一、内燃机及其工作原理
内燃机是现代工业和交通工具中不可或缺的动力装置，它通过将燃料的化学能转化为机械能，驱动各种机械设备和车辆。内燃机的工作原理基于热力学的基本定律，尤其是能量守恒定律和能量转化定律。
在内燃机中，燃料的化学能首先通过燃烧转化为内能（即热能），然后通过做功过程将内能进一步转化为机械能，最终驱动机器或车辆的运动。
根据燃烧燃料的不同，内燃机可以分为汽油机、柴油机等多种类型。尽管它们的具体结构和工作方式有所差异，但基本的工作原理是相似的，都遵循四个冲程的工作循环：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。每个工作循环中，内燃机完成一次完整的能量转换过程，推动活塞运动并产生动力。
# 1.1 四个冲程的工作过程
内燃机的一个完整工作循环由四个冲程组成，每个冲程对应着不同的能量转换阶段。以下是这四个冲程的详细解释：
- 吸气冲程：在这个阶段，进气门打开，排气门关闭，活塞从上止点向下移动，形成负压，使空气或混合气体（对于汽油机）进入气缸。这个过程中，外界的空气或燃料与空气的混合物被吸入气缸，为后续的燃烧做准备。
- 压缩冲程：当活塞到达下止点后，开始向上移动，此时进气门和排气门都处于关闭状态。活塞将气缸内的空气或混合气体压缩，使其体积减小，压力和温度升高。压缩冲程的主要作用是提高气体的温度和压力，为接下来的燃烧提供有利条件。
根据热力学第一定律，压缩过程中外界对气体做功，使得气体的内能增加，机械能转化为内能。
- 做功冲程：这是内燃机中最关键的一步。当活塞接近上止点时，火花塞点燃汽油机中的混合气体，或者柴油机中的高压柴油喷入气缸后自燃。燃烧产生的高温高压气体迅速膨胀，推动活塞向下运动，对外做功。此时，气缸内的内能转化为机械能，驱动曲轴旋转，输出动力。
做功冲程是唯一一个对外输出机械能的冲程，其他三个冲程都需要依靠飞轮的惯性来完成。
- 排气冲程：当活塞到达下止点后，排气门打开，进气门仍然关闭，活塞再次向上移动，将燃烧后的废气排出气缸。这个过程中，废气被强制排出，为下一个工作循环做好准备。排气冲程结束后，内燃机重新进入吸气冲程，开始新一轮的能量转换。
# 1.2 内燃机的工作特点
内燃机的一个完整工作循环中，只有做功冲程是燃气对活塞做功，其他三个冲程（吸气、压缩、排气）都需要依靠飞轮的惯性来完成。飞轮是一个质量较大的圆盘，安装在曲轴上，它的主要作用是储存动能，确保发动机在非做功冲程中能够平稳运行。
由于每个工作循环中只对外做一次功，因此曲轴需要转动两周，飞轮也需要转动两圈，活塞往返两次才能完成一个完整的工作循环。
# 1.3 汽油机与柴油机的区别
尽管汽油机和柴油机都属于内燃机，但它们在结构和工作原理上存在一些显著的差异。以下是两者的主要区别：
- 燃料种类：汽油机使用汽油作为燃料，而柴油机使用柴油。汽油的挥发性较强，易于与空气混合，适合用于火花点燃；柴油则具有较高的闪点，适合高压自燃。
- 点火方式：汽油机采用火花塞点火，通过电火花点燃气缸内的混合气体；柴油机则采用压燃式点火，通过压缩气体到极高的温度和压力，使柴油自燃。因此，柴油机不需要火花塞，而是依赖于高压喷油嘴将柴油喷入气缸。
- 压缩比：由于柴油机的点火方式不同，其压缩比通常比汽油机高得多。柴油机的压缩比一般在14:1到22:1之间，而汽油机的压缩比通常在8:1到12:1之间。较高的压缩比使得柴油机的燃烧效率更高，但也要求更高的制造精度和材料强度。
- 功率输出：柴油机的扭矩较大，适合用于重型设备和大型车辆，如卡车、拖拉机等；汽油机则更适合用于轻型车辆和个人交通工具，如轿车、摩托车等。此外，柴油机的燃油经济性较好，燃油消耗量较低，但排放的污染物较多，尤其是颗粒物和氮氧化物。
- 启动性能：汽油机的启动较为容易，尤其是在低温环境下，因为汽油的挥发性较好，容易与空气混合形成可燃混合气。柴油机的启动相对较难，尤其是在寒冷的环境中，因为柴油的挥发性较差，需要预热装置来提高气缸温度，确保顺利启动。
# 1.4 判断冲程的方法
判断内燃机的工作属于哪个冲程，可以通过观察气门的开闭状态和活塞的运动方向来进行。具体来说：
- 吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动。
- 压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动。
