第 9 讲 热机与社会发展
目标导航
课程标准 课标解读
1.了解汽油机的组成； 1汽油机的基本组成部件；
2.了解汽油机的工作原理和工作过程以及 2.汽油机工作的四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功
工作过程中，冲程的图像识别； 冲程、排气冲程；
3.了解热机和柴油机的区别； 3.（1）进气不同；
4.了解热机的效率以及热机对环境的影 （2）点火方式不同；
响。 4.了解热机的使用对环境的影响。
知识精讲
知识点 01 热机的工作原理
1．热机的共同特点：是将燃料的化学能通过燃烧转化为内能，然后通过做功，把内能转化为机械能。
[]
2．实验探究热机的原理
如图所示，在试管内装一些水，用带玻璃管的胶塞塞住，在玻璃管口放一个纸做的小叶轮。加热试管使水
沸腾，细心观察你会发现叶轮转动，在此过程中是燃料的化学能转化为叶轮的机械能。
【即学即练 1】下列有关热机的说法正确的是( )
A．内燃机的冷却液需要用比热容较小的物质
B．内燃机除做功冲程以外的三个冲程都是靠飞轮的惯性来完成的
C．内燃机工作时将机械能转化为内能
D．在汽油机的压缩冲程中，进气门、排气门都关闭，活塞向下运动
【答案】B。
【解析】内燃机的冷却液需要用比热容较大的物质，一般用水，是因为水的比热容大，在同等情况可，可
以吸收更多的热量，故 A 错误；内燃机工作时有四个冲程，只有做功冲程做功，其他三个冲程都是靠飞轮
的惯性来完成，故 B正确；内燃机工作时将内能转化为机械能，故 C错误；汽油机在压缩冲程中，进气门、
排气门都关闭，活塞向上运动，故 D错误．故选 B。
知识点 02 汽油机和柴油机
1．汽油机[]
(1)结构：由火花塞、气缸、进气门、排气门、曲轴连杆、飞轮以及活塞组成。
(2)原理：汽油机工作时，一个工作循环包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。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。[]
2．柴油机与汽油机一样，也有四个冲程，所不同的是柴油机顶部有个喷油嘴，汽油机是火花塞，柴油机是
压燃式，汽油机是点燃式。汽油机吸入气缸的物质是汽油和空气，柴油机吸入气缸的物质是空气。
3.汽油机和柴油机区别
项目 汽油机 柴油机
构造 火花塞 喷油嘴
燃料 汽油 柴油
吸气冲程 汽油和空气混合气体 只吸入空气
点火方式 点燃式 压燃式
应用 汽车、摩托车等 挖掘机、轮船等
【即学即练 2】四冲程汽油机正常工作时，把机械能转化为内能的冲程是( )
A．吸气冲程 B．压缩冲程
C．做功冲程 D．排气冲程
【答案】B
【解析】汽油机工作的四个冲程中，只有压缩冲程和做功冲程存在能量转化，压缩冲程是机械能转化为内
能，做功冲程是内能转化为机械能，故选 B.
