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第十四章 内能的利用
14.2 热机的效率
教学目标
1、理解热值的概念，会用热值计算燃料完全燃烧产生的热量
2、掌握热机效率的求法
重点：热机效率的求法
难点：对热值的理解
引言：热机能量的转化过程：化学能-->内能-->机械能
热机的效率：机械能在内能中所占的比例，涉及到内能的求法—>化学能-内能—》求燃料燃烧放出的热量。
一、燃料的热值
1、定义：某种物质完全燃烧放出的热量与其质量的比值，叫做这种物质的热值。
符号：q 公式：q= 单位：J/kg
例如：10kg的木炭完全燃烧放出的热量为3.4×108J，燃料的热值为多少？
q===3.4×107 J/kg
2、物理意义：表示单位质量的某种物质完全燃烧放出的热量的多少
例如：q木炭=3.4×107 J/kg 表示1kg的木炭完全燃烧放出的热量是3.4×107 J
热值与单位质量的某种物质完全燃烧放出的热量在数值上是相等的。
3、注意：1）条件“完全燃烧”
2）热值是燃料本身的一种性质
3）不同燃料的热值一般不同，同种燃料的热值是一定的。
4）对于气体燃料，热值在数值上等于在标准状态下1m3燃料完全燃烧放出的热量，单位是J/m3
二、热机的效率
热机中燃料燃烧产生的热量都到哪里去了？（未完全燃烧）
有用的机械能只占一部分,还有相当的一部分散失了。
1、定义：用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫做热机的机械效率。
2、公式：η=×100%==×100%
3、几种热机的效率：蒸汽机：6%-15%
汽油机：20%-30%
柴油机：30%-45%（热机的效率是热机性能的重要指标）
3、热机能量的散失及提高热机效率的方法：（节约能源，减少污染）
1）未完全燃烧—>使燃料充分燃烧，如燃料磨成粒或粉，燃烧时充入氧气
2）机械损失--->减小部件间摩擦，保证良好的润滑
3）利用废气的热量
4) 改进热机，减小散热损失
【例题1】热机工作时，下列说法正确的是（　 　）
A. 热机效率高，在做功同样多的情况下，消耗更多的燃料
B. 消耗的是燃料的化学能，最终获得是机械能
C. 压缩冲程是将内能转化为机械能
D. 燃料在气缸燃烧越充分，燃料的热值越大
【例题2】关于热机的效率，下列说法正确的是（ ）
A．一般情况下柴油机的效率比汽油机的高
B．热机的效率越高，在做功同样多的情况下消耗的的能量越多
C．热机的效率越高说明做功越快
D．热机损失的能力中，废气带走的能量较少
4、热机效率的几种题型
1）热机：η=== (匀速直线运动中，F=f)
2）加热：η==
3）太阳能：
注意：上面m的是水的质量，下面的m是燃料的质量
【例题3】 “十一”假期，小欣一家驱车外出张家界旅游。当汽车以108km/h的速度在水平高速公路上匀速直线行驶时，汽车受到的阻力是整车重的0.08倍，已知汽车整车质量为1250kg，油箱容积为50L。（汽油热值q=3×107J/L，g=10N/kg)
（1）汽车发动机工作时会产生大量的热量，为了保持发动机温度不至太高一般都采用多种方式进行冷却散热．其中采用水冷却是因为水的　 　　　大．
（2）这时汽车牵引力做功的功率是多少？
（3）该车加一满箱汽油，按照以上速度最多匀速直线行驶450km，求汽车发动机的效率。
（4）如果汽车牵引力所做的功保持不变，将汽车内燃机的效率提高百分之十，则每辆汽车每天消耗汽油是多少？
【例题4】汽车已走进百姓家庭，汽车发动机性能的好坏倍受人们关注。在汽车发动机的设计过程中，既要考虑能量的有效利用，又要考虑发动机的冷却问题。[汽油的热值为4.6×107J/kg，汽油的密度0.7×103kg/m3，水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)]
⑴为了防止发动机过热，汽车的冷却系统常用水的循环来降低发动机的温度。5kg水在冷却系统中温度升高50℃，所吸收的热量是多少？
⑵10L汽油在汽车发动机的气缸内燃烧30min，可以释放多少能量（假设汽油完全燃烧）？若动机输出功率为6×104W，则此汽车发动机的效率是多少？（汽车发动机效率的计算结果精确到1%）
