最初出現(xiàn)的熱機是蒸汽機，最早的蒸汽機很笨重，后來許多人對它不斷改進，其中貢獻最大的是英國人瓦特．現(xiàn)代的熱機種類很多，例如蒸汽機、內(nèi)燃機、汽輪機、噴氣發(fā)動機等．下面我們從熱機的工作原理、內(nèi)燃機的四沖程、熱機的效率三方面來學習．

熱機的工作原理

熱機種類很多，但其本質(zhì)都是利用內(nèi)能做功的機械．它在工作時一般存在兩個能量轉(zhuǎn)化過程：一是通過燃燒將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，二是將燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，做題時同學們一定要細心審題．

例1 2024年4月25日，搭載“神舟十八號”載人飛船的“長征二號F遙十八”運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，火箭升空時將燃料燃燒產(chǎn)生的____能轉(zhuǎn)化為____能.

解析：火箭升空過程中，通過燃燒將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，又將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為火箭的機械能．

答案：內(nèi) 機械

內(nèi)燃機的四沖程

常見的四沖程內(nèi)燃機的一個工作循環(huán)由吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程組成，在這四個沖程中，只有壓縮沖程和做功沖程存在能量轉(zhuǎn)化，壓縮沖程中將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，做功沖程中將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能．沖程個數(shù)、做功次數(shù)和飛輪轉(zhuǎn)動周數(shù)的關系為“一周兩個沖程，兩周一次功”．

辨別內(nèi)燃機沖程的方法是：一看氣門開閉情況，二看活塞運動方向．若進氣門打開，排氣門關閉，則此沖程為吸氣沖程；若進氣門關閉，排氣門打開，則此沖程為排氣沖程；若兩氣門都關閉，且活塞向上運動，則此沖程為壓縮沖程：若兩氣門都關閉，且活塞向下運動，則此沖程為做功沖程.

例2 圖1所示是單缸四沖程汽油機某一沖程．作示意圖，該沖程是____沖程．若汽油機的飛輪轉(zhuǎn)速為1 800 r/min．則該汽油機Is對外做功____次，完成____個沖程．

解析：由圖1可知，汽油機的進氣門和排氣門都關閉，活塞向上運動，所以此沖程為壓縮沖程．汽油機的飛輪1 min轉(zhuǎn)1 800 r，因為飛輪轉(zhuǎn)一周完成兩個沖程，轉(zhuǎn)兩周對外做一次功，所以汽油機1 min完成3 600個沖程，對外做功900次，Is完成60個沖程，對外做功15次．

答案：壓縮 15 60

熱機的效率

熱機的效率問題是難點，解決熱機的效率問題的關鍵是弄清燃料完全燃燒放出的熱量及熱機工作過程中的能量轉(zhuǎn)化過程．

1．熱量的計算

熱值是燃料本身的一種特性，它只與燃料的種類有關，與燃料的質(zhì)量、體積，燃料是否燃燒、是否完全燃燒等均無關，它在數(shù)值上等于1 kg或1 m3某種燃料完全燃燒放出的熱量，計算燃料完全燃燒放出的熱量時，選擇公式Q=mq還是Q=vq不是看燃料是固體、液體還是氣體，而是看熱值的單位．當熱值的單位為J/kg時用Q=mq計算，當熱值的單位為J/m3時用Q=Vq計算．

例3 2024年5月3日17時27分，“嫦娥六號”探測器由“長征五號遙八”運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射（如圖2），“長征五號遙八”運載火箭使用液氫作為燃料，是因為該燃料具有較大的（ ）．

A．熱值 B．比熱容

C．密度 D．體積

解析：火箭升空過程中，將燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，在火箭運載能力有限的情況下，燃料的熱值越大越好，這樣它在燃燒時就會給火箭提供更多的能量，故B、C、D不符合題意，A符合題意.

答案：A

例4 某轎車在從北京到鄭州的行駛過程中，消耗了50 L汽油，則油箱中剩余汽油的熱值____（填“變大”“變小”或“不變”），消耗的這些汽油完全燃燒放出的熱量為____．（ρ燃油=0.8×103 kg/m3，q燃油=4.5×107 J/kg）

解析：熱值是燃料本身的一種特性，它只與燃料的種類有關，因此剩余汽油的熱值不變．此題給出的熱值的單位為J/kg，因此我們要用公式Q=mq來計算放出的熱量.50 L汽油的質(zhì)量m=ρ燃油V=0.8×103 kg/m3×50×10-3 m3=40 kg，這些汽油完全燃燒放出的熱量Q=mq燃油=40 kg×4.5×107 J/kg=1.8×109 J．

答案：不變 1.8×109 J

2．熱機的效率的計算

熱機工作過程中，燃料燃燒釋放的能量只有一部分用來做有用功，還有相當一部分能量散失了，用來做有用功的那部分能量，與燃料完全燃燒放出的能量之比，叫作熱機的效率．若用W表示牽引力做的功，Q表示燃料完全燃燒釋放的能量，則計算熱機的效率的公式為η=W/Q×100%．

例5 水上摩托運動是集高科技、競技和驚險刺激于一體，富有現(xiàn)代文明特征的高速水上運動（如圖3）．某水上摩托的油箱容積為10 L，加滿一次燃油最多能使它以20 m/s的速度勻速航行1 h．該過程中牽引力做的功為1.44×108 J．已知ρ燃油=0.8×103 kg/m3．q燃油=4.5×107 J/kg，求：

（1）一滿箱燃油完全燃燒放出的熱量．

（2）該水上摩托的熱機的效率．

解析：（1）因為燃油的熱值的單位為J/kg，所以計算熱量要用Q=mq.已知燃油的熱值，我們需先求出燃油的質(zhì)量.（2）利用公式η=（W/Q）×100%可計算該水上摩托的熱機的效率．

答案：（1）油箱容積V=I0 1=0.01 m3，一滿箱燃油的質(zhì)量m=ρ燃油V=0.8×103 kg/m3×0.01 m3=8 kg.一滿箱燃油完全燃燒放出的熱量Q=mq燃油=8 kg×4.5×107 J/kg=3.6×108 J.（2）該水上摩托的熱機的效率η=W×1000/0=（1.44×10 8J/3.6×10 8J）×100%=40%.