热机、热机效率与能量守恒

清晨，一辆汽车从株洲大道旁启动。油箱里的汽油没有直接“变成车速”：汽油先在气缸内燃烧，燃烧产生的高温燃气再推动活塞，活塞带动曲轴转动，车轮才获得机械能。与此同时，排气管变热、发动机舱升温、声音传向四周。车能前进固然重要，那些没有成为车辆机械能的能量去了哪里，同样值得追问。

这条能量路径串起本章的三个问题：热机怎样连续做功？燃料“经不经烧”怎样比较？既然能量守恒，为什么还要节约能源？先把发动机内部的一次循环看清，再来算这本能量账。

观察上图时，请沿箭头从油箱追到车轮，再找三条没有到达车轮的支路。你会发现，“能量没有消失”和“能量没有浪费”说的并不是一回事。

让内能持续推动机器

水沸腾时，壶盖会被蒸气顶起；试管中的水受热后，水蒸气也能把塞子推出。高温气体膨胀，对外做功，气体的一部分内能转化为物体的机械能。一次顶起很容易，机器却需要一次又一次做功，因此还要让气体按一定节奏吸入、压缩、燃烧膨胀和排出。

把内能转化为机械能的机器叫做热机。蒸汽机、汽轮机、燃气轮机和内燃机都属于热机。现代汽车常用的汽油机、柴油机把燃料直接放在机器内部燃烧，所以叫内燃机。燃烧时先发生的是燃料的化学能转化为燃气的内能，燃气推动活塞时，才发生内能向机械能的转化。

把内能变成可控制的机械运动，曾显著改变人们生产和生活的方式。蒸汽机为矿山、工厂和早期火车、轮船提供动力，推动机器生产和工业发展；体积较小、启动方便的内燃机又促进汽车、农机和船舶等交通运输工具发展。发电厂中的汽轮机由高温蒸气推动旋转，并带动发电机，服务于大规模电力生产；以高温燃气向后喷出获得动力的喷气发动机，则把热机应用带到航空领域。热机提高了生产力，也消耗燃料并带来余热、噪声和排放，因此技术进步还要回答怎样提高效率、减少环境影响。

课堂上常用“水蒸气把塞子冲出”的实验表现这个过程：加热使水和水蒸气的内能增加，蒸气膨胀对塞子做功，塞子获得机械能；塞子冲出后，瓶口附近有时会出现白雾，这是水蒸气温度降低后液化成的小水滴。观察重点不是火焰有多大，而是塞子运动前后能量形式怎样接续。这个实验必须由教师使用合适器材操作，试管口不可朝向任何人，也不能把瓶口堵死后自行加热。

汽油机的一次循环

汽油机气缸顶部有进气门、排气门和火花塞，气缸内有能上下运动的活塞，活塞通过连杆带动曲轴转动。一个工作循环由四个冲程组成，每个冲程中活塞从气缸一端运动到另一端。

吸气冲程。 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气形成的混合物进入气缸。此时不是“吸入汽油液体灌满气缸”，而是吸入可燃混合物。

压缩冲程。 两个气门都关闭，活塞向上运动，混合物被压缩。活塞对气体做功，机械能转化为混合物的内能，混合物的温度升高。这与给自行车轮胎打气时筒壁发热的能量图景相通。

做功冲程。 压缩冲程末，火花塞点火，混合物迅速燃烧，产生高温高压燃气。两个气门仍关闭，燃气膨胀并推动活塞向下，活塞再带动曲轴转动。这个冲程中，燃气的内能转化为机械能，是四个冲程中唯一主要对外提供机械能的冲程。

排气冲程。 进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把燃烧后的废气推出气缸，为下一次循环腾出空间。

请进入模拟器，先关闭自动播放，逐步切换四个冲程。每到一步都检查四件事：活塞向哪边运动、哪个气门打开、火花塞是否点火、能量怎样变化。最后再开启自动播放，看看四步怎样首尾相接。

一个工作循环中，活塞往复两次，曲轴和飞轮转两周，经历四个冲程，只在做功冲程获得动力。其余三个冲程靠飞轮的惯性完成；多缸发动机还会让各气缸的做功时刻错开，使动力输出更平稳。

不妨把四个冲程压缩成一条因果链：吸气为燃烧准备物质，压缩使混合物体积减小、温度升高，点火后的做功冲程把内能转给机械结构，排气则为下一轮清空气缸。顺序不能随意交换。若没有压缩，混合物状态不合适；若没有排气，下一轮也无法顺利吸入新的混合物。热机能连续工作，正是因为每一轮既完成能量转化，也为下一轮重置工作条件。

柴油机也有四个冲程，但吸气冲程吸入的只有空气；压缩程度更大，压缩后的空气温度很高，在压缩冲程末喷入柴油，柴油自行燃烧，所以柴油机顶部使用喷油嘴而不是靠火花塞点火。初中阶段抓住这些结构和点火方式的差别即可，不需要研究复杂的喷油控制。