【例题5】冬天即将来临，学校积极创造条件为学生供应开水。在这个过程中，若用锅炉将300kg的水从20℃加热到100℃，燃烧了11.2kg的煤，则：煤的热值：3×10 7J/kg
（1）锅炉内300kg的水吸收的热量是多少？
（2）此锅炉的效率是多少？
（3）某同学从开水房打了3kg的100℃的开水，为了便于使用，他将这100℃的开水和质量为5kg的20℃的冷水混合，若不计混合过程的热损失，则混合后温水的温度为多少？
【例题6】某家庭用燃气热水器将质量为100 kg、温度为20 ℃的自来水加热到52 ℃，消耗的天然气体积为1 m3(假设天然气完全燃烧)。已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，天然气的热值为3.2×107 J/m3。求
(1)1 m3天然气完全燃烧放出的热量。
(2)该热水器工作的效率。
(3)如果该热水器以最大火力工作时，天然气消耗量为150 L/h，一瓶天然气最多能持续燃烧2 h，这样能够把质量为多少千克的水温度升高10 ℃？
【例题7】如图所示是某太阳能热水器，水容量为100L，该热水器在冬季有效日照时段里，平均每平方米的面积上每小时接收的太阳能约为2.8×106J，若该热水器接收太阳能的有效面积为1.5m2，每天日照时间按8h计算，若这些太阳能能使装满水的热水器中的水温从20℃升高到60℃[水的比热容为4.2×103J/（kg ℃），水的密度为1.0×103kg/m3]，求：
（1）热水器中水的质量；100kg
（2）一天内热水器中的水吸收的热量；1.68×107J；
（3）热水器在冬季的效率．50%
【例题8】太阳能热水器是把太阳能转化为内能的设备，某太阳能热水器每小时平均接收4.2×106J的太阳能，在6小时的有效照射时间内，将热水器中质量为100kg、初温为10℃的水温升高到30℃。求：
⑴太阳能热水器中的水吸收的热量Q；[水的比热容c＝4.2×103J/(kg·℃)]
⑵太阳能热水器的效率η；
⑶若改用煤气来继续加热太阳能热水器的水，需要把水温上升到40℃完全燃烧多少千克煤气？（煤气的热值q＝4.2×107J/kg，假设煤气燃烧放出的热量全部被水吸收）
【例题9】如图甲是小明家用的燃气热水器，乙图是连接在热水器上的一个混水阀。若将混水阀开关调到O位置左边并抬起把手，热水器自动点火，天然气燃烧，水龙头出热水；往O点右边调出冷水，按下把手则停止出水。小明在某次使用热水器时，把热水器的出水温度设定为44℃，此时测得从B管流进的自来水和流量为2 L/min，从C管流出的温度为40℃。小明检查燃气表，发现热水器工作1分钟消耗天然气0.04m3，（自来水的温度为20℃，天然气的热值是3.6×107J/m3）。请解决下列问题：
天然气完全燃烧时， 能转化为 能，用热水器加热水是用 方法改变水的内能。
（2）从A管流进混水阀的热水的流量为多少L/min （计算过程中不计热损失）
（3）该热水器的加热效率是多少？
　
【课后作业】
1.下列关于燃料热值的说法中正确的是（ ）
A.热值大的燃料燃烧时放出的热量一定多
B.热值大的燃料完全燃烧时放出的热量一定多
C.燃料完全燃烧放出热量的多少,不仅和热值的大小有关,而且和燃料的质量有关
D.以上说法都是错误的
2．下列有关热机的说法中不正确的是（ ）
A．可以采用增大热机功率的方法来增大热机的效率
B．为了防止热机过热，通常用水来降温，是利用水的比热大的特性　
C．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　
D．热机的大量使用会造成环境污染
3.某单缸四冲程汽油机的飞轮转速是1800r/min,此汽油机在每秒钟内（ ）
A.完成120个冲程,做功30次 B.完成60个冲程,做功15次
C.完成30个冲程,做功15次 D.完成60个冲程,做功30次
4.某品牌无人驾驶汽车在一段平直公路上匀速行驶6.9km，用时5min45s，消耗燃油1.5kg，已知汽车的质量为2t,匀速行驶时所受阻力为车重的0.1倍，燃油的热值为4.6×107J/kg，g=10N/Kg，假设燃油完全燃烧。通过计算可知，下列计算结果错误的是（　 　）
