做功冲程 | 内能 → 机械能 |
| 发电机发电 | 机械能 → 电能 |
| 电动机转动 | 电能 → 机械能（同时有部分转化为内能） |
| 电池充电 | 电能 → 化学能 |
| 电灯发光 | 电能 → 光能 + 内能 |
| 太阳能电池板 | 太阳能（光能） → 电能 |
| 摩擦生热、钻木取火 | 机械能 → 内能 |
| 用热水袋暖手 | 内能从热水转移到手（形式不变） |
| 滚摆下降 / 单摆下摆 | 重力势能 → 动能（有摩擦时部分变为内能） |
4.2 永动机的破灭 与 能量的方向性为什么要节能
永动机：指不消耗任何能量却能不断对外做功的机器。
⚠️ 第一类永动机不可能制成！因为它违背了能量守恒定律——不消耗能量就对外做功，等于凭空产生了能量，这是不可能的。历史上人们设计了各式各样的永动机，无一例外全部失败。
| 判断依据 | 说明 |
|---|---|
| 能量必须有来源 | 任何机器对外做功，必须消耗某种形式的能量 |
| 总量不能增加 | 输出的能量不可能大于输入的能量 |
| 存在摩擦损失 | 实际机器总有摩擦和阻力，一部分机械能会转化为内能散失，所以输出的有用能量总小于输入的能量 |
🤔 荡秋千为什么会越荡越低，最后停下来？能量消失了吗？
能量并没有消失。秋千摆动过程中要克服摩擦力和空气阻力做功，机械能不断转化为内能（秋千绳、空气的内能增加、温度略微升高），所以机械能越来越少、越荡越低。但机械能与内能的总量保持不变，符合能量守恒定律。
同理：滚摆越滚越低、滑动的物体最终停下来，都是机械能转化为内能。
🤔 能量既然守恒，为什么还要"节约能源"？
因为能量的转化和转移具有方向性：机械能可以全部转化为内能（摩擦生热），但内能不可能全部自动转化为机械能而不引起其他变化。散失到环境中的内能虽然总量没变，却无法再被利用，所以能源"越用越少"，必须节约能源、提高能量利用效率。
💡 能量转化的方向性举例：热量总是自发地从高温物体传向低温物体，而不会自发地反向传递；打碎的杯子不会自动复原。这说明能量转化过程是不可逆的。
下列关于能量守恒定律的说法中，正确的是（ ）
A、D 错：能量并未消失，摩擦使机械能转化为内能，总量不变；B 错：第一类永动机违背能量守恒定律，在原理上就不可能制成，与技术水平无关。
下列实例中，属于内能转化为机械能的是（ ）
A 是电能→化学能；B 是机械能→内能；D 是内能的转移（形式没变）；C 中高温高压燃气推动活塞做功，是内能→机械能。