第13章内能与热机第1节物体的内能1.了解内能的概念,知道内能与温度之间的关系.2.掌握改变内能的两种方式并能用来解决简单的问题.3.了解热量的概念.一、物体的内能【自主预习】阅读课本第34页内容,完成下列问题:1.组成物质的分子在永不停息地做无规则运动,所以每个分子都具有动能.物质的分子之间也存在引力和斥力,并且有间隙,因此分子间还存在势能.2.物体内部所有分子无规则运动的动能以及分子势能的总和,叫做物体的内能.它的单位是焦耳,用字母J表示.【小组讨论】1.讨论0 ℃的冰块有没有内能?答:固态的冰块也是由分子组成的,一切物质的分子不停地做着无规则运动,运动着的分子具有分子动能,0 ℃的冰块也不例外;同时分子之间有相互作用力,因而0 ℃的冰块分子之间还具有势能.而内能是物体内部所有分子运动的动能和势能的总和.所以0 ℃的冰也具有内能.2.同一物体内能与温度有什么关系?答:分子无规则运动的剧烈程度与温度有关,同一物体,温度越高,分子运动越剧烈,分子的动能就越大.如果物体体积变化不大,同一物体的温度越高,其内能越大,温度越低,其内能越小.【教师】1.内能是物体的内能,而不是单个分子的内能.2.一切物体无论温度高低都具有内能.【跟踪训练】以下说法正确的是( A )A.物体分子总是在做无规则运动,所以分子具有动能B.当物体被举高时,其分子势能随之增加C.当物体运动速度增大时,其分子动能随之增加D.0 ℃以下时,物体分子既不具有动能也不具有势能二、改变物体内能的两种途径【自主预习】阅读课本第35、36页内容,完成下列问题:1.改变物体内能的两种途径是做功和热传递.2.热传递的三种形式是:热传导、对流、热辐射.【小组讨论】1.观察课本第35页两个演示实验,回答问题:空气被压缩,内能增加铁丝反复弯折处会发热甲乙(1)如图甲所示,在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团硝化棉,把活塞迅速压下去,观察到的现象是硝化棉会燃烧起来,这是因为活塞压缩玻璃管内的空气,对管内空气做功,空气内能增加,温度升高.(2)将一根铁丝快速反复弯折,铁丝弯折处会发热,说明铁丝弯折处内能增大,温度升高.以上两个实验都说明做功可以改变物体的内能.2.观察课本第36页3个图片,回答问题:如图甲所示,热传导时,物体内各部分的物质不发生移动;如图乙所示,对流时,物体内各部分物质之间会流动,主要发生在气体或液体中;如图丙所示,热辐射时不需要介质.【教师】1.对物体做功,物体内能增加,温度升高,机械能转化为内能;物体对外做功,此物体内能减少,温度降低,内能转化为机械能.2.做功和热传递在改变物体内能上是等效的.【跟踪训练】1.下列说法错误的是( C )A.做功可以使物体的内能发生改变B.热传递可以使物体的内能发生改变C.用做功的方法来改变一个物体的内能,就不能同时用热传递的方法来改变它的内能D.改变物体的内能可以同时用做功的方法和热传递的方法2.下列实例中,通过做功改变内能的是( B )A.盛夏时,吃雪糕解暑B.搓手时,手感到热C.天冷时,用热水袋取暖D.发烧时,用湿毛巾给头部降温3.在寒冷的冬天为使自己的身体暖和一些,请你用不同的物理知识,写出两种能够使身体暖和的方法并简要说明理由.方法一:开取暖器取暖;理由:通过热传递的方式增加身体内能.方法二:摩擦手掌使手暖和;理由:做功增加手的内能.三、热量【自主预习】阅读教材第36、37页内容,完成下列问题:1.热传递过程中,物体间内能传递的多少称为热量.通常用字母Q表示,常用单位是焦耳,符号为J.2.在热传递过程中,高温物体放出热量,温度降低,内能减少;低温物体吸收热量,温度升高,内能增加.【教师】1.内能是物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和,是一个状态量,常说“具有内能”;热量是在热传递过程中,传递内能的多少,是一个过程量,常说“吸收热量”或“放出热量”,不能说“物体具有或含有热量”.2.热传递改变物体内能的实质是能量的转移,做功改变物体内能的实质是能量的转化.【跟踪训练】将一壶热水置于室内,过一段时间后水的温度会降低,它的内能将减少,这是通过热传递的方法改变水的内能..