内能与热机思维导图
《内能与热机思维导图》
一、内能
1.1 定义：
- 物体内部所有分子热运动动能和分子间势能的总和。
- 强调“所有”和“总和”，是大量分子无规则运动的结果。
1.2 影响因素：
- 温度：
- 温度越高，分子运动越剧烈，热运动动能越大，内能越大。（主要因素）
- 但内能不只与温度有关，还与物质的质量、状态有关。
- 质量越大，分子数量越多，内能越大。（正比关系）
- 同种物质，状态不同（固、液、气），分子间作用力不同，内能不同。
- 一般来说，气态内能 > 液态内能 > 固态内能 (特殊情况除外，如水在冰点)
1.3 内能与温度的关系：
- 温度是分子平均动能的宏观表现，内能是所有分子动能和分子势能的总和。
- 温度升高，分子平均动能增大，通常内能增大 (需要考虑分子势能的变化)。
- 内能增加，温度不一定升高 (如晶体熔化过程，吸热温度不变，内能增加)。
1.4 内能的改变：
- 做功 (克服摩擦做功、压缩气体做功)：
- 本质：其他形式的能转化为内能。
- 表现：物体温度升高（通常）。
- 示例：钻木取火、压缩气体（活塞对气体做功）、摩擦生热。
- 本质：能量的转移 (内能从高温物体传递到低温物体)。
- 表现：高温物体温度降低，低温物体温度升高，直至达到热平衡。
- 途径：传导、对流、辐射。
1.5 热量：
- 定义：在热传递过程中，传递能量的多少。
- 单位：焦耳 (J)。
- 符号：Q。
- 注意：热量只能说“吸收”或“放出”，不能说“含有”或“具有”。热量是过程量，不是状态量。
1.6 比热容 (c)：
- 定义：单位质量的某种物质，温度升高或降低 1℃ (或 1K) 吸收或放出热量的多少。
- 单位：焦/（千克·摄氏度）[J/(kg·℃)] 或 焦/（千克·开尔文）[J/(kg·K)]
- 物理意义：反映了物质吸收或放出热的能力。比热容越大，升温或降温需要的热量越多。
- 公式：Q = mcΔt (Q:吸收或放出的热量，m:质量，c:比热容，Δt:温度变化量)
- 注意：比热容是物质的一种特性，只与物质的种类和状态有关，与质量、温度、吸收或放出的热量无关。
二、热机
2.1 定义：
2.2 工作原理：
- 燃料燃烧产生高温高压燃气，推动活塞做功，将内能转化为机械能。
2.3 类型：
- 内燃机：
- 燃料在发动机内部燃烧。
- 分类：汽油机、柴油机。
- 汽油机：
- 工作循环：吸气、压缩、做功、排气。
- 压缩冲程：机械能转化为内能 (活塞上升，压缩燃料和空气混合物，温度升高)。
- 做功冲程：内能转化为机械能 (高温高压燃气推动活塞，做功)。
- 点火方式：火花塞点燃。
- 柴油机：
- 工作循环：吸气、压缩、做功、排气。
- 压缩冲程：机械能转化为内能 (活塞上升，压缩空气，温度升高)。
- 做功冲程：内能转化为机械能 (高温高压燃气推动活塞，做功)。
- 点火方式：压燃（压缩空气升温）。
- 比较：
- 汽油机：功率大，转速高，结构简单，质量较轻。
- 柴油机：经济性好（燃油消耗率低），寿命长，但噪音大，振动大，质量重。
- 燃料在发动机外部燃烧，如蒸汽机。
- 效率较低，已被内燃机取代。
2.4 效率：
- 热机效率 (η)：
- 定义：用来做有用功的能量与燃料完全燃烧释放的能量之比。
- 公式：η = W_有用 / Q_释放 (W_有用：有用功，Q_释放：燃料完全燃烧释放的热量)
- 影响因素：
- 热机的设计和制造水平。
- 燃料的质量和燃烧程度。
- 使用环境（温度、压力等）。
- 热机效率总是小于 1，因为存在能量损失：
- 排气带走的热量。
- 克服摩擦做功消耗的能量。
- 散热损失。
- 提高燃料的燃烧程度。
- 减少摩擦。
- 减少散热损失。
- 使用高热值的燃料。
2.5 能量转化与守恒：
- 热机工作过程中，能量的转化过程：化学能 → 内能 → 机械能。
2.6 热机对环境的影响：
- 优点： 强大的动力来源，推动社会发展。
- 缺点：
- 燃料燃烧产生污染物，如二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、颗粒物等，造成空气污染。
- 产生热污染，排放大量热量，影响局部气候。
- 消耗不可再生能源。
2.7 热机的改进与发展：
- 技术改进： 提高热效率，减少污染物排放。
- 燃料替代： 使用清洁能源，如氢能源、生物燃料等。
- 新型热机： 斯特林发动机、燃料电池等。
