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第2节 热机的效率
目 录
新课引入
2
新知学习
3
课堂小结
4
学习目标
1
随堂练习
5
1. 从生活中体会不同的燃料释放热量的本领不同，建立热值的概念.
2. 能简单计算燃料完全燃烧放出的热量.
3. 能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热机效率.
学习目标
新课引入
我国长征五号运载火箭(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.
火箭发动机中为什么采用氢做燃料呢？
思考
一、燃料的热值
固体燃料
液体燃料
气体燃料
新知学习
你知道常见的燃料都有那些，它们分别属于哪一类？
日常生活中，常见的燃料有煤、木柴、天然气、液化气、酒精、汽油、柴油，在农村还有农作物的秸秆，有些地区还用牛粪作为燃料.
燃料燃烧时的能量是如何转化的？
化学能转化为内能
思考
相同质量的酒精和干木柴，燃烧放出热量是否相同？
用相同质量的干木柴和酒精分别对相同质量的水进行加热，比较水升高的温度.
如何比较它们燃烧放出的热量？
思考
用电子秤称出质量相同的水200 g
用同样的方法量取5 g的酒精和干木柴
燃烧相同质量的酒精和干木柴，比较它们放出热量的多少.
实 验 1
水的初温都是28 ℃
用相同质量的干木柴和酒精，加热质量相同、初温相同的两杯水，这里面体现了什么思想呢？
控制变量法
思考
点燃酒精灯和干木材，直到干木柴燃尽，酒精完全燃烧.
点击播放视频
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比较水的末温，你能得出什么结论？
燃烧干木材加热
水末温是62 ℃
燃烧酒精加热
水末温是83 ℃
加热前的水温t0/℃ 燃料燃尽后的水温t/℃ 水温的变化
t/℃
5 g 酒精 28 83 55
5 g 干木柴 28 62 34
温度
燃料
用质量相同的酒精和干木柴分别给两杯完全相同的水加热，两杯水升高的温度不同，用酒精加热的水升高的温度多.
结合实验结论，根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧释放出的热量是相同的吗？
实验结论：
燃烧相同质量的不同材料，放出的热量是不同的.
例如：燃烧1 kg煤放出的热量，是燃烧1 kg木柴放出热量的两倍多.
思考
燃料完全燃烧的放热公式：
汽油质量
汽油完全燃烧放出的热量
1 kg
2 kg
3 kg
1 kg×4.6×107 J/kg=4.6×107 J
2 kg×4.6×107 J/kg=9.2×107 J
3 kg×4.6×107 J/kg=1.38×108 J
质量为m的某种燃料完全燃烧放出的热量是多少焦？
Q=mq
m表示质量，单位是kg.q表示热值，单位是J/kg.Q表示燃料燃烧放出的热量，单位是J.
思考
同理，如果某燃料的热值单位是J/m3，则体积为V的这种燃料完全燃烧放出的热量是多少焦？
Q=Vq
V表示体积，单位是m3.q表示热值，单位是J/kg.Q表示燃料燃烧放出的热量，单位是J.
怎么比较燃料燃烧放出热量的能力呢
思考
类比：
比较燃料燃烧放出热量的能力
把所有燃料都取1 kg，让它们完全燃烧，比较它们放出热量的多少
热值
比较物体所含物质的多少
所有物体都取1 m3，比较它们质量的多少
比较燃料燃烧放出热量的能力
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. 物理意义：
热值在数值上等于1 kg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：
固体或液体：
5. 国际单位：
气体：
焦每立方米；符号：J/m3
焦每千克，符号：J/kg
q =
m
Q
q =
V
Q
观察燃料的热值表，你有哪些发现
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；
物理意义是：表示1 kg的干木柴完全燃烧所放出的热量约为1.2×107 J
说一说下列物质的物理意义
物理意义是：表示1 m3的焦炉煤气完全燃烧所放出的热量约为1.7×107 J
(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：
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
根据热值表，计算一下10 吨氢完全燃烧放出多少焦耳的热量？
若用汽油完全燃烧来获得这些热量，需要多少吨汽油？
氢的热值是1.4×108 J/kg
汽油的热值4.6×107 J/kg
10吨氢完全燃烧放出 Q = qm =1.4×108 J/kg× 10×103 kg =1.4×1012 J
需要汽油
30 吨汽油完全燃烧放出的热量约等于10 吨氢完全燃烧放出的热量.