第2节科学探究:物质的比热容1.知道不同物质的吸热能力不同.2.知道比热容是物质的一种特性,理解比热容的概念.3.了解一些常见物质的比热容的大小,尝试用比热容解释简单的自然现象.一、探究物质吸热或放热规律【自主预习】阅读课本第39~41页内容,完成下列填空:1.同种物质,升高相同的温度,质量大的吸收的热量多(填“多”或“少”).2.相同质量的同种物质,升高相同的温度,吸收的热量相同(填“相同”或“不同”).3.相同质量的不同物质,升高相同的温度,吸收的热量不同(填“相同”或“不同”).【小组讨论】探究:比较水和煤油的吸热能力(1)猜想:水(填“煤油”或“水”)的吸热能力较强.(2)需要的器材:酒精灯、温度计、停表等.(3)实验装置:(4)设计实验思路思路一:给相同质量的水和煤油加热,让它们吸收相同的热量,比较它们温度升高的多少.温度升高越少,说明吸热能力越强.思路二:给相同质量的水和煤油加热,让它们升高相同的温度,比较它们加热时间的长短.加热时间越长,说明吸热能力越强.(5)若采用思路一实验,怎样保证水和煤油吸收相同的热量?用同样的酒精灯加热相同的时间.(6)设计实验表格:液体名称液体质量m/g液体初温t1/℃液体末温t2/℃加热时间t/min液体吸热情况“多”或“少”(7)结论:不同物质,在质量相等、升高的温度相同时,吸收的热量是不同的,也就是说不同物质的吸热能力是不同的.(填“相同”或“不同”) 【教师】实验过程中用到了控制变量法和转换法.【跟踪训练】物理兴趣小组的同学做“比较不同物质的吸热能力”的实验.在设计实验方案时,需要确定以下控制的变量,你认为其中多余的是( B )A.采用完全相同的加热方式B.酒精灯里所加酒精量相同C.取相同质量的水和另一种液体D.加热水和加热液体的烧杯相同二、物质的比热容【自主预习】阅读课本第42、43页内容,完成下面问题:1.物理学规定:比热容的大小等于单位质量的物质温度每升高(或降低)1 ℃所吸收(或放出)的热量,比热容是物质的一种特性,其符号为c,单位是J/(kg·℃),读作焦每千克摄氏度.2.水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃),它表示的意义是1 kg的水温度升高(或降低)1 ℃时所吸收(或放出)的热量是4.2×103 J.3.我国北方楼房中都装有“暖气”,用水做介质,把热量带到房中取暖,用水做介质有什么好处?生活和生产中,还有没有用水来加热或散热的情况?试举例.答:水的比热容大,相同质量的水和其他物质比较,降低相同的温度时,水能够放出更多的热量,该特点在生产、生活中也经常利用:如人们培育秧苗,为了保护秧苗不被冻坏,常常在傍晚时向农田灌水,白天将水放出;汽车发动机在工作时要发热,通常用循环流动的水来冷却;冬季也常用热水取暖.【小组讨论】1.如果以Q吸代表物体吸收的热量,c代表物质的比热容,m代表物体的质量,t0表示物体原来的温度(初温),t表示物体后来的温度(末温),可以总结出一个计算热量的公式:Q吸=cm(t-t0).试计算:把质量为2 kg的水从20 ℃加热到100 ℃,水吸收的热量是多少?[已知水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃)]解:水吸收的热量Q吸=cm(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×2kg×(100℃-20 ℃)=6.72×105 J.2.如果要计算物体降温时放出的热量,公式是Q放=cm(t0-t).试计算:有一根烧红的铁钉,温度是800 ℃,质量是1.5 g,若温度降低到20 ℃,放出多少热量?[已知铁的比热容是0.46×103 J/(kg·℃)]解:放出的热量Q放=cm(t0-t)=0.46×103 J/(kg·℃)×1.5×10-3kg×(800℃-20 ℃)=538.2 J.【教师】1.比热容计算公式可以写为Q=cmΔt,其中Δt表示温度的变化量,c 为物质的比热容,m为物体质量.2.注意“升高到”与“升高了”的区别.【跟踪训练】1.