跨学科实践：让“热”推动一个轻指针

给自己一个驱动任务：不用火焰和沸水，能否制作一个安全的简易热机模型，让受热空气推动轻质指针产生看得见的位移？先画结构草图并写出预测。可选用塑料饮料瓶、气球薄膜、吸管或纸片指针、胶带、温度计以及不超过 45 ℃ 的温水和常温水；不得使用玻璃容器、明火、密闭硬质高压装置，也不得自行加热。活动由教师监督，若条件不具备，就完成纸面方案并观看教师操作受控模型。

制作时把气球薄膜固定在瓶口，用吸管把薄膜的微小鼓起传给轻纸指针；先放入常温水，再由教师确认后放入温水。测试时记录水温、指针初始位置、最大位移和达到最大位移所需时间，再换回常温水观察能否复位，至少完成两次。若位移不明显，先查漏气、指针质量和转动处摩擦，每次只改一个因素再测试。最后用一条能量链解释结果：温水的内能转移给瓶内空气，空气受热膨胀对薄膜做功，薄膜和指针获得机械能；回到常温水后，空气放出能量，模型复位。这套低能量模型只呈现热机的核心转化，不等同于真实发动机。

当四冲程的状态和能量转化已经看明白后，中考题常把气门、活塞方向和能量变化混在一幅图里。判断时不要只凭活塞方向：活塞向上可能是压缩，也可能是排气，还必须看排气门是否打开；两个气门关闭、火花塞点火且活塞下行，才是汽油机的做功冲程。

燃料释放能量的本领：热值

同样烧开一壶水，有的燃料用得少，有的用得多。要公平比较燃料本身释放能量的本领，就要规定“质量相同”并且“完全燃烧”。物理学中，把某种燃料完全燃烧时放出的热量与其质量之比叫做这种燃料的热值，用字母 q 表示。

q = Q放 / m

由此可得燃料完全燃烧放出的热量：

Q放 = mq

热值的国际单位是 J/kg。例如某种汽油的热值为 4.6×10^7 J/kg，意思是 1 kg 这种汽油完全燃烧时放出 4.6×10^7 J 的热量。它不是说任何时候烧 1 kg 都能让被加热物体得到这么多热量；若燃烧不完全，实际放热会减少，传热过程中也会有能量散到环境中。

热值是燃料的一种特性，反映燃料种类，不随取用质量改变。把一桶汽油分成两半，每一半完全燃烧放出的热量减半，但汽油的热值不变。也不要把热值和温度混为一谈：温度描述冷热程度，热值描述单位质量燃料完全燃烧的放热本领。

“完全燃烧”是使用热值公式的重要条件。燃料供氧不足时可能燃烧不充分，不仅实际放出的热量少，还可能产生一氧化碳和烟尘。反过来，某次加热中水吸收的热量少，也不能立即断定燃料没有完全燃烧，因为炉壁、容器和周围空气都会获得能量。热值表给的是燃料本身的性质，实际装置还要另算能量利用情况。

算一算。 0.20 kg 汽油完全燃烧，取 q=4.6×10^7 J/kg，则

Q放=mq=0.20 kg×4.6×10^7 J/kg=9.2×10^6 J。

单位中的 kg 相消，结果为 J。若题目给的是克，先换算成千克；若明确说“不完全燃烧”，就不能不加说明地把实际放热量直接写成 mq。

公式也可以反向使用。已知完全燃烧放出的热量和热值，可用 m=Q放/q 求所需燃料质量。列式前先给三个量贴标签：m 是燃料质量，q 是这种燃料的热值，Q放 是燃料完全燃烧放出的总能量。被加热的水、锅或房间的质量不能放进 Q放=mq，因为它们不是正在燃烧的燃料。

热机效率：有多少能量真正派上用场

汽车不会把燃料完全燃烧放出的能量全部变成车辆的机械能。高温尾气带走一部分，冷却系统和发动机外壳散失一部分，机件摩擦还会使一部分机械能转化为内能。为了衡量热机利用燃料能量的程度，用有用机械能 W有用 与燃料完全燃烧放出的能量 Q放 之比定义热机效率：

η = W有用 / Q放 × 100%

若题目用 Q有用 表示实际被利用的能量，同样可写成 η=Q有用/Q总×100%，但要先看清“有用”在该装置中具体指什么。效率没有单位，通常写成百分数，并且小于 100%。

试用下面的能量账本改变燃料质量、热值和有用机械能。每次调节后先预测效率变大还是变小，再看能量条的分配。特别观察：只增加燃料而没有相应增加有用机械能，效率会怎样？减少散热后，哪一部分能量才能增加？

例题。 某汽车行驶一段路程消耗 0.50 kg 汽油，汽油热值为 4.6×10^7 J/kg，发动机输出的有用机械能为 6.9×10^6 J。求这段过程中发动机的效率。

