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2.2 热机效率
第三章 改变世界的热机
初中物理教科版（2024）九年级上册
发现可以利用内能做功并制造出热机，是了不起的历史大事。热机促使了工业化社会的出现。科学家、工程师们不断对热机进行改进，他们的目的是什么？
导入新课
汽车内燃机的能量流向
讨论交流：热机里的能量变化
在内燃机里，燃料释放的能量都到哪里去了呢？如图表明了某汽车内燃机的能量流向，也表明了有用功在汽车运行中的分配。对照此图，请和同学讨论，描述能量的变化情况。
教学过程
热机一般是通过燃料的燃烧来做功的。燃料燃烧放出的能量，并不能全部用来做有用功。对热机中的能量转化进行研究，可以改进热机性能、有效利用资源，减少排放污染。
1.定义：
2.公式：
3.物理意义：
把热机所做有用功与所用燃料完全燃烧释放的热量之比叫作热机的效率
描述热机的性能
热机效率是热机性能的重要指标。右图是一些热机的效率，从中我们可以知道这些热机的能量转化情况。
一、热机效率
1. 一些热机的效率
热机类型 效率范围
蒸汽机 6%~15%
蒸汽轮机 25%~30%
燃气轮机 50%~60%
汽油机 20%~30%
柴油机 30%~40%
喷气式发动机 50%~60%
①尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量
热电站：大型发电机常由蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，排出的废气可以用来供热。
发电
供暖
②热机设计制造,提高技术和使用新材料。
③保证良好润滑,减少摩擦额外消耗的功。
④使燃料充分燃烧。
二、提高热机效率的方法
1 下列说法正确的是（　　）
A．液体分子间只存在斥力
B．物体吸收热量，温度不一定升高
C．物体的机械能越大，具有的内能越大
D．热机做的有用功越多，热机的效率越高
解：A.液体分子间存在引力和斥力，故A错误；
B.物体吸收热量，温度不一定升高，如晶体熔化吸热温度不变，故B正确；
C.一切物体在任何情况下总具有内能，但不一定总是具有机械能。物体的机械能越大，具有的内能不一定越大，故C错误；
D.用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率，故D错误；故选：B。
B
课堂反馈
2 热机的广泛使用已成为一个国家工业化程度的标志，热机从根本上改变着我们的世界。下列关于热机相关说法中正确的是（　　）
A．热机是把内能转化为机械能的装置
B．使用热值大的燃料可提高热机效率
C．采取有效措施可以使热机效率达100%
D．热机完成一个工作循环对外做功两次
解：A．热机是把内能转化为机械能的机械，故A正确；
B．热机效率是指有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量的比值，比值越大，效率越高，与热值等其他因素无关，故B错误；
C．无论技术如何革新，都不能把气体的内能全部转化为机械能，热机效率都不会达到百分之百，故C错误；
D．四冲程内燃机的一个工作循环包括四个冲程，一个工作循环对外做一次功，故D错误。故选：A。
A
3 关于热机的效率，下列说法正确的是（　　）
A．在做功同样多的情况下，热机的效率越高消耗的燃料越多
B．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高
C．热机的效率越高说明做功越快
D．热机损失的能量中，只有废气带走的能量