知识点 03 热机的热效率
1.热机的热效率定义：热机工作时，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的热量之比；
2.公式：（车）η= x100%= x100% ； （烧水）η= x100%= x100%
3.提高热机效率的方法：保证良好的的润滑以减少摩擦、减少各种热量损失等；让燃料燃烧的跟充分；设
法利用废弃的能量。
【即学即练 3】关于热值和热机效率，下列说法正确的是（ ）
A．使燃料燃烧更充分，可以增大燃料的热值B．使燃料燃烧更充分，可以提高热机的效率
C．使用热值更大的燃料，可以提高热机的效率 D．燃料燃烧释放的热量越多，燃料的热值就越大
【答案】B
【解析】A．燃料的热值与其种类有关，燃烧充不充分不会影响其热值，但会影响热机的效率，故 A 错误；
B．使燃料燃烧更充分，可让燃料放出的热量更多，供热机工作的热量更多，而热机效率是指热机是指用来
做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，所以此举可提高热机的效率，故 B 正确；
C．使用热值更大的燃料，与其它燃料相比，在质量相同的情况下，可放出更多热量，但此燃料在完全燃烧
时，放出的热量也更多，所以热机效率不一定更高，故 C 错误；
D．燃烧相同质量的燃料，热值越大，放出的热量越多，然而相同热值的燃料燃料时，燃烧越充分，放出的
热量也越多，所以燃烧放出的热量多，并一定是燃料的热值大，故 D 错误。
故选 B。
能力拓展
考法 01 内燃机的相关计算
【典例 1】小李家使用的燃气热水器，将 30 kg 的水从 20 ℃加热到 45℃，消耗了 0.15m3 的天然气。已知水
的比热容为 4.2×103J/(kg·℃)，天然气的热值为 4×107J/m3，则下列与该
过程有关的计算结果和分析正确的是 ( )
A.水吸收的热量与水的末温成正比
B.水吸收的热量是 3.15×105 J
C.热水器的能量转化效率是 52.5%
D.热水器的能量转化效率与环境温度无关
【答案】C
【解析】A．根据公式 Q 吸=cmΔt 可知水吸收的热量与水温度的变化量成正比，故 A 错误；
B．水吸收的热量
Q 吸=cmΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×30 kg×(45℃-20℃)=3.15×106J
故 B 错误；
C．水放出的热量为
Q 放=Vq=0.15m3×4×107J/m3=6×106J
效率为
Q 3.15×106
η= 吸
J
×100%= 6 ×100%=52.5%Q放 6×10 J
故 C 正确；
D．热水器的转化效率和环境温度有关，故 D 错误。
故选 C。
考法 02 热值、比热容、热效率的综合计算
【典例 2】如图所示是最新一款无人驾驶汽车原型图．汽车自动驾驶时使用雷达传感器和激光测距仪来了解
周围的交通状况．该款车以 72 km/h 的速度在一段平直的公路上匀速行驶了 8 km，消耗汽油 1.5 L。假设燃
油完全燃烧，汽油机的效率为 30%，那么，在这段运动过程中，求：
(1)该汽车发动机做的有用功是多少；
(2)该汽车的输出功率为多少。(已知：汽油的密度为 0.8×103 kg/m3，汽油的热值为 4.5×107 J/kg)
【答案】1.2kg；4.05×104 W。
m
【解析】 (1)由 ρ＝ 得消耗汽油的质量
V
m＝ρV＝0.8×103 kg/m3×1.5×10－3 m3＝1.2 kg
汽油完全燃烧放出的热量
Q 放＝qm＝4.5×107 J/kg×1.2 kg＝5.4×107 J
W
由 η＝ ×100%得，汽油机做的有用功
Q 放
W＝ηQ 放＝30%×5.4×107 J＝1.62×107 J
s
(2)由 v＝ 得汽车运动的时间：
t
s 8 km 1
t＝ ＝ ＝ h＝400 s
v 72 km/h 9
汽车的输出功率
W 1.62 × 107 J
P＝ ＝ ＝4.05×104 W
t 400 s
分层提分
题组 A 基础过关练
1．如图为四冲程汽油机工作过程的示意图。其中表示做功冲程的是（ ）
A． B． C． D．
2．关于四冲程汽油机的工作过程有以下几种说法：
①在压缩冲程中，是机械能转化为内能 ②在做功冲程中，是内能转化为机械能
③只有做功冲程是燃气对外做功 ④汽油机和柴油机的点火方式相同
以上说法中正确的是（ ）
A．只有②③ B．只有①③ C．只有②④ D．只有①②③
3.图示时刻，四冲程汽油机处于______冲程；若该汽油机每分钟完成 7200 个冲程，则它每秒钟完成______
个工作循环。
题组 B 能力提升练
1.汽车发动机一般是汽油机，汽油的热值为 4.6×107J/kg，若某内燃机的能量流向如图所示，则下列说法正确