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.
根据前面的计算结果可知，选择氢作为火箭的燃料满足体积小、质量轻、热值大的条件.
释 疑
例 关于q＝ 的理解，下列说法中正确的是( )
A. 热值与燃料完全燃烧放出的热量成正比
B. 若燃料燃烧不充分时，热值将减小
C. 当燃料未燃烧时，其热值为零
D. 某种燃料的热值大小与是否充分燃烧无关
Q
____
m
×
热值是质量为1 kg的燃料完全燃烧时所释放出的热量，热值是燃料本身的特性，其大小只与燃料的种类有关，与热量、是否燃烧、是否充分燃烧无关.
×
×
√
D
用煤气灶烧水时，煤气能完全燃烧吗？煤气燃烧放出的热量全部能被水吸收吗？
思考
(1)煤气不能完全燃烧，会损失一部分能量.
(2)装水容器、煤气灶本身都会吸收一部分能量.
高温的烟气带走一部分能量.
一部分能量直接散失掉了.
煤气燃烧放出的热量不能全部被水吸收
由此可知：水吸收的热量只占煤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.
热效率
1. 概念:
吸收的能量占燃料完全燃烧放出能量的比值.
2. 公式:
1. 让燃料更加充分地燃烧，如增加供氧量.
2. 增大烧水时水和炉子的接触面积，从而减少热量的散失.
3. 炉壁选用隔热材料，减少热量的散失.
如何提高燃料的利用率
思考
例 用天然气将1 kg的水烧开(从25 ℃加热到100 ℃)，共使用0.0236 m3的天然气.(q天然气=4.0×107 J/m3)
(1)这些天然气完全燃烧放出热量是多少J？
(2)水吸收的热量是多少J？
(3)用于加热水的热量占天然气燃烧时释放热量的多少？
= 9.44×105 J
解：(1)天然气完全燃烧放出热量Q放=qV
(100 25 )
(2)水吸收的热量Q吸=cm(t-t0)
Q＝qV
Q＝cmΔt
(3)用于加热水的热量占天然气燃烧时释放热量的百分比为：
Q放
Q吸
=
≈ 33.4%
η=
例 用天然气将1 kg的水烧开(从25 ℃加热到100 ℃)，共使用0.0236 m3的天然气.(q天然气=4.0×107 J/m3)
(3)用于加热水的热量占天然气燃烧时释放热量的多少？
以燃油汽车为例：
废气带走的能量最多
少部分能量转变为有用机械能
大部分能量损耗
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
2. 定义式：
3. 物理意义：
热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，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.
用来做有用功的那部分能量，与燃烧完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率.
1. 定义：
二、热机的效率
蒸汽机的效率只有6%~15%
汽油机的效率为20%~30%
柴油机的效率为30%~45%
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；
3. 保证良好的润滑，减少因摩擦额外消耗的能量；
4. 设法利用废气中的能量.
思考
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？
科学·技术·社会
从火车到火箭
生产的发展需要强大的动力.17世纪，人类发明了热机.最早的热机是蒸汽机.
交通运输的发展迫切需要比较轻便的热机.于是，内燃机应运而生.内燃机有柴油机、汽油机两大类.
电力工业的发展需要功率巨大的热机来带动大型发电机.1884年出现的蒸汽轮机满足了这个需求.
早期的飞机是由内燃机提供动力的.从上世纪40年代开始，飞机上越来越多地使用喷气式发动机.
......
