热机：四冲程汽油机、柴油机的工作过程与热机效率
热机是把内能转化为机械能的机器。四冲程内燃机的一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成，活塞往复 2 次，曲轴转动 2 周，对外做功 1 次。压缩冲程把机械能转化为内能，做功冲程把内能转化为机械能；吸气、压缩、排气三个冲程靠飞轮的惯性完成。
热机与内燃机
燃料燃烧时化学能转化为内能，利用内能做功的机械叫热机。蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机都是热机。燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机叫内燃机，最常见的是汽油机和柴油机。
汽油机的主要结构：汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门和火花塞。活塞在汽缸内往复运动，通过连杆带动曲轴转动；活塞从汽缸的一端运动到另一端叫做一个冲程。
四个冲程
| 冲程 | 进气门 | 排气门 | 活塞运动 | 发生了什么 | 能量转化 |
|---|---|---|---|---|---|
| 吸气冲程 | 打开 | 关闭 | 向下 | 汽油机吸入汽油和空气的混合物，柴油机只吸入空气 | — |
| 压缩冲程 | 关闭 | 关闭 | 向上 | 气体被压缩，压强增大，温度升高 | 机械能 → 内能 |
| 做功冲程 | 关闭 | 关闭 | 向下 | 燃料燃烧产生高温高压的燃气，推动活塞做功 | 内能 → 机械能 |
| 排气冲程 | 关闭 | 打开 | 向上 | 把废气排出汽缸 | — |
做功冲程是唯一对外做功的冲程：燃料燃烧把化学能转化为燃气的内能，燃气推动活塞，内能再转化为机械能。其余三个冲程要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。
怎样判断是哪个冲程
- 先看气门：进气门打开的是吸气冲程，排气门打开的是排气冲程。
- 两个气门都关闭时看活塞：活塞向上运动是压缩冲程，向下运动是做功冲程；火花塞产生电火花（或喷油嘴喷油）的也是做功冲程。
转速与做功次数
一个工作循环飞轮转 2 圈、完成 4 个冲程、对外做功 1 次，所以 冲程数 = 飞轮转数 × 2，做功次数 = 飞轮转数 ÷ 2。例：飞轮转速 1800 r/min = 30 r/s，每秒完成 60 个冲程、15 个工作循环，对外做功 15 次。注意先把 r/min 换算成 r/s。
汽油机和柴油机的区别
| 汽油机 | 柴油机 | |
|---|---|---|
| 汽缸顶部 | 火花塞 | 喷油嘴 |
| 吸气冲程吸入 | 汽油和空气的混合物 | 空气 |
| 点火方式 | 点燃式：压缩冲程末火花塞产生电火花 | 压燃式：压缩冲程末喷油嘴喷出雾状柴油，遇到温度超过柴油燃点的空气立即燃烧 |
| 压缩程度 | 较小 | 较大 |
| 效率 | 较低（约 20%～30%） | 较高（约 30%～45%） |
| 特点与用途 | 轻巧，用于小汽车、摩托车、小型飞机 | 笨重，用于载重汽车、拖拉机、火车、轮船 |
热机的效率
燃料完全燃烧放出的热量 Q放 = mq（q 为燃料的热值）。在热机里，燃料很难完全燃烧，废气带走很多能量，汽缸要散热，机件之间还有摩擦，真正用来做有用功的只是一小部分。用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率：
η = W有 / Q放 × 100%
例：一台效率为 25% 的汽油机，完全燃烧 2 kg 汽油，Q放 = 2 kg × 4.6×10⁷ J/kg = 9.2×10⁷ J，得到的有用功 W有 = 25% × 9.2×10⁷ J = 2.3×10⁷ J。各种损失中废气带走的能量最多。提高热机效率的途径：使燃料充分燃烧、尽量减少各种热量损失、机件间保持良好的润滑以减小摩擦。由于总有能量损失，热机的效率总小于 100%。
用这个模型做实验
- 打开“四个冲程”，暂停后连续点“下一冲程”，对照面板看每个冲程中进气门、排气门的开闭和活塞的运动方向。
- 看右侧表盘：指针转一整圈是一个工作循环，曲轴（看飞轮上的黄点）转了两圈；温度条、压强条在压缩冲程上升，做功冲程开始时最高。
- 切换到柴油机，看汽缸顶部的火花塞换成了喷油嘴，吸气冲程吸入的只有空气，压缩冲程末温度更高。
- 拖动“飞轮转速”，看每秒的冲程数和做功次数怎样换算。
- 打开“判断冲程”，只看气门和活塞判断冲程，再练能量转化、转速计算和汽油机与柴油机的区别。
- 打开“热机效率”，看燃料放出的能量都去了哪里；勾选三条改进措施，看效率提高了多少、能不能达到 100%。
常见问题
四冲程汽油机的四个冲程分别是什么？
吸气冲程：进气门打开、排气门关闭，活塞向下运动，吸入汽油和空气的混合物；压缩冲程：两个气门都关闭，活塞向上运动，压缩燃料混合物，使其压强增大、温度升高；做功冲程：压缩冲程末火花塞产生电火花，燃料猛烈燃烧，高温高压的燃气推动活塞向下运动；排气冲程：排气门打开、进气门关闭，活塞向上运动，把废气排出汽缸。
哪个冲程把内能转化为机械能？哪个冲程把机械能转化为内能？
做功冲程把内能转化为机械能，是四个冲程中唯一对外做功的冲程；压缩冲程把机械能转化为内能，活塞压缩气体做功，使气体的内能增加、温度升高。吸气冲程和排气冲程没有这两种能量转化，它们和压缩冲程一样，都靠飞轮的惯性完成。
怎样根据图判断内燃机处于哪个冲程？
先看气门：进气门打开是吸气冲程，排气门打开是排气冲程。两个气门都关闭时再看活塞的运动方向：活塞向上运动是压缩冲程，活塞向下运动是做功冲程。图中火花塞产生电火花或喷油嘴喷油的，也是做功冲程。
飞轮转速与做功次数怎样换算？
单缸四冲程内燃机一个工作循环完成 4 个冲程，飞轮转 2 圈，对外做功 1 次。例如飞轮转速是 2400 r/min，即 40 r/s，每秒完成 80 个冲程、20 个工作循环，对外做功 20 次。计算时先把 r/min 换算成 r/s。
汽油机和柴油机有什么区别？
汽油机汽缸顶部有火花塞，吸气冲程吸入汽油和空气的混合物，靠电火花点火，叫点燃式；柴油机汽缸顶部有喷油嘴，吸气冲程只吸入空气，压缩冲程末空气温度超过柴油的燃点，喷入的雾状柴油自行燃烧，叫压燃式。柴油机压缩程度更大，效率更高，但比较笨重。
什么是热机效率？怎样提高热机效率？
用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比叫热机效率，η = W有 / Q放。燃料不完全燃烧、废气带走能量、汽缸散热和机械摩擦都会损失能量，其中废气带走的能量最多，所以热机效率总小于 100%。提高效率的途径有：使燃料充分燃烧，尽量减少各种热量损失，机件间保持良好的润滑以减小摩擦。
适用课程
人教版初中物理九年级全一册第十四章《内能的利用》第 1 节“热机”（热机、汽油机的四个冲程、柴油机）、第 2 节“热机的效率”（燃料的热值、热机的效率），其他版本教材中的相关内容。常见题型有“根据气门和活塞判断冲程”“判断各冲程中的能量转化”“根据飞轮转速求每秒做功次数和冲程数”“比较汽油机和柴油机”“利用 Q放 = mq 和 η = W有 / Q放 计算热机效率”等。