《内能的利用思维导图简单》

中心主题：内能的利用

一、内能的概念及影响因素

• 定义： 物体内部所有分子动能和分子势能的总和。
• 影响因素：
  • 温度： 温度越高，分子热运动越剧烈，内能越大。（正相关关系）
  • 质量： 质量越大，分子数目越多，内能越大。（正相关关系）
  • 状态： 同种物质，状态不同内能不同。（通常气体>液体>固体，但水存在反常膨胀）

二、改变物体内能的方式

• 做功：
  • 对外做功： 物体内能减少，温度降低。（例如：气体膨胀推动活塞）
  • 对物体做功： 物体内能增加，温度升高。（例如：压缩气体）
  • 实例： 压缩气体点火（柴油机原理），钻木取火，弯折铁丝发热。
  • 本质： 能量的转化，机械能转化为内能（对物体做功），内能转化为机械能（对外做功）。
• 热传递：
  • 定义： 热量从高温物体传递到低温物体，或从同一物体的高温部分传递到低温部分的过程。
  • 条件： 存在温度差。
  • 本质： 能量的转移，内能从高温物体转移到低温物体。
  • 途径： 传导、对流、辐射。
    • 传导： 物体内部或物体之间，依靠分子间的碰撞来传递能量。（固体尤为明显，液体气体也可）
    • 对流： 由于物体各部分温度不同引起的密度差异而产生流动，从而传递能量。（液体和气体）
    • 辐射： 物体以电磁波的形式向外辐射能量。（不需要介质，真空中也可传播）
  • 热平衡： 当两个物体接触时，发生热传递，直到温度相同，达到热平衡状态。

三、内能的利用 - 热机

• 热机： 将内能转化为机械能的装置。
• 常见热机：
  • 蒸汽机：
    • 原理： 利用燃烧燃料加热水，产生高温高压蒸汽，推动活塞做功。
    • 能量转化： 化学能 -> 内能 -> 机械能
    • 缺点： 效率低，体积大，污染严重。（逐渐被淘汰）
  • 内燃机：
    • 分类： 汽油机、柴油机。
    • 工作原理： 燃料在发动机内部燃烧，产生高温高压气体，推动活塞做功。
    • 工作冲程（四冲程内燃机）：
      • 吸气冲程： 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，吸入空气或可燃气体。
      • 压缩冲程： 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，压缩气体，内能增加，温度升高。（汽油机点燃混合气体，柴油机压缩空气）
      • 做功冲程： 进气门和排气门都关闭，压缩的混合气体或空气被点燃（汽油机：火花塞点火，柴油机：喷油点火），产生高温高压气体推动活塞向下运动，对外做功。
      • 排气冲程： 进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，排出废气。
    • 能量转化： 化学能 -> 内能 -> 机械能
    • 效率： 内燃机效率高于蒸汽机，结构更紧凑。
    • 应用： 汽车、火车、飞机、轮船等。
  • 喷气发动机：
    • 原理： 燃烧燃料产生高温高压气体，向后喷出，利用反作用力推动飞行器前进。
    • 能量转化： 化学能 -> 内能 -> 机械能
    • 特点： 推力大，速度快。
    • 应用： 飞机、导弹、火箭等。
• 热机效率：
  • 定义： 热机用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。
  • 公式： η = (W有用 / Q燃料) × 100%
  • 影响因素： 摩擦、废气带走的热量、冷却水带走的热量等。
  • 提高效率的途径：
    • 燃料充分燃烧。
    • 减少摩擦。
    • 减少废气带走的热量。
    • 利用废气余热。

四、内能的利用 - 其他应用

• 供暖系统： 利用燃烧燃料或地热资源加热水或其他介质，通过管道输送到建筑物内进行供暖。
• 热水器： 利用电能、太阳能或燃气加热水，提供生活热水。
• 制冷设备： 利用制冷剂的相变（蒸发吸热，液化放热）来降低温度，例如：冰箱、空调。
• 发电厂： 利用燃料燃烧产生的热能驱动汽轮机或燃气轮机，带动发电机发电。
• 工业生产： 利用高温进行冶炼、化工反应、材料加工等。

五、内能利用中的环境保护

• 环境污染： 热机燃烧燃料会产生废气，如二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，造成大气污染、酸雨和温室效应。
• 能源危机： 传统燃料资源有限，长期过度使用会导致能源危机。
• 保护措施：
  • 提高热机效率，减少燃料消耗。
  • 开发和利用清洁能源，如太阳能、风能、水能、地热能、核能等。
  • 采用环保技术，减少废气排放。
  • 推行节能减排，倡导绿色生活。
• 未来发展趋势： 开发更高效、更清洁、更可持续的能源利用技术。例如：氢能源、可控核聚变。