解：A．热机的效率越高，做有用功与燃料完全燃烧放出的热量的比值越大，即在做功相同的情况下，消耗的燃料较少，或消耗相同的燃料，做功较多，故A错误。
B．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高，多用在重型机器上，故B正确；
C．热机的效率是有用功与燃料完全燃烧放出的热量的比值，热机的效率越高说明有用功与总功的比值越大；功率表示做功的快慢，功率越高说明做功越快，效率和功率是两个不同的物理量，二者之间没有必然联系，故C错误；
D．热机损失的能量中，除了废气带走的能量，冷却水和摩擦、散热也会损失能量，故D错误。故选：B。
B
例题1：火力发电站通过燃烧煤炭进行发电，一火力发电站每天燃烧煤炭2.4t，产生的热量为_________J（煤炭热值为3×107J/kg），产生的电能约有6.72×106J，则可计算该火电站热机效率为_______%。
解：①2.4t的煤炭完全燃烧放出的热量：
Q=mq=2.4×1000kg×3×107J/kg=7.2×1010J；
②该火电站热机效率
0.009
7.2×1010
典例精讲
随堂练习
1.关于热机的效率，下列说法中正确的是（　　）
A.热机做的有用功越多，效率就一定高
B.热机的功率大，效率就一定高
C.热机消耗的燃料越多，效率就一定高
D.以上说法都不正确
D
1、从18世纪60年代开始，蒸汽机在纺织、采矿、冶炼和交通运输等方面得到了广泛应用，完成了人类的第一次工业革命。
18世纪中后期，蒸汽机的应用，实现了纺织工业机械化
18世纪末，蒸汽机广泛应用在采矿业上
三、改变世界的热机 飞向太空
大部分农业机械是靠柴油机工作的
用蒸汽轮机发电的火力发电厂
最简单的轮机
2、为了获得更强大的动力、更高的效率，人们以极大的热情去探索，设计出种类繁多、构造各异的现代热机。
3、在航空航天中，使用的是更加高效的喷气式发动机（jet engine）。
热机使登天揽月、日行万里的梦想成为现实，世界因此而改变。
以热机为基础的各种交通工具正在将地球变成“地球村”
4、人类很早就梦想着飞向太空。14世纪末，我国有一位官吏叫万户，精心制作了一个以47支火箭作动力的装置，进行了“飞天”尝试，成为人类飞行史上的先驱者。
中国古代的火箭
原理：竹筒内装上火药，点燃火药，火药燃烧后产生的气体体积膨胀，从竹筒的尾端向后高速喷出，推动箭筒向前飞行。这和现代火箭发动机的原理是一样的。
我国制造的“长征”系列运载火箭
5、我国不仅是火箭的发源地，还是一个航天大国，我国的长征系列运载火箭，有着极佳的性能。
2003年10月15日，“神舟五号”载人飞船用“长征二号F”运载火箭发射成功，将宇航员杨利伟送上太空，实现了中国人的飞天之梦。
　　常用的火箭是多级火箭。如右图所示是一枚二级火箭的运行过程。
火箭的第一级燃料用完以后就自动脱落，以减少质量 ；
随后第二级点火发动，
燃料用完后也将自动脱落，再点燃
第三级，飞船进入预定轨道。
2012年6月18日，“神舟九号”飞船与“天宫一号”交会对接成功，将三位航天员送入“天宫一号”实验舱。
2021年6月至2023年5月，“长征二号F”运载火箭托举“神舟”飞船，先后将5批航天员送上中国空间站。
中国已跨入“太空文明”新时代
每年的4月24 日为中国航天日。1970 年4月24日，中国第一颗人造地球卫星 “东方红一号” 成功发射，这是中国航天事业发展的重要里程碑。为纪念这一历史性事件，将每年4月24日设立为 “中国航天日”。
总结：热机的发展经历了早期探索、蒸汽机革命、内燃机创新与现代动力革新四个阶段，其核心是通过内能转化为机械能的效率提升与应用场景扩展，推动人类社会生产方式的变革.