的是（ ）
A．该汽油机的效率为 30%
B．1kg 的汽油燃烧能够释放 4.6×107J 的能量
C．换用热值较大的燃料，热机效率会提高
D．如果改进技术，汽油机的效率就可以达到 100%
2.一台汽油机运行时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占 25%，废气带走的能量占 30%，摩擦等机械损耗
占 10%，则它的热机效率为___________。若这台汽车消耗汽油 1kg，则它做有用功为___________J。该汽
油机的飞轮速度是 2400r/min，则汽油机每秒钟对外做功___________次。（q =4.6×107汽油 J/kg）
3.一台单缸四冲程柴油机，飞轮转速为3600r / min，该柴油机 1s 对外做功______次。若其效率为30%，消
耗 5kg 的柴油转化成的机械能是______J。（柴油热值为 q = 4.3 107 J / kg）
题组 C 培优拔尖练
1.如图所示，在试管内装些水，用软木塞塞住，加热使水沸腾，水蒸气会把木塞冲开，有的同学由这个装置
联想到内燃机。
(1)酒精灯燃烧，______ 能转化为______能；
(2)水的温度升高，水汽化产生高温高压的水蒸气，增加了试管内物质的______能；
(3)水蒸气冲开瓶塞后，水蒸气的温度______，内能______；
(4)水蒸气冲开瓶塞的过程，______能转化为______能，这相当于四冲程内燃机的______冲程。
2.某饭店用燃气灶烧水，将质量为 5kg、温度为 20℃的水加热到 100℃，该燃气灶烧水时的效率为 20%。已
知水的比热容为 4.2×103J/(kg ℃)，煤气的热值为 4.2×107J/kg。求：
（1）水吸收的热量；
（2）实际消耗的煤气为多少千克？第 9 讲 热机与社会发展
目标导航
课程标准 课标解读
1.了解汽油机的组成； 1汽油机的基本组成部件；
2.了解汽油机的工作原理和工作过程以及 2.汽油机工作的四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功
工作过程中，冲程的图像识别； 冲程、排气冲程；
3.了解热机和柴油机的区别； 3.（1）进气不同；
4.了解热机的效率以及热机对环境的影 （2）点火方式不同；
响。 4.了解热机的使用对环境的影响。
知识精讲
知识点 01 热机的工作原理
1．热机的共同特点：是将燃料的化学能通过燃烧转化为内能，然后通过做功，把内能转化为机械能。
[]
2．实验探究热机的原理
如图所示，在试管内装一些水，用带玻璃管的胶塞塞住，在玻璃管口放一个纸做的小叶轮。加热试管使水
沸腾，细心观察你会发现叶轮转动，在此过程中是燃料的化学能转化为叶轮的机械能。
【即学即练 1】下列有关热机的说法正确的是( )
A．内燃机的冷却液需要用比热容较小的物质
B．内燃机除做功冲程以外的三个冲程都是靠飞轮的惯性来完成的
C．内燃机工作时将机械能转化为内能
D．在汽油机的压缩冲程中，进气门、排气门都关闭，活塞向下运动
【答案】B。
【解析】内燃机的冷却液需要用比热容较大的物质，一般用水，是因为水的比热容大，在同等情况可，可
以吸收更多的热量，故 A 错误；内燃机工作时有四个冲程，只有做功冲程做功，其他三个冲程都是靠飞轮
的惯性来完成，故 B正确；内燃机工作时将内能转化为机械能，故 C错误；汽油机在压缩冲程中，进气门、
排气门都关闭，活塞向上运动，故 D错误．故选 B。
知识点 02 汽油机和柴油机
1．汽油机[]
(1)结构：由火花塞、气缸、进气门、排气门、曲轴连杆、飞轮以及活塞组成。
(2)原理：汽油机工作时，一个工作循环包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。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。[]
2．柴油机与汽油机一样，也有四个冲程，所不同的是柴油机顶部有个喷油嘴，汽油机是火花塞，柴油机是
压燃式，汽油机是点燃式。汽油机吸入气缸的物质是汽油和空气，柴油机吸入气缸的物质是空气。
3.汽油机和柴油机区别
项目 汽油机 柴油机
构造 火花塞 喷油嘴
燃料 汽油 柴油
吸气冲程 汽油和空气混合气体 只吸入空气
点火方式 点燃式 压燃式
应用 汽车、摩托车等 挖掘机、轮船等
【即学即练 2】四冲程汽油机正常工作时，把机械能转化为内能的冲程是( )
A．吸气冲程 B．压缩冲程
C．做功冲程 D．排气冲程
【答案】B
【解析】汽油机工作的四个冲程中，只有压缩冲程和做功冲程存在能量转化，压缩冲程是机械能转化为内
能，做功冲程是内能转化为机械能，故选 B.