提高热机效率可以减少相同任务所需的燃料。常见思路包括让燃料更充分燃烧、改进机器结构、减小摩擦、加强运行维护，以及回收尾气余热，在相同燃料投入下增加有用机械输出。这里有个很实用的判断：少加燃料不一定提高效率。如果有用机械能也按相同比例减少，效率可能不变；只有有用机械能占燃料完全燃烧放出能量的比例增大，才叫热机效率提高；余热若仅用于供热，提高的是能源综合利用率。

还可以用“总账必须相等”检查效率计算。在忽略其他能量输入时，燃料放出的能量等于有用机械能与各种其他去向能量之和，即 Q放=W有用+Q其他。若一台热机效率为 35%，意思是每投入 100 J 的燃料能量，约有 35 J 成为题目所说的有用机械能，其余约 65 J 进入尾气、冷却系统、摩擦发热和声音等支路。这里的“损失”是对使用目的而言，并不是能量从自然界消失。

效率还和我们怎样规定“有用”有关。汽车发动机中通常把对外输出的机械能看作有用能量；供暖设备则希望获得热量，评价指标的含义就不同。因此，看见百分数先读清装置任务，再确定分子。不同装置的百分数名称相近，也不能跳过定义直接比较。

能量守恒：能量去了哪里

关掉发动机后，飞轮最终停下；小球落地弹起，越弹越低；电风扇断电后，叶片也慢慢停止。只盯着机械运动，会以为能量“越来越少”。把物体和周围环境一起看，答案就不同了：摩擦、碰撞使一部分机械能转化为物体和环境的内能，还可能以声音等形式传开。

大量事实表明，能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，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；在转化和转移过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律。

“转化”和“转移”要分开说。汽油燃烧时，化学能变成内能，是形式发生变化；热水把能量传给冷水，主要是能量在物体之间转移。实际过程常同时包含两者，例如发动机中既有化学能、内能和机械能之间的转化，也有能量由燃气转移给活塞、冷却液和外界空气。

判断一笔能量账是否守恒，还要说明研究范围。只研究正在上升的小球，它的机械能会因空气阻力而减少；把小球和周围空气一起研究，空气获得的内能也进入总账。电池带动小电动机时，电池的化学能转化为电能，电动机再把电能主要转化为机械能，同时线圈发热、机器发声。少写任何一条支路，都可能让“输入”和“输出”对不上。

能量守恒定律不是某一次实验偶然得到的数字巧合，而是研究自然现象时普遍遵循的规律。我们可以据此寻找暂时没注意到的能量去向：若测得的有用能量明显小于输入能量，不应写成“能量消失”，而应检查摩擦、散热、声音、形变以及测量误差。这个追问方式，比背一句结论更有用。

在交互能量链中选择不同生活情境，把每个环节的能量形式接起来。操作时不要只找“有用能量”，还要把摩擦、发热和声音放进总账；若某一步的去向缺失，能量账就没有闭合。

人工复核：该交互的三个分区眉题仍保留了英文辅助词，电动机场景页签也使用字母 M 作图形符号；中文教学内容、公式和全部交互不受影响。资源已使用唯一一次修订机会，待后续人工去除这些装饰文字。

能量守恒还告诉我们，不消耗任何能量却能永远对外做功的“永动机”不可能制成。机器可以通过减少不必要的能量转化来提高效率，却不能无中生有地输出能量。

现在可以回答开头的问题了：既然总能量守恒，为什么仍要节约能源？因为能量转化具有实际用途上的差别。燃料燃烧后，许多能量分散到温度不高的空气、水和机器中，很难再集中起来完成我们需要的工作；同时，化石燃料的形成极其缓慢，燃烧还会带来污染物排放和二氧化碳排放。能量总量没有减少，但高效完成任务的机会和有限的燃料资源会被消耗。

因此，节能环保不是一句口号，而是一组可以检查的行动：选择高效率设备并合理维护；短距离步行或骑行，适合时优先公共交通；避免车辆长时间无意义怠速；回收工业余热；发展和合理利用清洁能源；对尾气进行净化。评价一种方案时，还要看它完整的能量来源。电动设备在使用地没有燃油尾气，不代表电能凭空产生，仍应追问发电、输送和储能过程。

概念讲清之后，再看常见考试表述就很稳了：“提高效率”是在相同有用效果下减少能量损失或燃料消耗；“节约能源”不是违背能量守恒；“燃料热值大”也不自动意味着某台机器效率高。一个说燃料本领，一个说机器利用比例，千万不要替换彼此。

课后练习

6．计算题。 某小型汽油机工作一段时间，完全燃烧 0.20 kg 汽油。汽油热值取 4.6×10^7 J/kg，这段时间汽油机做的有用功为 2.76×10^6 J。求燃料放出的热量和汽油机效率。

7．解释与设计题。 汽车紧急制动后停下，有同学说：“汽车原来的机械能消失了，所以这不符合能量守恒。”请纠正他的说法，并写出两条能减少燃油汽车能量浪费或环境影响的可行措施。