关于物质的比热容,下列说法中正确的是( D )A.一物体切去一半后,剩下部分的比热容减为原来的一半B.吸收热量多的物质,比热容一定大C.质量相同的不同物质,吸收相同热量后,温度高的物质比热容大D.比热容是物质的一种特性,通过测定比热容可以鉴别物质2.沿海地区昼夜温差较小,而内陆沙漠地区昼夜温差较大,这主要是因为( C )A.海水的内能大,砂石的内能小B.海水吸收的热量多,砂石吸收的热量少C.海水的比热容大,砂石的比热容小D.海水吸收的热量少,砂石吸收的热量多3.质量相等的甲、乙两种液体,温度相同,用两盏完全相同的酒精灯分别加热,记录的温度与时间变化的曲线如图,可知c甲<c乙.(填“>”“<”或“=”)4.一般的温度计用水银做工作物质,是因为水银的比热容小(填“大”或“小”),当温度变化时需要吸收和放出的热量小(填“大”或“小”),这样对被测物体的温度影响较小,并且水银的热膨胀性能强,温度改变时,体积变化大,容易观察.5.质量为500 g的某种物质,温度从20 ℃升高到30 ℃,吸收了2.1×104J 的热量,则这种物质的比热容是多少?它可能是什么物质?解:由Q=cmΔt可知,c=QmΔt ,则c=Q吸m(t-t0)=2.1×104J0.5kg×10℃=4.2×103J/(kg·℃),它可能是水.第3节内燃机1.知道什么是热机、热机的能量转化、四冲程内燃机的构造和工作原理.2.了解汽油机和柴油机的工作过程和在实际中的应用.内燃机【自主预习】阅读课本第45~48页内容,完成下列填空:1.热机:把燃料燃烧时释放的内能转变为机械能的装置.2.内燃机:燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机.最常见的内燃机有汽油机和柴油机.【小组讨论】1.汽油机认识四冲程汽油机主要部件名称,并完成下列问题:汽油机是利用汽油作燃料来工作的.构造:气缸、进气道、进气阀、排气道、排气阀、火花塞、活塞、曲轴连杆、飞轮.工作过程:工作过程以一个循环为一个单元,一个循环有四个冲程.包括:吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程.第一冲程:吸气冲程中,吸入的是什么?气缸中活塞由哪端向哪端运动?进气阀和排气阀的打开和关闭情况?第二冲程:压缩冲程中,活塞压缩燃料混合物的过程中,是什么能向什么能转化?压缩冲程末产生什么结果?汽油机是利用什么方式点火的?第三冲程:做功冲程为什么能做功?是什么能向什么能转化?第四冲程:排气冲程有什么作用?总结:汽油机一个工作循环有四个冲程,飞轮转动两周,对外做功一次,活塞往复两次,除做功冲程外的其他冲程靠飞轮(或叫惯性轮)的惯性完成.2.柴油机柴油机是利用柴油作燃料来工作的.构造:气缸、进气门、排气门、喷油嘴、活塞、连杆、曲轴.工作过程:工作过程以一个循环为一个单元,一个循环有四个冲程,包括:吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程.第一冲程:吸气冲程中吸入的是什么?气缸中活塞由哪端向哪端运动?第二冲程:压缩冲程中,活塞压缩燃料混合物是什么能向什么能转化?压缩冲程末产生什么结果?柴油机是利用什么方式点火的?第三冲程:做功冲程为什么能做功?是什么能向什么能转化?第四冲程:排气冲程有什么作用?总结:柴油机一个工作循环有四个冲程,飞轮转动两周,对外做功一次,活塞往复两次,除做功冲程外的其他冲程靠飞轮的惯性完成.【教师】四冲程汽油机和柴油机的区分【跟踪训练】1.在汽油机工作的四个冲程中,实现内能转化为机械能的冲程是( C )A.吸气冲程B.压缩冲程C.做功冲程D.排气冲程2.如图所示为内燃机四冲程工作示意图,下列说法正确的是( C )A.一个工作循环的正确顺序是:甲乙丙丁B.乙图冲程能获得动力C.丁图冲程是机械能转化为内能的过程D.丙图冲程是化学能转化为内能的过程3.汽油机吸入气缸的物质是C,柴油机吸入气缸的是B.A.汽油B.空气C.燃料与空气混合物D.燃气4.四冲程单缸内燃机飞轮转速为3000 r/min,那么,每秒钟燃气推动活塞做功的次数为25次.5.