初中物理 · 内能的利用：热机与热值

机

内能的利用：热机与热值

Heat Engine · 四冲程与能量守恒

上一章知道内能可以通过做功变出来，这一章看人类怎么把它装在机器里——汽车发动机就是个把汽油化学能→内能→机械能的魔法盒子。四冲程、热值、热机效率，外加一条大自然铁律：能量守恒。

①

内燃机四冲程

②

1 kg 燃料放多少热

③

有用功占比

④

不会凭空产生消失

开场场景：汽车加油就能跑，油烧起来那团火的能量，怎么变成车轮转动的？汽油机在气缸里让汽油爆燃，推活塞、转曲轴——这就是热机，把内能变成机械能。

卡必背公式 / 记忆口诀

热机：内能→机械能；内燃机分汽油机（点燃）和柴油机（压燃）

四冲程：吸气→压缩→做功→排气；只有做功冲程对外做功

热值 q：1 kg 某种燃料完全燃烧放热 Q=mq，单位 J/kg

能量守恒：能量既不会凭空产生也不会凭空消失，只会转化或转移

口诀：做功冲程内能变机械能；效率永远小于1

大白话：汽油机一个工作循环四步：吸气（进油气混合物）→压缩（活塞压缩气体，机械能→内能）→做功（火花塞点火，燃气爆炸推活塞，内能→机械能）→排气。活塞来回两次、曲轴转两圈，对外做功一次。

热值 q：1 kg 某种燃料完全燃烧放出的热量，是燃料特性。汽油 q≈4.6×10⁷ J/kg。放热 Q=mq。柴油压缩比高、更省油。

燃料烧出来的热，只有一部分真正推动活塞做功，其余随废气排走、被气缸吸收、克服摩擦浪费。热机效率 η=有用机械能/燃料完全燃烧放出的总热量，汽油机约 20~30%，柴油机高些。

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另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，总量不变。永动机不可能造出来——因为能量会不断耗散。

例1：完全燃烧 0.5 kg 汽油放热多少？(q汽油=4.6×10⁷)

审题：Q=mq。

Q=0.5×4.6×10⁷=2.3×10⁷ J。

例2：哪个冲程把机械能转化为内能？哪个把内能转机械能？

审题：四冲程能量转化。

压缩冲程：机械能→内能；做功冲程：内能→机械能。

例3：汽车消耗 1 kg 汽油获得有用功 6.9×10⁶ J，热机效率？

审题：η=W有/Q放。

Q放=4.6×10⁷ J；η=6.9×10⁶/4.6×10⁷=15%。

废气带走大量内能和热量，冬天排气管冒白气是水蒸气液化。

热机效率每提高 1%，全国一年省几千万桶油——减少排放、缓解能源危机。

初中：热机 → 电流电路 → 欧姆定律。高中：热力学第二定律（热不能全部变成功）、卡诺循环。现代：混合动力、燃料电池、电动车其实是'电动机代替热机'，效率更高。

防坑警示

只有做功冲程对外做功，其他三冲程靠飞轮惯性完成。热值是燃料特性，跟质量多少无关。热机效率永远小于 1（废气必带走热量），说 η=100% 违反热力学。能量守恒≠能量用不完——可利用的能量会耗散。