知识点 03 热机的热效率
1.热机的热效率定义：热机工作时，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的热量之比；
2.公式：（车）η= x100%= x100% ； （烧水）η= x100%= x100%
3.提高热机效率的方法：保证良好的的润滑以减少摩擦、减少各种热量损失等；让燃料燃烧的跟充分；设
法利用废弃的能量。
【即学即练 3】关于热值和热机效率，下列说法正确的是（ ）
A．使燃料燃烧更充分，可以增大燃料的热值B．使燃料燃烧更充分，可以提高热机的效率
C．使用热值更大的燃料，可以提高热机的效率 D．燃料燃烧释放的热量越多，燃料的热值就越大
【答案】B
【解析】A．燃料的热值与其种类有关，燃烧充不充分不会影响其热值，但会影响热机的效率，故 A 错误；
B．使燃料燃烧更充分，可让燃料放出的热量更多，供热机工作的热量更多，而热机效率是指热机是指用来
做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，所以此举可提高热机的效率，故 B 正确；
C．使用热值更大的燃料，与其它燃料相比，在质量相同的情况下，可放出更多热量，但此燃料在完全燃烧
时，放出的热量也更多，所以热机效率不一定更高，故 C 错误；
D．燃烧相同质量的燃料，热值越大，放出的热量越多，然而相同热值的燃料燃料时，燃烧越充分，放出的
热量也越多，所以燃烧放出的热量多，并一定是燃料的热值大，故 D 错误。
故选 B。
能力拓展
考法 01 内燃机的相关计算
【典例 1】小李家使用的燃气热水器，将 30 kg 的水从 20 ℃加热到 45℃，消耗了 0.15m3 的天然气。已知水
的比热容为 4.2×103J/(kg·℃)，天然气的热值为 4×107J/m3，则下列与该
过程有关的计算结果和分析正确的是 ( )
A.水吸收的热量与水的末温成正比
B.水吸收的热量是 3.15×105 J
C.热水器的能量转化效率是 52.5%
D.热水器的能量转化效率与环境温度无关
【答案】C
【解析】A．根据公式 Q 吸=cmΔt 可知水吸收的热量与水温度的变化量成正比，故 A 错误；
B．水吸收的热量
Q 吸=cmΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×30 kg×(45℃-20℃)=3.15×106J
故 B 错误；
C．水放出的热量为
Q 放=Vq=0.15m3×4×107J/m3=6×106J
效率为
Q 3.15×106
η= 吸
J
×100%= 6 ×100%=52.5%Q放 6×10 J
故 C 正确；
D．热水器的转化效率和环境温度有关，故 D 错误。
故选 C。
考法 02 热值、比热容、热效率的综合计算
【典例 2】如图所示是最新一款无人驾驶汽车原型图．汽车自动驾驶时使用雷达传感器和激光测距仪来了解
周围的交通状况．该款车以 72 km/h 的速度在一段平直的公路上匀速行驶了 8 km，消耗汽油 1.5 L。假设燃
油完全燃烧，汽油机的效率为 30%，那么，在这段运动过程中，求：
(1)该汽车发动机做的有用功是多少；
(2)该汽车的输出功率为多少。(已知：汽油的密度为 0.8×103 kg/m3，汽油的热值为 4.5×107 J/kg)
【答案】1.2kg；4.05×104 W。
m
【解析】 (1)由 ρ＝ 得消耗汽油的质量
V
m＝ρV＝0.8×103 kg/m3×1.5×10－3 m3＝1.2 kg
汽油完全燃烧放出的热量
Q 放＝qm＝4.5×107 J/kg×1.2 kg＝5.4×107 J
W
由 η＝ ×100%得，汽油机做的有用功
Q 放
W＝ηQ 放＝30%×5.4×107 J＝1.62×107 J
s
(2)由 v＝ 得汽车运动的时间：
t
s 8 km 1
t＝ ＝ ＝ h＝400 s
v 72 km/h 9
汽车的输出功率
W 1.62 × 107 J
