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第十四章 内能的利用
九上物理 RJ
第3节 热机的效率
3. 了解热机中能量走向及热散失的途径，知道什么是热机效率，能提出提高热机效率的方法。
1. 从生活中体会不同燃料燃烧释放热的本领不同，建立热值的概念。
2. 能计算燃料完全燃烧放出的热量。
学习目标
课堂导入
热机工作时需要消耗煤、汽油、柴油等燃料，对外做功的目的是将燃料中的化学能转化为机械能。热机中燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗
新知探究
知识点1 燃料的热值
人类在原始社会时就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭。在现代社会，人类所用能量的很大一部分依然是从燃料的燃烧中获得的。
天然气
石油
木炭
干木柴
酒精
氢气
新知探究
知识点1 燃料的热值
燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能。
喷气式飞机发动机用航空煤油作为燃料
火箭发动机用液氢作为燃料
火箭大多用液氢作为燃料，你知道这样做的好处吗？
燃料的种类很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、酒精等，气体燃料有煤气、天然气等。根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同 要找出事实来支持你的观点，并进行分析。
想想议议
新知探究
知识点1 燃料的热值
用木柴烧水
用煤烧水
用天然气烧水
知识点1 燃料的热值
新知探究
在生活中，我们会发现，同样是将一壶水烧开，需要干木柴、煤和天然气的质量不一样多（干木柴最多，天然气最少）。
相同质量的干木柴、煤和天然气燃烧，天然气放出的热量比煤和干木柴多。
燃料燃烧，放出热量的多少与燃料的种类有关。
燃烧1 kg煤放出的热量，是燃烧1 kg干木柴放出热量的两倍多。
煤
知识点1 燃料的热值
新知探究
干木柴
把不同的燃料质量都取1 kg，让它们完全燃烧，比较它们放出热量的多少
1.定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之
比，叫作这种燃料的热值。
3.单位：焦每千克（J/kg）
2.表达式：
Q放
m
q =
知识点1 燃料的热值
新知探究
指燃料燃烧后，全部变成不可燃烧物的过程
气体燃料的热值单位：焦每立方米（J/m3）
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2×107 J/kg 柴油 4.3×107 J/kg
烟煤 约2.9×107 J/kg 煤油 4.6×107 J/kg
无烟煤 约3.4×107 J/kg 汽油 4.6×107 J/kg
焦炭 3.0×107 J/kg 氢气 1.4×108 J/kg
木炭 3.4×107 J/kg 焦炉煤气 约1.7×107 J/m3
酒精 3.0×107 J/kg 沼气 约1.9×107 J/m3
知识点1 燃料的热值
新知探究
1 kg的干木柴完全燃烧，放出热量是1.2×107 J
热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
1 m3的沼气完全燃烧，放出热量是1.9×107 J
一些燃料的热值
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2×107 J/kg 柴油 4.3×107 J/kg
烟煤 约2.9×107 J/kg 煤油 4.6×107 J/kg
无烟煤 约3.4×107 J/kg 汽油 4.6×107 J/kg
焦炭 3.0×107 J/kg 氢气 1.4×108 J/kg
木炭 3.4×107 J/kg 焦炉煤气 约1.7×107 J/m3
酒精 3.0×107 J/kg 沼气 约1.9×107 J/m3
知识点1 燃料的热值
新知探究
火箭发射使用氢燃料，是因为它热值大。
一些燃料的热值
自带燃料和
氧化剂的火箭
热值是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、形态、体积、是否完全燃烧、放出热量的多少无关。
知识点1 燃料的热值
新知探究
4.燃料完全燃烧放出的热量：
Q放=qm
或 Q放=qV（适用于气体燃料）
物理量 Q放 q m V
单位 J J/kg或J/m3 kg m3
例1.某同学家自来水的温度为15 ℃，他洗澡时把燃气热水器的温度设定为40 ℃，通过查看水表得知自己洗澡用了0.02 m3的水。查看燃气表发现他这次洗澡消耗了0.06 m3天然气。（天然气的热值取q=4.0×107 J/m3）
求：（1）这次洗澡所用水吸收的热量。
（2）天然气完全燃烧放出的热量。
解析：
（1）水的质量：m=ρV水=1.0×103 kg/m3×0.02 m3=20 kg
水吸收的热量：Q吸=cm（t－t0）
=4.2×103 J/（kg ℃）×20 kg×（40 ℃－15 ℃）
=2.1×106 J
（2）天然气释放的能量：Q放=qV=4.0×107 J/m3×0.06 m3=2.4×106 J
典型例题
有效利用的能量比放出的热量要小
燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要小。
思考：烧水时，水能否吸收燃气燃烧放出的全部热量？
知识点2 热机的效率