如图所示是某热机工作的两个冲程:(1)其中把内能转化成机械能的是甲图.(2)若该热机1 s内对外做功10次,则1 s内完成40个冲程,活塞往复20次,曲轴转动20周,飞轮的转速是1200 r/min.第4节热机效率和环境保护1.知道热值是燃料燃烧放热的特性,知道热值的单位和物理意义.2.了解常见燃料的热值,能利用热值表进行有关燃烧放热的简单计算.3.了解热机效率,知道热机工作时燃料释放能量的主要流向,知道提高热机效率的途径.一、燃料的热值【自主预习】阅读课本第50、51页内容,完成下面填空:1.燃料的热值:某种燃料完全燃烧释放的热量与所用该燃料的质量之比叫做这种燃料的热值,用符号q表示,单位是J/kg,气体燃料的热值单位:J/m3.2.阅读常见燃料的热值表,表中热值最大的燃料是氢气.3.干木柴的热值是1.2×107 J/kg,物理意义是每千克的干木柴完全燃烧释放的热量为1.2×107 J.【小组讨论】计算4 kg柴油完全燃烧释放的热量.解:从热值表中查得柴油的热值是q=4.3×107J/kg,则4 kg柴油完全燃烧释放的热量Q放=mq=4 kg×4.3×107J/kg=1.72×108 J.【教师】1.固体燃料完全燃烧释放的热量的计算公式:Q放=mq,气体燃料完全燃烧释放的热量的计算公式:Q放=Vq.Q放表示热量(J),q表示热值(J/kg),m 表示固体燃料的质量(kg),V表示气体燃料的体积(m3).2.热值是燃料的一种特性热值反映了燃料的燃烧特性,即不同燃料在燃烧过程中将化学能转化为内能的本领大小.热值与燃料的种类有关,与燃料的质量、体积、是否完全燃烧等没有关系.【跟踪训练】1.现在火箭中用液态氢作燃料,是因为它具有( D )A.较小的密度B.较小的比热容C.较低的沸点D.较大的热值2.柴油的热值是4.3×107 J/kg,它的物理意义是每千克的柴油完全燃烧释放的热量为4.3×107 J,完全燃烧3 kg柴油能释放出1.29×108 J热量.3.酒精的热值是3.0×107 J/kg,酒精灯里装有20 g酒精,若燃烧掉一半,放出的热量是3.0×105 J,剩余部分酒精的热值是3.0×107 J/kg.4.某同学在实验室用酒精灯把0.1 kg的水从20 ℃加热到100 ℃.求:(1)水吸收的热量.(2)如果这些热量由酒精燃烧提供,至少要完全燃烧多少千克酒精?[水的比热容c 水=4.2×103 J/(kg ·℃);酒精的热值q 酒精=3.0×107 J/kg]解:(1)水吸收的热量Q 吸=cm(t 2-t 1)=4.2×103 J/(kg ·℃)×0.1kg×(100 ℃-20 ℃)=3.36×104 J.(2)由Q 吸=Q 放,Q 放=mq 得,酒精的质量:m=Q 吸q =3.36×104 J3.0×107 J /kg =1.12×10-3 kg.二、热机效率 环境保护【自主预习】阅读课本第51~53页内容,完成下面填空:1.热机的效率:对外做有用功的能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率.2.在热机的各种能量损失中,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主要措施.3.热机为人类的发展做出了重大贡献,但也带来了许多环境污染问题,如汽车排出的尾气、燃料燃烧排放的烟尘使大气十分浑浊,排放的二氧化硫、二氧化碳和氮氧化合物会形成酸雨,危害植物,污染环境.【小组讨论】分析教材第52页图13 - 21的“热机燃料的能量走向示意图”,就如何提高热机效率谈谈你的看法.答:提高热机效率的主要途径是减少热机工作中的热量损失,如内燃机要掌握好火花塞点火或喷油嘴喷油的最佳时间,蒸汽类热机将煤研磨成粉状,用风吹入锅炉内燃烧,选用优良的润滑材料减小摩擦,以减少能量损失.【跟踪训练】一台大型推土机的推力约为3×104 N,匀速推土总行程达10 km,消耗柴油约30.3 kg,求推土机柴油机的热机效率(q 柴油=4.3×107 J/kg).解:η=Q 有Q 放×100%=W 有q 柴油m 柴油=3×104 N×104 m 4.3×107 J /kg×30.3kg ≈23%.。
