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第4节 热机效率和环境保护
九全 物理
日常生活中常用到的燃料有哪些？
天然气
煤炭
木柴
酒精
石油
汽油
煤油
液化气
柴油
新课引入
为什么火箭发动机要用氢做燃料呢？
自带燃料和氧化剂的火箭
长征五号运载火箭（简称“胖五”）是捆绑四个助推器的两级半构型火箭，其芯级直径为5米，采用液氢液氧发动机
1.结合实际生活，体会不同的燃料释放热量的本领不同，建立热值的概念
2.会查燃料的热值表，能根据燃料的热值计算一定质量的燃料完全燃烧所释放的热量
3.能说出热机工作时燃料释放的能量的主要流向。对热机效率有初步认识，能大致说出提高热机效率的途径
4.知道燃料燃烧对环境的危害，思考如何保护环境
学习目标
重点
燃料燃烧时的能量是如何转化的？
能量转化：化学能转化为内能。
一、燃料的热值
燃料的分类
固体燃料
液体燃料
气体燃料
新知学习
1.1kg的干木柴完全燃烧和未完全燃烧时放出的热量是否相同？
1.1kg的干木柴和10kg的干木柴在完全燃烧时，放出的热量是否相同？
2.1kg干木柴和1kg煤完全燃烧，哪一种燃料能烧开更多的水？
大量生活经验告诉我们，燃料燃烧时放出热量的多少与燃料的质量、燃料的种类和燃烧的充分程度有关。
思考
我们把由燃料种类决定的放出热量的能力叫做燃料的热值热值。
？
我们该如何具体计算呢
不同
如图所示，在20℃的室温下，为学生提供100 kg的开水，若选用干木柴、烟煤或液化石油气作燃料，所需的燃料的质量相同吗?
1.定义：
某种燃料完全燃烧放出的热量与所用该燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值
3.物理意义：
热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量
2. 燃烧时的能量转化:
化学能转化为内能
热值
指燃料燃烧后,全部变成不可燃烧物的过程
4.计算公式：
Q:燃料完全燃烧释放的热量
m:燃料的质量
q:燃料的热值
固体或液体
5.国际单位：
气体
Q:燃料完全燃烧释放的热量
m:燃料的体积
q:燃料的热值
焦每立方米；符号：J/m3
焦每千克，符号是J/kg
q =
m
Q
q =
V
Q
热值的作用
燃料热值的高低是衡量燃料优劣的重要标准
注意：不是任何物质都具有热值，热值是燃料的固有特性，如石块、钢铁等非燃料物质都没有热值
温馨提示
观察燃料的热值表，你有哪些发现？
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}燃料
热值q/(J·kg-1)
燃料
热值q/(J·kg-1)
燃料
热值q/(J·m-3)
干木柴
1.2×107
酒精
3.0×107
液化石油气
4.9× 107
烟煤
2.9×107
柴油
4.3× 107
氢气
1.4×107
无烟煤
3.4×107
汽油、煤油
4.6×107
甲烷
5.6×107
焦炭
3.0×107
原油
4.4 ×107
乙烷
5.2×107
木炭
3.4×107
热值的大小只与燃料种类有关；
氢的热值最大。
不同燃料的热值一般不同；
（1）认识热值定义时，不要漏掉“完全”这一条件
（2）热值反映了燃料在燃烧过程中，化学能转化为内能本领的大小
（3）热值是燃料本身的一种特性，它与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧等没有关系
6.热值的理解要点：
现在，你知道为什么发射火箭要用氢做燃料了吗？
发射卫星的火箭燃料要体积小、重量轻，但放出的热量要大，这样才能减轻火箭的重量，使卫星快速地被送上轨道。
由于液态氢的热值较大，根据Q=mq
可知，需要相同的热量时，所带的燃料
质量较小,从而减小了火箭的发射质量和
火箭的体积，便于火箭的发射。
释疑
超级火箭发动机
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}燃料