- 做功冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向下运动，且此时气缸内有燃烧现象。
- 排气冲程：排气门打开，进气门关闭，活塞向上运动。
二、燃料的热值
燃料的热值是衡量燃料燃烧能力的重要指标，它反映了单位质量或单位体积的燃料在完全燃烧时所能释放的热量。热值的概念不仅在物理学中有着重要的理论意义，也在实际应用中具有广泛的应用价值，尤其是在能源利用和环境保护领域。
# 2.1 燃料燃烧过程中的能量转化
燃料燃烧是一种化学反应，燃烧过程中，储存在燃料中的化学能被释放出来，转化为周围物体的内能。这种能量转化过程可以通过以下步骤来理解：
1. 化学键断裂：燃料分子中的化学键在高温下断裂，释放出能量。例如，碳氢化合物（如汽油、柴油）中的碳-氢键和碳-碳键在燃烧时断裂，释放出大量的热量。
2. 氧气参与反应：燃料与空气中的氧气发生氧化反应，生成二氧化碳和水蒸气等产物。这个过程中，氧气起到了助燃的作用，促进了燃料的充分燃烧。
3. 能量释放：燃烧反应产生的高温气体迅速膨胀，推动活塞做功，将内能转化为机械能。同时，部分热量以辐射和传导的形式散发到周围环境中。
# 2.2 燃料的热值定义
燃料的热值是指1千克某种燃料完全燃烧时放出的热量，用符号“q”表示。热值的单位是焦耳每千克（J/kg），读作“焦耳每千克”。对于气体燃料，热值的单位也可以是焦耳每立方米（J/m），读作“焦耳每立方米”。
热值是为了比较不同燃料的燃烧特性而引入的物理量。不同种类的燃料，其热值通常是不同的。例如，汽油的热值约为46,000 J/g，而柴油的热值约为43,000 J/g。同种燃料的热值是一定的，与燃料的质量、体积、放出热量的多少无关。因此，热值可以用来评估燃料的燃烧效率和能量密度。
# 2.3 热值的计算
在实际应用中，我们常常需要计算一定质量或体积的燃料完全燃烧时所放出的热量。根据热值的定义，燃料燃烧放出的热量可以通过以下公式进行计算：
- 对于固体或液体燃料：
\[Q = q \times m\]
其中，\(Q\) 表示燃料燃烧放出的热量，单位是焦耳（J）；\(q\) 表示燃料的热值，单位是焦耳每千克（J/kg）；\(m\) 表示燃料的质量，单位是千克（kg）。
- 对于气体燃料：
\[Q = q \times V\]
其中，\(Q\) 表示燃料燃烧放出的热量，单位是焦耳（J）；\(q\) 表示燃料的热值，单位是焦耳每立方米（J/m）；\(V\) 表示燃料的体积，单位是立方米（m）。
# 2.4 热值的影响因素
在学习热值的概念时，需要注意以下几点：
- 完全燃烧：热值的定义中强调了“完全燃烧”，这意味着燃料必须完全转化为另一种物质，没有任何未燃烧的残留物。如果燃料不完全燃烧，会导致热量损失，影响热值的准确性。因此，在实际应用中，确保燃料的充分燃烧是非常重要的。
- 燃料质量：热值的定义中规定了燃料的质量为1千克，这是因为我们需要在相同的条件下比较不同燃料的燃烧特性。如果燃料的质量不同，热值的数值也会随之变化。因此，在计算燃料燃烧放出的热量时，必须准确测量燃料的质量。
- 燃料种类：热值是针对特定燃料的特性而定义的，不同种类的燃料具有不同的热值。例如，煤、石油、天然气等化石燃料的热值各不相同，甚至同一类燃料中的不同品种也可能存在差异。因此，在选择燃料时，热值是一个重要的参考指标。
- 燃烧条件：燃料的热值与其燃烧条件密切相关。例如，燃烧时的温度、压力、氧气浓度等因素都会影响燃料的燃烧效率。在理想条件下，燃料能够完全燃烧，释放出最大热量；而在实际应用中，由于燃烧条件的限制，燃料可能无法完全燃烧，导致热量损失。
# 2.5 热值的实际应用
热值的概念在能源利用和环境保护领域有着广泛的应用。通过对不同燃料的热值进行比较，我们可以选择最适合特定应用场景的燃料。例如，在汽车行业中，汽油和柴油的选择取决于车辆的类型和使用环境；在工业生产中，煤炭、天然气等燃料的选择则取决于成本、效率和环保要求。
此外，热值还可以帮助我们评估燃料的燃烧效率和能量利用率。通过测量燃料燃烧时放出的热量，并与理论热值进行对比，我们可以判断燃料是否得到了充分利用，是否存在能量浪费。这对于提高能源利用效率、减少环境污染具有重要意义。
内燃机的工作原理和燃料的热值是九年级物理第十四章的重要知识点。通过深入理解这些概念，我们可以更好地掌握能量转换的规律，了解燃料的燃烧特性，并为未来的能源利用和环境保护打下坚实的基础。