【决胜中考】内能及利用

一、物质的构成

1.物质的构成：常见物质是由大量及其微小的粒子—分子、原子构成的。

2.分子的大小：分子的直径很小，通常以10^-10m来量度，所以一个看似很小物质中都会包含大量的分子，如一个小水滴中含有约10²¹个水分子。

3.分子间有间隙

实验演示：取50ml的水与50ml酒精，倒入量筒中，轻轻摇晃几下，静止后观察量筒中液体体积，发现水喝酒精混合后的总体积小于100ml。

这是酒精与水的混合过程。实际上是酒精分散到了水中，从微观的角度看，酒精分子分散到了水分子中间，这一现象说明水分子和酒精分子间都有间隙。

二、分子热运动

1.探究实验：物质的扩散

2.扩散现象

（1）定义：不同的物质相互接触时，彼此进入对方的现象叫扩散。扩散现象的实质是分子(原子)的相互渗入。

（2）扩散现象表明：一切物质的分子都在永不停息地做无规则运动，也说明物质的分子间存在间隙。

（3）影响扩散的因素：温度越高，扩散越快(即分子无规则运动跟温度有关，温度越高分子无规则运动越剧烈)。

扩散现象的物理意义：在扩散过程中，气体分子从密度较大的区域移向密度较小的区域，经过一段时间的掺和，密度分布趋向均匀。在扩散过程中，迁移的分子不是单一方向的，只是密度大的区域向密度小的区城迁移的分子数，多于密度小的区域向密度大的区域迁移的分子数。

扩散现象的实质：扩散现象是气体分子的内迁移现象。从微观上分析是大量气体分子做无规则热运动时，分子之间发生相互碰撞的结果。由于不同空间区域的分子密度分布不均匀，分子发生碰撞的情况也不同。这种碰撞迫使密度大的区域的分子向密度小的区域转移，最后达到均匀的密度分布。

判断扩散现象的方法：确认某种现象是否属于扩散现象时，关键是要看不同的物质彼此进入对方是自发形成的，还是在外力作用下形成的，是由于分子运动形成的，还是由于宏观的机械运动形成的。由于分子运动而自发形成的属于扩散现象，受外力作用下的宏观机械运动形成的现象就不属于扩散现象。例如，秋天，桂花飘香属于由于分子运动而形成的扩散现象，而冬天，雪花飘扬是由于雪花受重力和风力作用下的机械运动，它不属于扩散现象。

3.分子热运动

（1）探究实验：物质的扩散

三、分子间相互作用力

1.探究实验：分子间的作用力

2.对分子间引力和斥力的理解

邻近分子间同时存在相互作用的引力和斥力；实际表现出来的是分子引力和斥力的合力，称为分子力；分子间的引力和斥力都跟分子间距离有关系。

3.分子动理论：物质是由大量的分子或原子组成的，分子间有间隙；构成物质的分子在不停地做无规则热运动；分子间存在着引力和斥力。

1.分子的大小：常见的微小物体不是分子：分子的尺度很小，人们用肉眼观察到的都不是分子，分子只能用电子显微镜观察到。细小的灰尘、空气中极小的水滴，极细的铁粉都是微小物体，而不是分子，它们仍然是由大量分子构成的宏观物体。

2.扩散现象的认识和理解：

（1）扩散现象只能发生在不同的物质之间，同种物质之间不能发生扩散现象；

（2）不同物质只有相互接触时，才能发生扩散现象，没有相互接触的物质，是不会发生扩散现象的；

（3）扩散现象是两种物质的分子彼此进入对方，而不是单一的某种物质的分子进入另一种物质；

（4）气体、液体和固体之间都可以发生扩散现象，不同状态的物质之间也可以发生。

3.对分子热运动的理解

分子热运动的意义：一切物质的分子都在不停地做无规则热运动。这种无规则运动叫分子热运动。

分子热运动的特点：同一物体，分子运动越剧烈，物体的温度越高。即温度是物体分子热运动剧烈程度的标志。

0℃的物体分子照样做无规则热运动：一切物质的分子都在不停地做无规则热运动。只是分子运动的剧烈程度不同。温度低时，分子热运动相对缓慢，但并没有停止，不能错误的认为0℃时物质分子不再做热运动。