P＝ ＝ ＝4.05×104 W
t 400 s
分层提分
题组 A 基础过关练
1．如图为四冲程汽油机工作过程的示意图。其中表示做功冲程的是（ ）
A． B． C． D．
【答案】A
【解析】A．两气门都关闭，活塞下行，汽缸容积变大，是做功冲程，故 A 符合题意。
B．排气门开启，活塞上行，气体流出汽缸，是排气冲程，故 B 不符合题意；
C．两气门都关闭，活塞上行，汽缸容积变小，是压缩冲程，故 C 不符合题意；
D．进气门开启，活塞下行，气体流入汽缸，是吸气冲程，故 D 不符合题意。
故选 A。
2．关于四冲程汽油机的工作过程有以下几种说法：
①在压缩冲程中，是机械能转化为内能 ②在做功冲程中，是内能转化为机械能
③只有做功冲程是燃气对外做功 ④汽油机和柴油机的点火方式相同
以上说法中正确的是（ ）
A．只有②③ B．只有①③ C．只有②④ D．只有①②③
【答案】D
【解析】①②③汽油机四冲程分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在压缩冲程中，进气门
和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，机械能转化为内能；在做功冲程中，高温高压的气
体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功，是内能转化为机械能；四个冲程中，只有做功冲程是燃
气对外做功，其它三个冲程都依靠飞轮的惯性完成，故①②③正确；
④汽油机顶部有火花塞，采用的是点燃式点火；而柴油机气缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴，采用的
压燃式点火，汽油机和柴油机的点火方式不相同，故④不正确。
故选 D。
3.图示时刻，四冲程汽油机处于______冲程；若该汽油机每分钟完成 7200 个冲程，则它每秒钟完成______
个工作循环。
【答案】 压缩 30
【解析】[1]由图可知，进气门和排气门都是关闭的，活塞上行，可以判断是压缩冲程。
[2]该汽油机每分钟完成 7200 个冲程，故每秒完成 120 个冲程，热机完成一个工作循环，要经过 4 个冲程，
燃气对外做功 1 次，活塞往返 2 次，飞轮转动 2 周，若该汽油机每秒完成 120 个冲程，则每秒它对外做功
30 次，完成 30 个工作循环，飞轮转动 60 周。
题组 B 能力提升练
1.汽车发动机一般是汽油机，汽油的热值为 4.6×107J/kg，若某内燃机的能量流向如图所示，则下列说法正确
的是（ ）
A．该汽油机的效率为 30%
B．1kg 的汽油燃烧能够释放 4.6×107J 的能量
C．换用热值较大的燃料，热机效率会提高
D．如果改进技术，汽油机的效率就可以达到 100%
【答案】A
【解析】A．由图可知，该汽油机的热机效率为
100%-33%-30%-7%=30%
所以该内燃机的效率为 30%，故 A 正确；
B．汽油的热值为 4.6×107J/kg，表示完全燃烧 1kg 的汽油释放的能量 4.6×107J，不完全燃烧 1kg 的汽油释放
的能量小于 4.6×107J，故 B 错误；
C．采取热值高的燃料，其利用率不一定高，所以不一定能提高热机的效率，该 C 错误；
D．热机在工作时不可避免的要克服机械部件间的摩擦做额外功，机械效率不可能达到 100%，故 D 错误。
故选 A。
【点睛】本题考查了学生对燃料的热值、内燃机能量流向图等知识，有一定的综合性，注重了生活和实际
的联系。
2.一台汽油机运行时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占 25%，废气带走的能量占 30%，摩擦等机械损耗
占 10%，则它的热机效率为___________。若这台汽车消耗汽油 1kg，则它做有用功为___________J。该汽