更多内容详见教材P25~P26
例 关于热机效率，下列说法正确的是( )
A. 热机消耗的燃料越多，效率就越低
B. 减少热机的工作时间，可以提高热机的效率
C. 利用内能做的有用功多，热机效率不一定高
D. 增加机械传动的摩擦可以提高热机效率
提高热机效率的主要途径：
(1)使燃料充分燃烧；(2)利用废气的能量；(3)保证良好润滑，减少摩擦；(4)改进热机，减少各种能量的损失.
减少热机的工作时间，并不能减少热量的损失，所以不能提高热机的效率
当燃烧相同的燃料，有用功多的效率高，未说明燃料是否相同，热机效率不一定高
增加机械传动的摩擦，增加了热量的损失，降低了热机效率
×
×
√
C
消耗的燃料越多，总能量越大，但有用的能量未知，故效率不一定越低
×
热机的
效率
燃料的利用率
燃料的热值
定义：
物理意义：
计算公式：
单位：
某种燃料__________________与其__________之比.
1 kg(1 m )某种燃料完全燃烧放出的热量.
固液——______，气体——______
固液——________ ，气体——__________
定义：
提高燃料利用率的途径
公式：_______________
_________的能量与燃料__________释放的总能量的比值.
①让燃料尽可能______燃烧.如将煤炭研磨成粉状，吹入炉内燃烧.
②减少热量的______.如加大受热面积.
完全燃烧放出的热量
质量(体积)
J/kg
J/m
充分
课堂小结
有效利用
完全燃烧
散失
热机的
效率
热机的效率
定义：
提高热机
效率的途径
公式：______________
用来做________的那部分能量，与燃料_________
___________之比.
①使燃料_____燃烧.
②尽量_____各种热量损失.
③保证良好的润滑，减少因_________而额外消耗的能量.
④采用先进技术，改变机械结构.
有用功
完全燃烧
放出的能量
充分
减少
克服摩擦
课堂小结
1. 关于燃料的热值，下列说法正确的是( )
随堂练习
A. 容易燃烧的燃料，热值一定大
B. 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
C. 燃料的热值与燃料是否完全燃烧无关
D. 为了提高锅炉的效率，一定要用热值高的燃料
C
热值与燃料是否完全燃烧、是否容易燃烧无关
燃料燃烧放出的热量，除与热值有关外，还与燃料的质量有关
×
√
×
提高锅炉的效率应减小热量的损失，并且让燃料燃烧更完全，增大燃料的热值不会提高锅炉的效率
×
2. 小亮使用干木柴烧水.若完全燃烧420 g干木柴放出的热量能使质量为10 kg、初温为15 ℃的水升高到75 ℃，则干木柴完全燃烧放出的热量为________J.此次使用干木柴烧水的效率为______.干木柴放出的热量若由天然气来提供，需要________m3的天然气. [已知c水=4.2×103 J/(kg·℃)，q干木柴=1.2×107 J/kg，q天然气=4.0×107 J/m3]
420 g干木柴完全燃烧放出的热量
Q放干木柴=m干木柴q干木柴=0.42 kg×1.2×107 J/kg=5.04×106 J
5.04×106
2. 小亮使用干木柴烧水.若完全燃烧420 g干木柴放出的热量能使质量为10 kg、初温为15 ℃的水升高到75 ℃，则干木柴完全燃烧放出的热量为________J.此次使用干木柴烧水的效率为______.干木柴放出的热量若由天然气来提供，需要________m3的天然气. [已知c水=4.2×103 J/(kg·℃)，q干木柴=1.2×107 J/kg，q天然气=4.0×107 J/m3]
5.04×106
此次使用干木柴烧水的效率
η=
Q吸
Q放干木柴
_______
×100%=
2.52×106 J
———————
5.04×106 J
×100%=
50%
50%
此过程中水吸收的热量Q吸=c水m水 t水=4.2×103 J/(kg·℃)×10 kg
×(75 ℃-15 ℃)=2.52×106 J