4.物质三态与分子间相互作用力

（1）固体中分子之间的距离小，相互作用力很大，分子只能在一定的位置附近振动，所以既有一定的体积，又有一定的形状。

（2）液体中分子之间的距离较小，相互作用力较大，以分子群的形态存在，分子可在某个位置附近振动，分子群却可以相互滑过，所以液体有一定的体积，但有流动性，形状随容器而变化。

（3）气体分子间的距离很大，相互作用力很小，每一个分子几乎都可以自由运动．所以气体既没有固定的体积，也没有同定的形状，可以充满能够达到的整个空间。

（4）同体物质很难被拉伸，是因为分子间存在着引力的缘故；液体很难被压缩，是因为分子间存在着斥力的原因。液体能保持一定的体积是因为分子间存在着引力的原因。

1.分子动能和分子势能

(1)分子动能：分子在永不停息地做着无规则的热运动。物体内大量分子做无规则热运动所具有的能量称为分子动能。物体的温度越高，分子运动得越快，它们的动能越大。

（2）由于分子之间具有一定的距离，也具有一定的作用力，因而分子具有势能，称为分子势能。分子间距发生变化时，物体的体积也会变，所以分子势能与物体的体积有关。

2.内能

（1）内能：物体内部所有分子的分子动能与分子势能的总和，叫做物体的内能。

（2）内能的单位：焦耳，简称焦，符号J。

3.对内能的理解

内能是物质分子的热运动能量，是由物质内部状况决定的能量。物质由大量分子、原子组成，储存在系统内部的能量是全部微观粒子各种能量的总和，即微观粒子的动能、势能等的总和。物体内部大量分子的无规则运动跟温度直接相关，物体内部大量做热运动的粒子之间也具有动能和势能，动能和势能的总和叫做内能。

4.影响物体内能大小的因素

（1）温度是影响物体内能最主要的因素，同一个物体，温度越高，它具有的内能就越大，物体的内能还受质量、材料、状态等因素的影响。

（2）物体的内能跟质量有关。在温度一定时，物体的质量越大，也就是分子的数量越多，物体的内能就越大。

（3）物体的内能还和物体的体积有关。在质量一定时，物体的体积越大，分子间的势能越大，物体的内能就越大。

（4）同一物质，状态不同时所具有的内能也不同。

：物体内能改变的宏观表现

（1） 温度变化：物体温度升高，内能增大；温度降低，内能减小；

（2） 物态变化：例如，晶体熔化时内能增加，晶体凝固时内能减小。

5.内能与机械能的区别与联系

二、物体内能的改变

1.热传递改变物体的内能

（1）探究热传递改变物体内能

（2）对热传递的理解

2.热量

（1）热量（Q）：在热传递过程中，传递能量的多少叫做热量。用符号Q表示。

（2）单位：在国际单位制中，热量单位是焦耳，符号是J。

3.做功改变物体的内能：探究做功改变物体的内能

4.热传递和做功改变物体内能的区别与联系

5.温度、热量、内能三者之间的区别于联系

1.理解物体内能时，要注意以下三点：

(1)内能是指物体的内能，不是分子的，更不能说内能是个别分子和少数分子所具有的。内能是物体内部所有分子共同具有的动能和势能的总和，所以，单纯考虑一个分子的动能和势能是没有现实意义的。

(2)任何物体在任何情况下都有内能。

(3)内能具有不可测性。只能比较物体内能的大小，不能确定这个物体具有的内能究竟是多少，因为内能是物体的所有分子具有的总能量，宏观量度比较困难。

2.对热量认识的三个误区

（1）热量是能量转移多少的量度，是一个过程量，它存在于热传递的过程中，只有发生了热传递，有了能量的转移，才能讨论热量问题，离开热传递谈热量也就没有了意义。

（2）热量只能有“吸收”或“放出”来表述，而不能用“具有”或“含有”来表述，不能说某物体含有或具有多少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量。