1热机的出现改变了世界，最早的热机是（　　）
A．汽油机
B．蒸汽机
C．火箭发动机
D．喷气发动机
解：热机的出现改变了世界，最早的热机是蒸汽机。
故选：B。
B
课堂反馈
类型一　热机效率
典例1 (2025巴中中学月考)我国的某款轿车在某段平直公路上进行测试,汽车以18 m/s的速度匀速行驶了5 min,消耗燃油0.3 kg,汽车发动机的牵引力是1 000 N。燃油的热值为4.5×107 J/kg。求:(1)消耗的燃油完全燃烧产生的热量Q放;
(2)发动机所做的功W;
(3)发动机的能量转化效率η。
解析:(1)消耗的燃油完全燃烧产生的热量Q放=mq=0.3 kg×4.5×107 J/kg=1.35×107 J;
解析:(2)汽车的速度v=18 m/s,行驶时间t=5 min=300 s,
汽车行驶的距离s=vt=18 m/s×300 s=5 400 m, 汽车发动机的牵引力F=1 000 N,
发动机牵引力做的功W=Fs=1 000 N×5 400 m=5.4×106 J;
四、有关燃料利用率的计算
探究释疑
求解热机效率的思路
变式1 (2024泸州合江县期中)小汽车在行驶的速度不同时,耗油量不同。若某汽车以90 km/h的速度匀速行驶时最省油,此时该汽车的汽油机效率为30%。若汽车以最省油的速度在平直的公路上匀速行驶了5 km,受到的阻力为1 350 N,求在此过程中:(汽油的热值q汽油=4.5×107 J/kg)
(1)该汽车行驶的时间为多少秒
(2)该汽车牵引力做的功; (3)该汽车消耗汽油的质量。
解析:(2)若汽车以最省油的速度在平直的公路上匀速行驶了5 km,处于平衡状态,受到的阻力为1 350 N,则所受牵引力F=f=1 350 N,
该汽车牵引力做的功
W=Fs=1 350 N×5×1 000 m=6.75×106 J;
类型二　热效率(炉子的效率)
典例2 (2025成都外国语学校月考)小红观察到家里的迷你磁炉外包装上印有“体积小方便携带、高火力效率高”等字样,她内心产生了疑问:
“该款磁炉的效率到底有多高 ”于是她准备实际测试一下炉子的效率,她量取2 kg的水倒入锅中,测得初温为20 ℃,当水温加热到100 ℃时停止加热,测得燃烧了32 g的丁烷气体,水的比热容是4.2×103 J/(kg·
℃),这种丁烷气体的热值是3.5×107 J/kg。试求:
(1)32 g丁烷气体完全燃烧放出的热量是多少
(2)水吸收的热量是多少
(3)炉子烧水的效率是多少
解析:(1)32 g丁烷气体完全燃烧放出的热量Q放=m丁烷q丁烷=32×10-3 kg×
3.5×107 J/kg=1.12×106 J;
(2)水吸收的热量Q吸=c水m水(t水-t0水)=4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×
(100 ℃-20 ℃)=6.72×105 J;
答案:(1)1.12×106 J　(2)6.72×105 J　(3)60%
探究释疑
求解热效率(如天然气灶、炉子的效率)的思路
求解“热效率”的思维模板:“待求量”→“已知量”
变式2 (2024常州)中国工程师利用焦炉气中的氢气与工业尾气中的二氧化碳合成液态燃料,作为第19届亚洲运动会主火炬的燃料。工程师在科普馆用如图所示的装置为同学们演示模拟实验,测量该燃料的热值。
①在空酒精灯内加入适量该液态燃料,得到“燃料灯”;
②在空烧杯内加入1 kg水,测得水的初温为31 ℃,点燃“燃料灯”
开始加热;
③当水恰好沸腾时,立即熄灭“燃料灯”,测得“燃料灯”消耗燃料30 g。
已知实验时气压为1标准大气压,c水=4.2×103 J/(kg·℃),用该装
置加热水的效率为42%。求:
(1)此过程中,烧杯内的水吸收的热量。
(2)该液态燃料的热值。
解析:(1)烧杯内水吸收的热量Q吸=cm(t-t0)
=4.2×103 J/(kg·℃)×1 kg×(100 ℃-31 ℃)=2.898×105 J;
热机
热机效率
改变世界的热机
定义：有用功与燃料完全燃烧放热之比
意义：衡量热机性能关键指标
飞向太空
原理：燃料燃烧喷气，内能转机械能（与现代火箭发动机同源）
应用：我国长征火箭，助力航天事业
蒸汽机时代：推动第一次工业革命，实现机械化
现代热机：种类多样，应用广泛（汽车、发电、航天等）
能量流向分析（以汽车内燃机为例）
损耗：废气、冷却水、摩擦辐射等
有用功分配：克服各类阻力等
计算公式：
课堂小结
下 课
Thanks!
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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