初中物理 14 内能的利用：热机、能量转化与守恒

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热机

定义与工作原理

热机是将燃料燃烧时产生的内能转化为机械能的机器。其工作原理是通过燃料在气缸内燃烧，产生高温高压的燃气，燃气膨胀推动活塞做功，将内能转化为机械能。例如，常见的汽油机和柴油机都是热机。

汽油机

构造：主要由进气门、排气门、火花塞、气缸、活塞、连杆、曲轴等组成。

工作过程：包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。

吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物被吸入气缸。

压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高，机械能转化为内能。

做功冲程：在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，推动活塞向下运动，通过连杆带动曲轴转动，内能转化为机械能。

排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，将废气排出气缸。

柴油机

构造：与汽油机相似，但柴油机的气缸顶部是喷油嘴，没有火花塞。

工作过程：也包括四个冲程，与汽油机的主要区别在于：

吸气冲程：吸入气缸的只有空气。

压缩冲程：压缩程度比汽油机更高，使空气的温度超过柴油的燃点。

做功冲程：压缩冲程末，喷油嘴喷出柴油，柴油遇到高温空气立即燃烧，产生高温高压的燃气，推动活塞做功。

排气冲程：与汽油机相同，将废气排出气缸。

能量转化

在热机的工作过程中，存在着多种能量转化。以汽油机为例，在压缩冲程中，机械能转化为内能；在做功冲程中，内能转化为机械能。燃料燃烧时，化学能转化为内能，然后通过做功冲程，部分内能再转化为机械能，从而使热机能够对外做功，实现能量的转化和利用。

能量守恒定律

能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，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。这就是能量守恒定律。例如，在热机中，燃料燃烧释放的化学能一部分转化为机械能对外做功，一部分以热量的形式散失到周围环境中，但化学能的总量等于转化后的机械能与散失的热量之和。

能量转化与守恒定律的应用与意义

能量转化与守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。在热机的研发和改进中，人们根据这一定律，不断优化热机的结构和工作过程，提高热机的效率，减少能量的浪费。例如，通过改进发动机的燃烧技术、减少摩擦等措施，使更多的燃料内能转化为机械能，从而提高热机的性能和经济性。

在日常生活和工业生产中，能量转化与守恒定律也有着广泛的应用。如各种节能设备的设计与使用，都是在遵循能量守恒定律的基础上，尽可能地提高能源的利用效率，实现节能减排的目标。同时，该定律也为解决能源问题提供了理论依据，促使人们不断探索和开发新能源，以满足社会发展对能源的需求。

热机的应用极大地推动了人类社会的发展和进步，但同时也带来了能源消耗和环境污染等问题。通过对热机的研究和能量转化与守恒定律的理解，人们可以更好地利用能源，提高能源利用效率，实现可持续发展。

在日常生活中内能的利用

加热与烹饪

炉灶：无论是传统的煤气灶、天然气灶，还是电磁炉等，都是利用内能来加热食物。煤气或天然气燃烧时，燃料的化学能转化为内能，通过热传递使锅具和食物升温，从而达到烹饪的目的。电磁炉则是利用交变磁场在锅底产生涡电流，涡电流的焦耳热效应使得锅底迅速发热，进而加热食物，这也是一种将电能转化为内能的方式。

热水器：常见的热水器有燃气热水器、电热水器和太阳能热水器等。燃气热水器通过燃烧燃气将化学能转化为内能，加热流经的水；电热水器则是利用电流通过电阻丝产生热量，将电能转化为内能来加热水；太阳能热水器是吸收太阳辐射的能量，将太阳能转化为水的内能，使水温升高，以满足人们日常生活中对热水的需求。

取暖

集中供暖：在北方地区，冬季常采用集中供暖的方式为居民提供温暖。一般是通过燃烧煤炭、天然气等燃料，使锅炉中的水加热产生高温高压的蒸汽或热水，然后通过管道将热量输送到各个建筑物内的散热器中，散热器通过热传递将内能散发到室内空气中，提高室内温度。

电暖器：电暖器是将电能转化为内能的取暖设备，常见的有电油汀、小太阳等。电油汀内部的导热油被加热后，通过散热片将热量散发到周围空气中；小太阳则是利用石英管或卤素管等发热元件，在通电后产生大量的热量，通过辐射的方式使周围物体升温，达到取暖的效果。

热水袋：热水袋是一种简单的取暖工具，通过向袋内灌入热水，利用热水的内能来取暖。其原理是热水的温度高于人体温度，热量从热水袋传递到人体，使人感到温暖。

交通

汽车：汽车发动机是一种典型的热机，通过燃烧汽油或柴油，将燃料的化学能转化为内能，再通过做功冲程将内能转化为机械能，驱动汽车行驶。在这个过程中，内能的利用是汽车能够运行的关键，它使得汽车能够在道路上快速移动，为人们的出行提供了便利。

火车：蒸汽机车曾经是火车的主要动力来源，它通过燃烧煤炭产生蒸汽，利用蒸汽的内能推动活塞运动，进而带动车轮转动。虽然现在蒸汽机车已逐渐被内燃机车和电力机车所取代，但内燃机车同样是利用燃料燃烧产生的内能转化为机械能来驱动火车运行的。

发电

火力发电：火力发电是目前世界上主要的发电方式之一，它利用煤炭、石油、天然气等燃料在锅炉中燃烧，产生高温高压的蒸汽，蒸汽推动汽轮机旋转，汽轮机带动发电机发电，从而将燃料的化学能转化为电能。在这个过程中，内能的产生和转化是实现发电的重要环节，为社会的生产和生活提供了大量的电力。

地热发电：地热发电是利用地下热水和蒸汽的内能来发电。地下热水或蒸汽被抽到地面后，通过热交换器将热量传递给低沸点的工质，使其蒸发成蒸汽，然后利用蒸汽推动汽轮机发电。这种发电方式充分利用了地球内部的热能资源，是一种清洁、可再生的能源利用方式。

内能的利用在日常生活中无处不在，这些应用不仅为我们的生活带来了便利，也推动了社会的发展和进步。随着科技的不断发展，人们对内能的利用方式也在不断创新和优化，以提高能源利用效率，减少对环境的影响。

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