热值q/(J·kg-1)
燃料
热值q/(J·kg-1)
燃料
热值q/(J·kg-1)
干木柴
1.2×107
酒精
3.0×107
液化石油气
4.9× 107
烟煤
2.9×107
柴油
4.3× 107
氢气
1.4×107
无烟煤
3.4×107
汽油、煤油
4.6×107
甲烷
5.6×107
焦炭
3.0×107
原油
4.4 ×107
乙烷
5.2×107
木炭
3.4×107
物理意义是：表示1kg的干木柴完全燃烧所放出的热量约为1.2×107J
物理意义是：表示1m3的液化石油气完全燃烧所放出的热量约为4.9×107J
物理意义是：表示1kg的烟煤完全燃烧所放出的热量约为2.9×107J
说一说干木柴、烟煤、液化石油气热值的物理意义
请估算在如图所示的情况下，所需的干木柴、烟煤和液化石油气的质量。
q干木柴=1.2×107 J·kg-1、q烟煤=2.9×107 J·kg-1、q液化石油气=4.9×107 J·m-3
解：将100kg开水在室温下烧开所吸收的热量
Q=cmΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×100 kg×(100 ℃
-20 ℃)=3.36×107 J
m液化石油气=ρ液化石油气V液化石油气=2.35 kg·m-3×0.69 m3≈1.62 kg
7.注意区别热值和比热容
热值
比热容
定义
某种燃料完全燃烧放出的热量与质量之比
某种物质温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比
单位
J/kg（J/m3）
J/（kg·℃）
对象
燃料
所有物质
对于燃料的热值，下列说法中，属于正确理解的是 (　　 )
A.燃料的热值跟燃料燃烧时放出的热量成正比
B.容易燃烧的燃料热值一定大
C.煤的热值大于干木柴的热值，煤燃烧放出的热量一定比木柴燃烧放出的热量多
D.燃料的热值与燃料是否完全燃烧无关
D
针对训练
2. 计算4kg的柴油完全燃烧释放的热量。
解:Q=mq=4 kg×4.3×107 J/kg=1.72×108 J。
答:4 kg的柴油完全燃烧释放的热量为1.72×108 J。
已知:q=4.3×107 J/kg，m=4 kg。
求:Q。
燃料燃烧时实际释放的能量是否等于按照理论热值计算出来的热量？
？
1.燃料实际上很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的数值要小；
2.有效利用的热量又比放出的热量要少
710.9946m3 ? 710.971m3 = 0.0236m3
710.971m3
710.9946m3
这些天然气能放出多少热量？它们都被水吸收了吗？
体验：利用家用燃气灶，把质量是1kg的水，从室温加热至100℃，消耗多少天然气？
问题：用天然气将1kg的水烧开（从25℃加热到100℃?），这些天然气完全燃烧放出热量是多少？水吸收的热量是多少？
（????天然气=4.0×107J/m3）
?
= 9.44×105?J
=????.????×?????????????????/????????×????.????????????????????????
?
????吸=????m(t?t0)
?
=????.????×?????????????????/(?????????℃)×????????????×(100℃?25℃)
?
=????.????????×?????????????????
?
????放=????V
?
解：天然气完全燃烧放出热量
水吸收的热量
部分热量散失在空气中的热量；
部分用来加热容器
烧水时，水为什么不能吸收天然气燃烧放出的全部热量？
思考
那么在用天然气加热水时，用于加热水的热量占天然气燃烧时释放热量的多少呢？
Q放
Q吸
????.????????×?????????????????
?
????.????????×?????????????????
?
=
≈ 33.4%
×????????????%
?
×????????????%
?