（3）吸收或放出热量的多少与物体内能的多少、温度的高低没有关系。

3.做功、热传递改变物体内能的实质

（1）做功改变物体的内能的实质是能量的转化，即内能与其他形式的能的相互转化；

（2）热传递改变物体内能实质上是能量的转移，即能量从一个物体转移到另一个物体或从物体的一部分转移到另一部分，无不同形式能量的相互转化；

（3）不是任何情况下对物体做功都能改变物体的内能。例如，用手托起物理课本，虽然人对课本做了功，但课本的内能没有增加，增加的是课本的机械能。

一、比热容

1.定义：一定质量的某种物质在温度升高时，吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比叫做这种物质的比热容，用符号c表示。

2.定义式：。

3.单位：焦耳每千克摄氏度，符号是：J/（kg·℃），比热容单位是由质量、温度和热量组成的组合单位。

4.物理意义：水的比热容是4.2×10³J/(kg·℃)，表示的物理意义是：1千克的水温度升高1℃吸收的热量是4.2×10³J。

5.一些常见物质的比热容

6.对比热容的理解

（1）一定质量的某种物质在温度升高时，吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比叫做这种物质的比热容，用符号c表示。

比热容是物质的特性之一，所以某种物质的比热容不会因为物质吸收或放出热量的多少而改变，也不会因为质量的多少或温度变化的多少而改变。也就是说，比热容的大小只与物质的种类及其状态（固态、液态和气态）有关，与物质的质量、温度的变化无关。

（2）比热容的大小与物质的种类和物质的状态有关。不同物质的比热容一般不同。同种物质在同一状态下，比热是一个不变的定值。如果物质的状态改变了，比热容的大小随之改变，如水变成冰。

7.比热容的应用

（1）与质量相同的其他物质相比，水的比热容在常见的物质中是比较大的。动物体中70%左右是水，例如黄牛。与质量相同的其他物质相比，水吸收(或放出)相同的热量，升高(或降低)的温度相对较小。体型较大的温血动物体内水分多，对维持自身的体温有优势。

（2）水是生命之源，人的生活离不开水，冬天人们用热水流过散热器来取暖，用热水的好处是由于相同质量的水和其他物质相比，降低相同的温度，由于水的比热容大，水放出的热量多，所以用热水流过散热器来取暖。

（3）炒栗子时里面加沙子有何作用?炒栗子时，栗子表面与热锅的接触面积很小，不利于传热。沙子的颗粒小可以填塞栗子间的空隙，这些被炒热的沙子大大增加了对栗子传热的面积，使栗子能均匀受热。另外，沙子的比热容较小，吸热时升温较快，可缩短炒熟的时间。也可以节能。

（4）城市种植花草树木，提高绿地覆盖率，修建人工湖，扩大水域面积，大大改善了市民的居住环境，让全市民享受到了“绿城”带来的实惠。从物理角度讲，花草树木对声音有一定的吸收作用，起到减弱噪音的作用：人工湖的建成，由于水的比热容较大，吸收或放出热量时，水的温度变化较小，即温差小，有恒温作用。

（5）夏日，在烈日暴晒下，游泳池旁的混凝土地面热得烫脚，而池中的水却不怎么热，这是因为质量相等的水和混凝土，照射同样的时间，吸收相同热量，由于水的比热容较大，水的温度升高较小。因此，池水的温度比混凝土低，所以在烈日暴晒下，游泳池旁的混凝土地面热得烫脚，而池中的水却不怎么热。

二、热量的计算

（1）物质吸热时热量的简单计算：Q_吸=cm△t=cm(t-t₀)；

（2）物质放热时热量的计算：Q_放=cm△t= cm(t₀-t)。

（3）其中：Q_吸—吸收的热量，单位：焦（J），Q_放—放出的热量。

c—比热容，单位：焦每千克摄氏度（J/(kg·℃)）

m—质量，单位：千克（kg）

△t—变化的温度（升高或降低的温度），单位：摄氏度（℃）；t₀—初始温度、t—末温。

一、热机

1.实验探究—热机工作原理

【实验现象】如图所示，在试管中装一些水，用橡皮塞塞住试管口，固定在铁架台上，用酒精灯给试管加热，水沸腾后，水蒸气会把橡皮塞冲出去，试管口观察到大量“白雾”出现。

【实验分析】酒精燃烧释放出热量（化学能转化为内能），通过热传递将一部分内能转移给水，水的内能增加，温度升高，产生大量水蒸气。水蒸气越来越多，对橡皮塞的压力越来越大，最后将橡皮塞冲出，这时水蒸气对橡皮塞做功。同时，水蒸气内能减小，温度降低，水蒸气液化成小水滴，在试管口可以观察到“白雾”。

