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第2节　热机的效率
【自主预习探新知】
【新知初探】
一、燃料的热值
1．热值
(1)定义：某种燃料____________放出的热量与其____之比。
(2)数值：热值在数值上等于1
kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
2．热值的单位：________，读作：焦每千克。
二、热机的效率
1．用来做______________的那部分能量，与燃料____________放出的能量之比，叫作热机的效率。
2．意义：热机的________是热机性能的重要指标，热机效率高，在做功同样多的情况下，就消耗________的燃料，从而节约能源，减少________。
3．提高燃料利用率的重要措施：在热机的能量损失中，________带走的能量最多，设法利用________的能量，是提高燃料利用率的重要措施。
【预习自测】
1．汽油的热值为4.6×107
J/kg，现有汽油2
kg，用掉一半后剩余汽油的热值是________J/kg。
2．为节约能源，需提高热机的效率，下列措施不能提高热机效率的是
(　　)
A．尽量使燃料充分燃烧
B．尽量减少热机部件间的摩擦
C．尽量减少废气带走的热量
D．尽量增加热机的工作时间
【合作探究破疑难】
【要点突破】
知识点1　燃料的热值
比较课本第23页的“一些燃料的热值”，回答下列问题：
1．从热值表中可以看出，燃料根据其存在的状态可分为________燃料、________燃料、________燃料三类。
2．比较不同种类燃料的热值，它们的大小一般________，说明燃料的热值大小与燃料的________有关。
3．热值相同的，一定是同种燃料吗？
4．由热值表可以看出，完全燃烧2
kg汽油放出的热量为________，完全燃烧2
m3的沼气放出的热量约为________。由此可以推导出质量为m或体积为V的某种燃料完全燃烧放出的热量Q放＝_______＝________。
【归纳总结】
(1)热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧、放热的多少均没有关系。
(2)热值定义中的两个关键词——某种燃料、完全燃烧：
①“某种燃料”说明热值与燃料的种类有关。确定的燃料才有确定的热值，不同的燃料，热值一般不同；
②“完全燃烧”的含义是烧完、烧尽。
【典例1】
关于燃料的热值，下列说法正确的是
(　　)
A．燃料的热值与燃料的燃烧情况有关
B．容易燃烧的燃料的热值一定大
C．煤的热值比干木柴的大，煤燃烧放出的热量比干木柴燃烧放出的热量多
D．0.5
kg煤油和1.5
kg煤油的热值一样大
【针对训练】
在标准大气压下，把体积为2
L、温度为20
℃的水烧至沸腾，水至少需要吸收_____________J
的热量。若不计热量损失，需要完全燃烧________kg干木柴。(q干木柴＝1.2×107
J/kg)
知识点2　
热机的效率
图14－2－1是某科学小组调查某种内燃机中燃料释放的能量去向作出的图示，根据图示回答下列问题：
图14－2－1
1．从图示分析内燃机中燃料能量损失的主要路径有哪些？
2．热机的效率能达到100%吗？为什么？
3．从能量图示中，分析一下如何改进提高机械效率？
【归纳总结】
热机效率的计算公式η＝，其中
Q有用表示热机用来做有用功的能量，Q总表示燃料完全燃烧放出的热量，Q总＝mq。
(2)一般蒸汽机的效率是6%～15%，汽油机的效率为20%～30%，柴油机的效率为30%～45%，柴油机效率高的原因主要是柴油机的构造和汽油机有所不同，柴油机在压缩冲程中的压缩程度比汽油机的大。
【典例2】
下列有关热机的说法不正确的是
(　　)
A．通过不断改进技术，热机效率可以达到1
B．热机工作的过程是将燃料燃烧获得的内能转化成机械能的过程
C．热机的大量使用会造成环境污染
D．在四冲程内燃机中减少废气带走的大量热量可以大大提高热机效率
想一想：热机功率大，效率就高吗？为什么？
【针对训练】
2．莲莲家的汽车尾部上标有“2.0T”的字样，其中“T”就是“涡轮增压”，是利用高温、高压的废气去冲击“废气涡轮”高速旋转，来带动同轴的“进气涡轮”也高速旋转，从而增加吸气冲程的进气量，并增大进气气压，使汽油燃烧更充分，燃气压强更大，同时也减少了废气中的有害物质，达到提高发动机效率和减少废气污染的目的。这辆汽车的最低油耗可达0.2
kg/(kW·h)，已知汽油的热值为4.6×107
J/kg。[温馨提示：最低油耗是指燃烧最少的汽油获得最大的有用功；0.2
kg/(kW·h)表示获得1
kW·h能量消耗0.2
kg汽油]。
求：(1)0.2
kg的汽油完全燃烧时放出的热量为多少？
(2)该汽车发动机的效率最高可达多少？(结果保留整数)
【达标检测】
(10分钟)
1．如图14－2－2所示，几支蜡烛正在燃烧，下列关于蜡烛的说法正确的是
(　　)
图14－2－2
A．质量变小，热值变小
B．质量不变，热值不变
C．质量不变，热值变小
D．质量变小，热值不变
2．图14－2－3所示为内燃机的能量流向图，热机效率等于
(　　)
图14－2－3
A.
B.
C.
D.