热机中燃料能量的主要走向示意图
废气带走的能量最多
二、热机效率
在内燃机中燃料是否能够完全燃烧？燃料燃烧释放的能量都到哪里去了？
思考
少部分能量转变为有用机械能
大部分能量损耗
定义式：
物理意义：
热机效率能反映能量的利用程度，是热机性能的重要指标。
热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，从而节约能源，减少污染。
热机运转中，对外做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率。
定义：
蒸汽机的效率只有5%左右
汽油机的效率为 20%~30%
柴油机的效率为30%~40%
汽轮机和喷气发动机的效率在50%左右
不能, 热机中可用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的能量的一部分，因为各种热量损失以及燃烧条件的限制，这部分能量远远小于燃料完全燃烧所放出的总能量，所以与总能量的比值必然小于1，即热机效率总小于100%。
想一想 热机的效率能达到100%吗？为什么？
如何提高热机效率，节约能源，减少污染？
1.提高燃料利用率，使燃料充分燃烧
2.改进热机，减少各种能量损失，提高效率
3.保证良好的润滑，减少因摩擦额外消耗的能量
针对训练
1.[新趋势][开放性试题]热机的效率是衡量汽车发动机性能的关键指标.2020年9月，我国潍柴集团发布全球首款热机的效率突破50%的商业化柴油机，这一成果的意义犹如人类历史上首次百米赛跑突破10 s．立志成为汽车设计师的小明，也想设计改造发动机，使热机的效率达80%.考虑影响热机效率的因素，你认为小明可以在哪些方面改进创新？________________________________________
___________________________________________________________________.假如小明的设想实现了，会给我们的生活带来哪些影响？__________________
_________．(写出一条即可)
改良发动机的结构(或减小连杆转轴处的摩擦；或使用合适的燃料，使燃料充分燃烧；或尽量减少各种热损失)(答案合理即可)
节能(环保)(答案合理即可)
2.使用清洁能源天然气有助于国家提出的2060年前实现碳中和的目标．
小明利用家中的天然气灶将初温为20 ℃、质量为1.8 kg的水加热升温至70 ℃。
求：(1)水吸收的热量为多少？
解：(1) 由Q＝cmΔt 得
水吸收的热量 Q吸＝c水m水Δt
＝4.2×103 J/(kg·℃)×1.8 kg×(70 ℃－20 ℃)
＝3.78×105 J
(2)若这些热量是由热效率为20%的普通煤炉提供，则至少需要消耗多少kg的煤炭．[已知c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，q煤炭＝3.0×107 J/kg]
煤炉放出的质量 Q放= = =1.89×106 J
Q放＝m煤炭q煤炭
则需要消耗煤炭的质量m煤炭＝ = =0.063kg
Q放
Q吸
×????????????%
?
(2)由(1)得水吸收的热量为3.78×105 J，若这些热量是由热效率为20%的普通煤炉提供，由η= 得：
η
Q吸
20%
3.78×105 J
q煤炭
Q放
3.0×107 J/kg
1.89×106 J
由于煤、石油等燃料往往含有杂质，在燃烧时会产生二氧化硫等有害气体；
在燃烧不充分时，还会产生烟尘和一氧化碳。这些烟尘、废气是大气污染的主要来源。
热机为人类的发展做出了重大贡献，但也带来了许多环境污染问题。
三、环境保护
煤、石油等燃料燃烧时：
酸雨的危害
森林受到酸雨破坏
酸雨对建筑物的破坏
雾霾的成因
工业排放
汽车尾气
燃煤供暖
清洁能源的广泛应用
达坂城风力发电装置
光伏发电站
电动汽车
如何在保持工业发展、交通发达的同时，又能减少废气与粉尘的污染，提高空气质量，保护我们生存的家园，这已引起众多科学工作者和世界各国政府的关注。
交流与反思
同学们，你们有什么好的想法吗？
保护环境,减少污染的措施
(1)改进燃烧设备,加装消除烟尘的装置
(2)提高燃料的综合利用率,如采取集中供暖
(3)充分开发利用污染少或无污染的能源，如风能和太阳能等。
(4)在内燃机排气管上安装消声器,以减少噪声污染.
(5)大力植树种草.
热机效率
与环境保护
热机的效率
燃料的热值
定义：
物理意义：
计算公式：
单位：
某种燃料完全燃烧放出的热量与所用该燃料的质量(体积)之比
1kg(1m?)某种燃料完全燃烧放出的热量
固液——J/kg，气体——J/m?