【探究归纳】该实验装置就是一个简单的热机。其工作过程是：燃料燃烧，化学能转化为内能，一部分内能通过热传递方式传递给工作物质—水，水内能增大，温度升高，产生大量水蒸气，水蒸气将橡皮塞冲出，水蒸气内能转化为橡皮塞机械能。

2.热机

（1）热机：利用内能做功的机械叫热机。汽车、轮船和飞机等的发动机都是利用燃烧燃料释放的内能做功的装置，都是热机。

（2）热机的种类：分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。它们构造不同，但它们有一个共同特点，那就是利用内能做功。

（3）内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。内燃机根据其所使用的燃料分为汽油机和柴油机两类。

二、汽油机

1.工作原理：利用气缸内汽油燃烧产生的高温高压燃气来推动活塞做功，将内能转化为机械能。

2.构造

（1）主要结构：如图所示，汽油机的主体是气缸。气缸上部有进气门和排气门，顶部有火花塞，下部有活塞，活塞通过连杆与曲轴相连。

（2）冲程：活塞在气缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。

利用气缸内汽油燃烧产生的高温高压燃气来推动活塞做功，将内能转化为机械能。

（3）试管实验与汽油机构造比较：如图。

3.工作过程

（1）汽油机的一个工作循环：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。通过四个冲程的不断循环来连续工作。

（2）每完成一个工作循环，曲轴和飞轮均转动两周，活塞往返两次，对外做功一次。在四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其他三个冲程是辅助冲程，要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性带动活塞完成，周而复始，使汽油机连续转动下去。

（3）汽油机工作过程如下：

三、柴油机

1.工作原理：利用柴油在气缸内燃烧所产生的高温高压燃气来推动活塞做功，将内能转化为机械能。

2.构造：柴油机构造和汽油机构造相似，所不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴。

3.工作过程：柴油机与汽油机工作过程大致相同，也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，在一个工作循环中，曲轴连续转动两周，活塞往复两次，对外做功一次。见下表：

4.汽油机与柴油机的异同

相同点：

（1）基本构造和主要部件作用相似。

（2）每个工作循环都一样，有吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。

（3）四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其余三个冲程靠飞轮惯性完成。

（4）一个工作循环中，活塞往复两次，曲轴转动两圈，飞轮转两圈，做功一次。

不同点：

（1）构造不同：汽油机汽缸顶部有火花塞，而柴油机汽缸顶部有喷油嘴。

（2）燃料不同：汽油机燃烧汽油，而柴油机燃烧柴油。

（3）吸气冲程不同：汽油机吸进汽油和空气和燃料混合物，柴油机只吸进空气。

（4）点火方式不同：汽油机属点燃式点火，柴油机属压燃式点火。

一、燃料的热值

1.燃料

（1）燃料的种类：燃料是指可燃烧的物质，根据不同标准，燃料可分为不同的种类，最常见的是按其物理状态分类。

（2）燃料燃烧时能量转化：燃料在燃烧时将化学能转化为内能。

2.燃料的热值：燃料种类很多，由于其燃烧成分不同，相同质量的不同燃料完全燃烧时放出的热量不同，在物理学上用“热值”来表示燃料燃烧的放热本领。

（1）热值：某种燃料完全燃烧放出的热量，与其质量的比值叫这种燃料的热值；用“q”表示。

（2）热值单位：J/kg。

（3）热值的物理意义：一、1kg某种燃料完全燃烧放出的热量就等于该燃料的热值；二、热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小；也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关。

（4）燃料燃烧放出的热量：热量：Q_放＝qm；（Q_放是燃料放出的热量，单位是J；q是热值，单位是J/kg；m 是质量，单位是kg）

特别提醒：固体燃料、液体燃料的热值以“J/kg”为单位，而气体燃料的热值以“J/m³”为单位。因此Q_放＝qm一般用于固体燃料和液体燃料放热的计算；Q_放＝Vq一般用于气体燃料放出热值的计算，其中V为气体燃料的体积。