新知探究
高温烟气
加热水
加热空气
未完全燃烧
加热水管
加热灶头
燃气热水器烧水时的能量走向
说明：水吸收的热量只占燃气完全燃烧放出热量的一部分，
只有水吸收的热量才是被有效利用的。
1.热效率：有效利用的热量与理想情况下放出的热量之比。
知识点2 热机的效率
新知探究
η=
Q有用
Q总
例1中燃气热水器烧水的效率为：
Q有用
Q总
η=
2.1×106 J
2.4×106 J
=
= 87.5%
小型锅炉的效率70%~85%
×100%
×100%
×100%
燃料的化学能
有用机械能
2.热机的效率：用来做有用功的这部分能量，与燃料完全
燃烧放出的能量之比。
知识点2 热机的效率
新知探究
η=
W有用
Q总
废气排出带走能量
自身消耗能量
热机能量流向示意图
×100%
蒸汽机的效率为6%~15%
汽油机的效率为20%~40%
柴油机的效率为30%~45%
喷气式发动机的效率为50%~60%
知识点2 热机的效率
新知探究
热机的效率是热机性能的重要指标。在做功同样多的情况下，效率高的热机消耗的燃料少，从而节约能源、减少污染。
知识点2 热机的效率
新知探究
3.提高热机的效率
（1）在设计和制造热机时，要不断改进和创新，以减少各种能量损失；
（2）使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整各零件之间的间隙，减小因克服
摩擦阻力而额外消耗的能量；
知识点2 热机的效率
新知探究
3.提高热机的效率
热电站
（3）尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量。
蒸汽轮机
推动发电机供电
用废气来供热
热电站既供电又供热，比起一般的
火电站，燃料的利用率大大提高。
例2.如图所示的是我国自行设计研制的AG600“鲲龙”水陆两栖飞机。飞机使用四台相同的发动机，每台发动机的输出功率可达4120 kW，效率可达60%。在这种情况下，飞机飞行1 h需要完全燃烧燃油多少吨 （已知燃油的热值为4.3×107 J/kg。）
典型例题
解析：
由题意知，飞机飞行1 h所做的功为：
W=P总t=4×4120×103 W×3600 s=5.9328×1010 J
则需要完全燃烧燃油放出的热量为：
W有
η
Q放=
5.9328×1010J60%
=
=9.888×1010 J
所以，需要燃油质量为：
Q放
q
m=
9.888×1010 J
4.3×107 J/kg
=
=2.3t
热机的
效率
热机的效率
燃料的热值
课堂小结
提高的途径
定义
单位
定义
W有用
Q总
η=
×100%
科学·技术·社会·环境
从火车到火箭
往复式蒸汽机
内燃机（汽油、柴油机）
空气喷气发动机
1782年
1883年
1892年
20世纪40年代
火箭喷气发动机
（自带燃料和氧化剂）
1.下列关于热值和热机效率说法，正确的是（ ）
A. 使燃料燃烧更充分，可以增大热值
B. 使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率
C. 柴油机的热机效率通常为100%
D. 燃料燃烧释放的热量越大，热值越大
B
随堂练习
热值是燃料的特性，与燃烧情况、放出热量的多少无关
任何机器在使用时都不可避免的存在没有有效利用的能量，效率不可能达到100%
2.如图所示是某汽车汽油机的能量流向图，对照此图，下列说法不正确的是（ ）
A.废气的排放所占比例最大，减少该部分能量损失是提高热机效率的有效手段
B.冷却水能量的二次利用可以提高
能量利用率
C.该汽油机的热机效率为67%
D.热机效率可以达到100%
随堂练习
热机效率是用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧释放的能量之比。所以该汽车的热机效率为：
η =1－33%－30%－7%=30%
C
3.某学习小组想研究酒精灯烧水时的热效率。他们用酒精灯给初温为20 ℃，质量为100 g的水加热，经过一段时间测得水温升高了60 ℃（水未沸腾），共消耗了4.2 g酒精。
［酒精的热值q=3.0×107 J/kg3，水的比热容c水=4.2×103 J/(kg ℃)]
求：（1）此过程中水吸收的热量；
（2）酒精灯烧水时的热效率。
解：（1）水吸收的热量：
Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg ℃)×100×10-3kg×60℃=2.52×104J
（2）酒精完全燃烧放出的热量为：
Q放=qm=3.0×107J/kg×4.2×10-3kg=1.26×105J
所以烧水的效率为：
Q吸
Q放
η=
=20%
2.52×104J
1.26×105J
=
随堂练习
随堂练习
4. 全球汽车保有量在迅速增长，截至2022年底，我国燃油汽车保有量约为3亿辆。假设每辆汽车每年耗油1.8t，汽车内燃机的效率平均值取30%。如果能把内燃机效率提高1%，我国每年可以节约多少燃油
解析：
每辆汽车每年可以节约燃油：Δm=m1－m2=1.8t－1.74t = 0.06t ，
所以，3亿辆汽车每年可以节约燃油：M =0.06t×3×108=1.8×107t 。
因为 ，每辆汽车所做有用功：W有=mqη 一定，
设内燃机效率提升为η2时，需燃油为m2，有 m1qη1=m2qη2
W有
Q总
η=
W有
mq
=
η1m1
η2
可得 m2=
30%×1.8t
30%+1%
=
=1.74t

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