油机的飞轮速度是 2400r/min，则汽油机每秒钟对外做功___________次。（q 汽油=4.6×107J/kg）
【答案】 35% 1.61×107J 20
【解析】[1]各种能量损耗的总和占比是
25%+30%+10%=65%
所以有效利用的能量占比
100%-65%=35%
所以热机效率为 35%。
[2]完全燃烧 1kg 汽油放出的热量为
Q=qm=4.6×107J/kg×1kg=4.6×107J
则该内燃机对外做的有用功为
W 7有=ηQ =35%×4.6×10 J=1.61×107J
[3]飞轮转速是 2400r/min 即 40r/s，因一个工作循环转 2 圈，做功一次，所以每秒对外做功 20 次。
3.一台单缸四冲程柴油机，飞轮转速为3600r / min，该柴油机 1s 对外做功______次。若其效率为30%，消
耗 5kg 的柴油转化成的机械能是______J。（柴油热值为 q = 4.3 107 J / kg）
【答案】 30 6.45×107
【解析】[1]由于飞轮转速为 3600r/min，则飞轮 1s 转动 60r，又因为柴油机对外做功一次，飞轮转动两周，
所以柴油机对外做功 30 次。
[2]5kg 的柴油完全燃烧放出的热量
Q =mq=5kg×4.6×107J/kg=2.3×108放 J
W
由h = 机械Q 知道，转化成的机械能
放
W 机械=Q 放 η=2.3×108J×30%=6.45×107J
题组 C 培优拔尖练
1.如图所示，在试管内装些水，用软木塞塞住，加热使水沸腾，水蒸气会把木塞冲开，有的同学由这个装置
联想到内燃机。
(1)酒精灯燃烧，______ 能转化为______能；
(2)水的温度升高，水汽化产生高温高压的水蒸气，增加了试管内物质的______能；
(3)水蒸气冲开瓶塞后，水蒸气的温度______，内能______；
(4)水蒸气冲开瓶塞的过程，______能转化为______能，这相当于四冲程内燃机的______冲程。
【答案】 化学 内 内 降低 减小 内 机械 做功
【解析】(1)[1][2]酒精灯燃烧，消耗化学能，产生内能，将化学能转化为内能。
(2)[3]水的温度升高，这是用热传递方法增加了水的内能。
(3)[4][5]水蒸气冲开瓶塞，水蒸气对瓶塞做功。水蒸气的温度减小，内能减小。
(4)[6][7][8]水蒸气冲开瓶塞的过程，将内能转化为机械能，与内燃机的做功冲程相同。
2.某饭店用燃气灶烧水，将质量为 5kg、温度为 20℃的水加热到 100℃，该燃气灶烧水时的效率为 20%。已
知水的比热容为 4.2×103J/(kg ℃)，煤气的热值为 4.2×107J/kg。求：
（1）水吸收的热量；
（2）实际消耗的煤气为多少千克？
（3）为了节约能源，饭店对燃气灶进行了改进，使燃气灶的效率得到了提高。在同样的条件下将质量为
5kg、温度为 20℃的水加热到 100℃，比原来节省 0.04kg 的煤气，则现在煤气灶烧水时的热效率是多少？
【答案】（1）1.68×106J；（2）0.2kg；（3）25%
【解析】解：（1）水吸收的热量
Q 吸=cm(t-t0)=4.2×103J/(kg ℃)×5kg×(100℃-20℃)=1.68×106J
（2）燃烧煤气放出的热量
Q
Q 吸 1.68 10
6 J
= = = 8.4 106 J
放 h 20%
放出这些热量需要燃烧的煤气的质量
Q
m 放 8.4 10
6 J
1 = = = 0.2kgq 4.2 107 J/kg
（3）改进后，加热水需要燃烧煤气的质量
m2=m1- m=0.2kg-0.04kg=0.16kg
完全燃烧 0.16kg 煤气放出的热量
Q 放 1=m2q=0.16kg×4.2×107J/kg=6.72×106J
则改进后的热效率
Q
h 吸 1.68 10
6 J
1 = = 100% = 25%Q 1 6.72 10
6 J
放
答：（1）水吸收的热量为 1.68×106J；
（2）实际消耗的煤气为 0.2kg；