①汽车行驶速度是20m/s ②消耗的燃油完全燃烧放出的热量是6.9×107J
汽车牵引力做功的功率是30kW ④汽车发动机的效率是20%
A ① B. ③ C. ①和④ D. ②和④
5.(1)如图所示的四冲程汽油机工作示意图中，汽油机正在进行的是__ _____冲程．若该汽油机的效率是20％，已知汽油的热值为4.6×107J／kg，则完全燃烧100g汽油放出的热量可以转化为__ ___J的有用功。在设计制造时，汽缸外有一个“水套”，利用水吸热降低汽缸温度，这是利用了水的_ ____大的性质。
(2)武汉是汽车城，内燃机是汽车发动机的一种．如图所示是一个内燃机的能流图，请根据图中的数据计算这个内燃机的效率是_ _．图中“ ”的内容是___ ____________
6.某家庭需要将50kg、20℃的水加热到60℃作为生活用水，他们理由煤气灶烧水，需燃烧0.8kg煤气。已知煤气的热值q=4.2×107J/kg，水的比热容C=4.2×103J/（kg·℃），则50kg、20℃的水加热到60℃需要吸收
J热量；完全燃烧0.8kg煤气放出 J热量；则该煤气烧水的效率是 。
7.如图所示，A、B、C、D为四冲程汽油机工作过程中四个冲程的原理图，E和F是演示实验装置图。
（1）B图是 冲程，与它原理相同的是 （选填字母）图所示的演示实验；
（2）某单缸四冲程汽油机飞轮的转速为2400r/min，该汽油机每分钟对外做功 80 次；
（3）上述汽油机在一个工作循环中消耗了20g汽油（汽油热值为4.6×107J/kg），这些汽油完全燃烧产生的热量是 J，若这台汽油机的效率为30%，则一个工作循环中输出的机械能为 J，该汽油机的输出功率为 W；
（4）2019年武汉市汽车保有量为300万辆，每辆汽车每年平均耗汽油1.86t，若将汽车内燃机的效率由30%提高到31%，则武汉市每年可以节约汽油 t。
8、小华家使用的是天然气热水器，该热水器的铭牌标明了它的热效率，表示该热水器工作时，天然气完全燃烧所消耗的化学能，有多大比例转化为水的内能。小华尝试估测该热水器的效率，以核对铭牌上的数值是否准确。他把家里自动洗衣机的“水量”设置为40L，用热水器输出的热水注入洗衣机，当注入水的体积达到40L时洗衣机会自动停止注水。已知当时的自来水的温度是15℃，热水器输出热水的温度为40℃，注水前天然气表的示数是
2365.89m ，注水后变为2366.05m ，天然气的热值为3.2×107J/m 。请你计算：
（g=10N/Kg，水的密度为1.0×103Kg/m ，比热容为4.2×103J/（Kg.℃））
（2分）水吸收的热量；
（2分）天然气完全燃烧所消耗的化学能；
（2分）该热水器的热效率（结果保留到1%）；
（3分）若这些天然气完全燃烧所消耗的化学能的30%用来对5Kg初温为30℃的水加热，能使一标准大气压下的水温升高多少？（结果保留整数）
9.某款油电混合动力小汽车，具有省油、能量利用率高等特点，其相关信息如表．在某次水平道路测试中，该车以中速匀速行驶170km，共消耗汽油10L．测试过程中，内燃机既向车轮提供能量，又向蓄电池充电，同时蓄电池又将部分能量通过电动机向车轮输送，此时，内燃机和电动机共同驱动车辆前进。
向蓄电池充电时，将电能转化为 能。
在水平道路中速匀速行驶过程中，若平均阻力为1000N，牵引力做的功是多少？
在水平道路中速匀速行驶过程中，若该车的效率为53%，此过程最终使蓄电池电能增加了多少能量？（忽略蓄电池和电动机的热损失，ρ汽油=0.7×103kg/m3，q汽油=4.6×107J/kg）
10.小汽车的百公里油耗是衡量汽车性能的一个重要的理论指标，某品牌小汽车百公里耗油量为8L，已知汽油的热值为4.6×107J/kg，汽油的密度为0.75×103kg/m3 ． 汽车发动机的效率为30%．请计算：
（1）8L汽油完全燃烧放出的热量
（2）汽车行驶过程中受到的阻力

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