（5）对燃料热值的透析

二、热机的效率

1.燃料的有效利用：用煤气灶、锅炉、煤炉等烧水时，燃料不能完全燃烧利用，具体原因是多样的。例如，燃料不能完全燃烧而损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量、灶体本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，水吸收的热量只占燃料燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是有效利用的部分。如图所示：

2.锅炉的效率

（1）锅炉是利用燃料或其他热源把水加热成热水或蒸汽的设备。锅炉包括锅和炉两部分，锅是指盛水的容器，炉是燃料燃烧的装置。

（2）提高锅炉燃料利用率的途径：一、让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；二、减少热量损失，如加大有效受热面积等。

3.内燃机中热量燃烧的能量流向图

4.热机效率

（1）定义：用来做有用功的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值。

（2）计算公式：

对热机而言，其中用来做有用功的能量Q有用等于热机对外的有用功W有用，故热机的效率公式又可写成：。

（3）物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是热机性能的一个重要指标。

（4）常见热机效率：蒸汽机6%-15%，汽油机20%-30%，柴油机30%-45%。

（5）热机效率总小于1的原因

因为热机中用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的总能量的一部分，由于各种能量的损失和燃烧条件的限制，这部分能量一定小于完全燃烧放出总能量，所以有用功的能量与燃烧放出的总能量的比值必然小于1，即热机的效率一定小于1。

5.提高热机效率的主要途径

①改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧（将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之更充分燃烧）；

②减少各种热量损失（I. 加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量；II. 使用较好的保温材料，减少热损失）； 

③在热机设计和制造上，采用先进的技术；

④保障良好的润滑，减少机械摩擦。

一、能量的转化与转移

1.能量的存在形式

2.能量的转化：在一定条件下，能量可以从一种形式的能量转化为另一种形式的能量，这种现象叫能量的转化。自然界转化各种形式的能，在一定条件下都可以相互转化。如图为能量转化示意图。

3.能量的转移：能量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从物体的一部分转移到另一部分。例如，在热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体，或从物体的高温部分转移到低温部分，这属于能量的转移。

二、能量守恒定律

1.能量守恒定律

（1）能量守恒定律内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变。

（2）对能量守恒定律的理解

①能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体，小到原子核，也无论是物理学问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都遵从能量守恒定律。

②能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。

（3）机械能守恒和能量守恒的区别与联系

（1）机械能守恒需要满足一定的条件，能量守恒不需要条件。

（2）机械能守恒是能量守恒的特殊情况。

2.永动机

（1）不少人曾设想制造一种不需要动力就能源源不断地对外做功的机器，人们把这种机器叫做永动机。然而，从没有一种永动机成功过。

（2）能量守恒定律使人们认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为其他形式，而不能无中生有地制造能量。因此，根本不可能制造出永动机。

1.理解物体内能时，要注意以下三点：

(1)内能是指物体的内能，不是分子的，更不能说内能是个别分子和少数分子所具有的。内能是物体内部所有分子共同具有的动能和势能的总和，所以，单纯考虑一个分子的动能和势能是没有现实意义的。

(2)任何物体在任何情况下都有内能。

(3)内能具有不可测性。只能比较物体内能的大小，不能确定这个物体具有的内能究竟是多少，因为内能是物体的所有分子具有的总能量，宏观量度比较困难。

一、比较不同物质的吸热能力

1.探究不同物质吸热能力

【实验目的】探究不同物体的吸热能力。

【实验器材】相同的铁台架、酒精灯、石棉网、烧杯、温度计、搅拌器两套，火柴、秒表、水和另一种液体（如煤油）。

【实验步骤】

一、按图组装器材。

二、取质量相同的水和煤油（60g），常温下待温度稳定后（控制两种液体初温相同），测出两种液体的温度，并计入表格。

三、点燃酒精灯，同时给水和煤油加热，加热时间为5分钟，测量此时两种液体温度并计入表格。

四、实验表格（参考数据）

五、整理器材。

【实验结论】质量相同的水和另一种液体（如煤油），吸收相同的热量，煤油的温度升高较大。

2.考查内容

【END】

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