2. 小亮使用干木柴烧水.若完全燃烧420 g干木柴放出的热量能使质量为10 kg、初温为15 ℃的水升高到75 ℃，则干木柴完全燃烧放出的热量为________J.此次使用干木柴烧水的效率为______.干木柴放出的热量若由天然气来提供，需要________m3的天然气. [已知c水=4.2×103 J/(kg·℃)，q干木柴=1.2×107 J/kg，q天然气=4.0×107 J/m3]
5.04×106
50%
干木柴放出的热量若由天然气来提供，则
Q放天然气=Q放干木柴=5.04×106 J
由Q=Vq得，需要天然气的体积
0.126
解：(1)由题意可知消耗航空燃油的质量为1.35 t
航空燃油完全燃烧放出的热量
Q放=mq=1.35×103 kg×4×107 J/kg=5.4×1010 J
3. 如图所示是我国自行设计研制的AG600全状态新构型灭火飞机.若该飞机以270 km/h的速度匀速直线航行了90 km，消耗航空燃油1.35 t，飞机发动机的输出功率为2.25×107 W(航空燃油的热值为4×107 J/kg).求：
(1)航空燃油完全燃烧放出的热量；
Q=mq(固体或液体)
3. 如图所示是我国自行设计研制的AG600全状态新构型灭火飞机.若该飞机以270 km/h的速度匀速直线航行了90 km，消耗航空燃油1.35 t，飞机发动机的输出功率为2.25×107 W(航空燃油的热值为4×107 J/kg).求：
(2)发动机的效率.
代入数据求解
发动机的有用功W有用=____
发动机的效率η=
___________
Pt
3. 如图所示是我国自行设计研制的AG600全状态新构型灭火飞机.若该飞机以270 km/h的速度匀速直线航行了90 km，消耗航空燃油1.35 t，飞机发动机的输出功率为2.25×107 W(航空燃油的热值为4×107 J/kg).求：
(2)发动机的效率.
(2)由题意可知飞机航行的速度为270 km/h，路程为90 km，由 得飞机航行的时间为
飞机发动机的输出功率为2.25×107 W，此过程发动机的有用功为W有用=Pt=2.25×107 W×1 200 s=2.7×1010 J
飞机发动机的效率为
4. 太阳能热水器是吸收太阳辐射能将水加热的装置，某热水器接收太阳能的光照面积为2.5 m2，其每平方米接收太阳能的辐射功率为700 W，某天阳光照射该热水器4 h，使热水器内装满水(储水箱额定容量为80 L)的温度升高了30 ℃，求：[c水=4.2×103 J/(kg·℃)，ρ水=1.0×103 kg/m3]
(1)热水器内装满水时水的质量；
m=ρV
解：(1)热水器内装满水时水的体积为V=80 L=8×10-2 m3
由 得，热水器内装满水时水的质量为
m=ρ水V=1.0×103 kg/m3×8×10-2 m3=80 kg
4. 太阳能热水器是吸收太阳辐射能将水加热的装置，某热水器接收太阳能的光照面积为2.5 m2，其每平方米接收太阳能的辐射功率为700 W，某天阳光照射该热水器4 h，使热水器内装满水(储水箱额定容量为80 L)的温度升高了30 ℃，求：[c水=4.2×103 J/(kg·℃)，ρ水=1.0×103 kg/m3]
(2)水吸收的热量；
Q＝cmΔt
Δt＝30 ℃
(2)水的温度变化量为30℃，则水吸收的热量
Q吸＝c水mΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×80 kg×30 ℃=1.008×107 J
4. 太阳能热水器是吸收太阳辐射能将水加热的装置，某热水器接收太阳能的光照面积为2.5 m2，其每平方米接收太阳能的辐射功率为700 W，某天阳光照射该热水器4 h，使热水器内装满水(储水箱额定容量为80 L)的温度升高了30 ℃，求：[c水=4.2×103 J/(kg·℃)，ρ水=1.0×103 kg/m3]
(3)太阳能热水器效率.
W=Pt
(3)P=2.5 m2×700 W/m2 ；
热水器接收太阳能Q总=W=Pt=2.5 m2×700 W/m2×4×3 600 s=2.52×107 J
热水器的效率

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