一太阳能热水器装有100
kg的水，经过一段时间后，水温从20
℃上升到80
℃，则水吸收的热量是________J[c水＝4.2×103
J/kg·℃]。若这些热量由热值q＝3.0×107
J/kg的焦炭完全燃烧来提供，需要焦炭________kg(不计热量损失)。
4．一台柴油机完全燃烧一定质量的柴油放出的热量为1.0×109
J，其中损失的热量为6.0×108
J，则柴油机获得有用的机械能为________J，柴油机的效率为________。
5．一个简易的太阳能热水器，它的主要部分是一个敞口水箱，水箱内水深0.5
m，水的质量为200
kg。在阳光照射下，水的温度从20
℃上升到35
℃。水的比热容是4.2×103
J/(kg·℃)，水的密度是1.0×103
kg/m3，煤的热值是3.0×107
J/kg，g取10
N/kg。试求：
(1)水吸收的热量是多少？
(2)这些热量相当于完全燃烧多少千克煤所放出的热量？
第2节　热机的效率
【自主预习·探新知】
[新知初探]
一、1.完全燃烧　质量
2．J/kg
二、1.有用功　完全燃烧
2．效率　更少　污染
3．废气　废气
[预习自测]
1．4.6×107
2．D
【合作探究·破疑难】
[要点突破]
知识点1
1．固体　液体　气体
2．不同　种类
3．不一定，例如焦炭的热值与酒精的热值、煤油的热值与汽油的热值，这些燃料的热值虽然相同，但不是同种燃料。
4．9.2×107
J　3.8×107
J　mq　Vq
[典例1]D　解析：热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等均无关，A、B选项说法错误，D选项说法正确；燃料燃烧放出的热量与是否完全燃烧、燃料的热值和质量都有关系，因此热值大的燃料不一定放出的热量多，C选项说法错误。
[针对训练]
1．6.72×105　0.056
解析：已知水的体积和密度求出水的质量，知道标准大气压下水沸腾时的温度为100
℃，利用公式
Q吸＝cm(t－t0)可以得到水吸收的热量；由不计热量损失可知Q放＝Q吸，然后利用放出热量的变形公式m＝求出需要的干木柴的质量。
知识点2
1．(1)燃料未能完全燃烧；(2)废气带走很大一部分能量；(3)一部分能量消耗在散热上；(4)克服摩擦消耗一部分能量。
2．不能，由于热机在工作的过程中，总有能量损失，所以热机的效率总小于100%。
3．(1)使燃料充分燃烧；(2)尽量减少各种热量损失；(2)在热机的设计和制造上，采用先进技术；(4)使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整零件之间的间隙，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。
[典例2]A　解析：热机工作过程中，不能避免热量损失，所以效率不可能达到1，A选项说法错误；热机工作的过程是将燃料燃烧获得的内能转化成机械能的过程，B选项说法正确；热机的使用，使人类对化石能源的依赖很强，现在大气污染主要来源于使用化石能源，C选项说法正确；设法利用废气的能量是提高热机效率的重要措施，D选项说法正确。
[想一想]
热机功率大，效率未必高。热机功率与效率在理论上没有关系。热机功率表示热机的做功快慢的能力，效率是热机是否优良的标忘。但是在实际中，热机效率高的机器比标识功率相同但效率低的机器功率高。
[针对训练]
2．解：(1)0.2
kg的汽油完全燃烧时放出的热量
Q放＝mq＝0.2
kg×4.6×107
J/
kg＝9.2×106
J；
(2)根据题意可知，完全燃烧0.2
kg汽油获得的有用功为
W＝1
kW·h＝3.6×106
J，
汽车发动机的效率η＝＝＝39%。
解析：(1)根据公式Q＝mq求出汽油完全燃烧时放出的热量；(2)根据题意可得消耗0.2
kg汽油获得的有用功，根据热机效率的计算公式η＝求出发动机的效率。
[达标检测]
1．D　解析：蜡烛在燃烧过程中，质量会变小，但是“1
kg蜡烛完全燃烧放出的热量”不会发生变化，也就是热值不变。
2．C　解析：内燃机的热机效率是指用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量的比值，从能量流向图可得出热机效率的表达式就是C。
3．2.52×107　0.84　
解析：水吸收的热量Q吸＝cmΔt＝4.2×103
J/(kg·℃)×100
kg×(80
℃－20
℃)＝2.52×107
J；由题知，Q吸＝Q放＝m′q，需要完全燃烧焦炭的质量m′＝＝＝0.84
kg。
4．4.0×108　40%　解析：柴油机有效利用的能量为W有用＝1.0×109
J－6.0×108
J＝4.0×108
J；
该柴油机的效率为η＝＝＝40%。
5．解：(1)水吸收的热量Q吸＝cm(t－t0)＝4.2×103
J/(kg·℃)×200
kg×(35
℃－20
℃)＝1.26×107
J；
(2)由题意可知，煤完全燃烧释放的热量
Q放＝Q吸＝1.26×107
J；
由公式Q放＝mq变形可得，需要煤的质量
m′＝＝＝0.42
kg。
解析：(1)知道水的质量和温度的变化以及比热容，根据公式Q吸＝cm(t－t0)求出水吸收的热量；(2)由题意可知煤完全燃烧释放的热量，根据Q放＝mq求出需要煤的质量。
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