固液—— ，气体——
q =
m
Q
q =
V
Q
定义：
提高热机
效率的途径
公式：
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
①使燃料充分燃烧
②尽量减少各种热量损失
③注意保养，保证良好的润滑，减少因摩擦额外消耗的能量
课堂小结
环境保护
1.全球汽车保有量在迅速增长，截至2022年，全球汽车保有量已突破14亿辆.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%，全球每年可以节约多少燃油？
解：每辆汽车做有用功所需燃油 1.8 t×30%=0.54 t
内燃机的效率提高后为 30%+1%=31%
效率提高后所需燃油量
每辆车每年节约燃油1.8t-1.74t =0.06t
14亿辆车每年节约燃油 1.4×109×0.06t=8.4×107 t
答：全球每年可以节约8.4×107 t燃油
随堂练习
2.垃圾分类看似小事，实则是“大事”，它体现了一座城市的社会文明水平．我国生活垃圾分类工作已取得阶段性进展，46个重点城市生活垃圾分类已覆盖7 700多万家庭．为了有效处理这些垃圾，某垃圾焚烧发电厂日处理垃圾420 t，垃圾的平均热值q垃＝5×106 J/kg.求：(1)420 t垃圾完全燃烧产生的热量．
解：(1)完全燃烧420 t垃圾产生的热量为
Q垃圾放＝mq垃＝420×103 kg×5×106 J/kg＝2.1×1012 J
(2)这些热量相当于多少t煤完全燃烧所产生的热量？(q煤＝3.0×107 J/kg)
(2)由题知Q煤放＝Q垃圾放＝2.1×1012 J则燃烧的煤的质量为m煤＝ ＝ ＝7×104 kg＝70 t
q
Q煤放
3.0×107 J/kg
2.1×1012 J
(3)若420 t垃圾完全燃烧产生热量的80%被水吸收，则能使20 000 t初温为20 ℃的水温度升高到多少℃？ [大气压为一个标准大气压，水的比热容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)]
(3)水吸收的热量为Q水吸＝80%Q垃圾放＝80%×2.1×1012 J＝1.68×1012 J由Q水吸＝cmΔt得，这些热量可以使水升高的温度
Δt＝ ＝ ＝20 ℃
水的温度升高到t末温＝t初温＋Δt＝20 ℃＋20 ℃＝40 ℃
c水m水
Q水吸
4.2×103 J/(kg·℃)×2×107 kg
1.68×1012 J
3. 小明将质量为1.5 kg、初温为90 ℃的牛奶放入室温下盛有温度为20 ℃、质量为1 kg水的容器中冷却，并用温度计测量水和牛奶的温度变化，某时刻发现水和牛奶的温度恰好相等. [c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，c奶＝2.8×103 J/(kg·℃)].求：(1)若该时间段内牛奶放出的热量完全被水吸收，则水吸收热量后温度升高到多少 ℃？
解：(1)牛奶放出的热量全部被水吸收，且牛奶和水的末温相同，设牛奶和水的末温为t
则水吸收的热量Q水吸＝c水m水Δt水＝4.2×103 J/(kg·℃)×1 kg×(t－20 ℃)牛奶放出的热量Q奶放＝c奶m奶Δt奶＝2.8×103 J/(kg·℃)×1.5 kg×(90 ℃－t)由Q水吸＝Q奶放可得
4.2×103 J/(kg·℃)×1 kg×(t－20 ℃)＝2.8×103 J/(kg·℃)×1.5 kg×(90 ℃－t)解得t＝55 ℃，即水吸收热量后温度升高到55 ℃
牛奶放出的热量=水吸收的热量 Q放＝Q吸
(2)实际测量发现，水和牛奶恰好相等的温度为50 ℃，则水吸收热量的效率是多少？
(2)水实际吸收的热量
Q吸′＝c水m水Δt水′＝4.2×103 J/(kg·℃)×1 kg×(50 ℃－20 ℃)＝1.26×105 J牛奶实际放出的热量
Q放′＝c奶m奶Δt奶′＝2.8×103 J/(kg·℃)×1.5 kg×(90 ℃－50 ℃)＝1.68×105 J水吸收热量的效率
η＝ ×100%＝ ×100%＝75%
Q放′
Q吸′
1.68×105 J
1.26×105 J

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