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第四节　跨学科：热效率和环境保护
第十二章 内能与热机
无论是烧菜做饭，还是奔驰的汽车与火车，乃至直入苍穹的火箭等都离不开燃料。即从原始人类学会用火的那天起，至今，人们使用的能量绝大部分还是通过燃料燃烧获得的。
那么燃料燃烧释放的能量究竟有多少用来做了有用功？
以及燃料的燃烧对环境会造成那些影响呢？
新课导入
常见的燃料：
固体燃料
液体燃料
气体燃料
煤、木材、桔梗等
汽油、酒精等
煤气、天然气等
燃料燃烧的过程是化学能转变为内能的过程。
一、燃料
新知探究
根据生活实验发现：1kg的煤燃烧释放出的热量比1kg木柴燃烧放出的热量多。
新知探究
质量相同的不同燃料在完全燃烧时所放出的热量是不同的。
不同燃料燃烧时放热本领是不同的。
为比较质量相同的不同燃料完全燃烧放出的热量是否相同
热值
新知探究
二、燃料的热值
定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比叫做这种燃料的热值，用字母q表示。
单位：J/Kg
或 J/m3（气体）
物理意义：表示“单位质量(体积)的某种燃料完全燃烧放出能量(热量)的多少”。
因此，质量为m的燃料完全燃烧释放的热量
Q=mq
燃料完全燃烧放出的热量
燃料的质量
燃料的热值
新知探究
二、燃料的热值
定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比叫做这种燃料的热值，用字母q表示。
新知探究
注意：
（1）热值定义中：注意“必须完全燃烧”；
（2）热值是燃料的重要特性，反映燃料燃烧时化学能转化为内能的本领的大小。只与燃料的种类有关，与质量和是否完全燃烧无关。
常见燃料的热值
物质 热值q/(J·kg-1)
干木柴 1.2×107
烟煤 2.9×107
无烟煤 3.4×107
焦炭 3.0×107
木炭 3.4×107
物质 热值q/(J·kg-1)
酒精 3.0×107
柴油 4.3×107
汽油 4.6×107
煤油 4.6×107
原油 4.4×107
物质 热值q/(J·kg-1)
氢气 1.4×108
天然气 3.3×107~4.5×
107
液化石 油气 4.9×107
煤气 1.8×107
说说“烟煤” 、“液化石油气”的热值表示的意义？
干木柴的热值为1.2×107J/Kg，表示1千克的干木材完全燃烧放出的热量为1.2×107J。
新知探究
热值是燃料的一种特性，其大小只与燃料的种类有关，与燃料的质量（体积）、是否燃烧、是否完全燃烧无关。
1kg干木柴完全燃烧 放出的热量为1.2×107J
干木柴热值是1.2×107J/kg，物理意义是：
1kg柴油完全燃烧 放出的热量为4.3×107J
柴油热值是4.3×107J/kg，物理意义是：
新知探究
例题*：计算4kg的柴油完全燃烧释放的热量。
已知：q=4.3×107J/kg，m=4kg。
求：Q。
解：Q=mq
= 4kg×4.3×107J/kg
= 1.72×108J。
答：4kg的柴油完全燃烧释放的热量为1.72×108J。
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例题*：在1个标准大气压下，将5kg、40℃的水烧开，需要完全燃烧多少千克的干木柴？（已知干木柴的燃烧值为1.2×107J/kg，并且燃料完全燃烧放出的热量全部被水吸收）
分析：利用吸热公式Q吸=cm(t-t0)可以算出将水烧开要吸收多少热量，（解题时应注意在1个标准大气压下，水的沸点是100℃，即水烧开时的温度为100℃），再利用Q吸=Q放和燃料的燃烧值求干木柴的质量。
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解：Q吸=cm(t2－t1)
= 4.2×103J/(kg·℃)×5kg×(100℃－40℃)
= 1.26×106J。
因为Q吸=Q放=1.26×106J，
所以干木柴的质量
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热机工作时，能不能将燃料所蕴藏的化学能全部用来对外做有用功呢？
热机燃料的能量走向示意图
部分燃料未
完全燃烧
克服摩擦
消耗能量
废气排出
带走能量
机械传热
损失能量
转化为对外做
有用功的能量
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三、热机效率
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。
公式：
用来描述热机的性能，是热机性能的重要指标。由于热机在工作过程中总有能量损失，热机的效率总小于1。
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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%~40%
喷气式飞机的效率为 50%~60%
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热机的效率能达到100%吗 为什么
　　不能达到100%，因为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燃料条件的限制，这部分能量远远小于总能量，所以其与燃料完全燃烧所放出的总能量的比值必然小于1，即热机效率小于100%。
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(1)使燃料尽可能充分燃烧;
(2)掌握好火花塞点火或喷油嘴喷油的最佳时间，以减少燃烧过程中的热量损失;
(3)简化机械传动部分,选用优良的润滑材料减小机械摩擦，以减少能量损失。
提高热机效率的途径:
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四、环境保护
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：
1.大气污染
热机工作时排放的大量氮氧化物、碳氧化物、铅等是大气污染的主要来源，直接危害人体健康，影响农作物的生长。
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酸雨对森林的破坏
酸雨对雕像的破坏
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2.噪声污染
大量由热机作动力的机器工作时产生的噪声，影响人类的正常生活，甚至危害人体健康。
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3.热污染
热机排出的二氧化碳，引起“温室效应”，热机产生的废气和冷却水带走的热量，成为“热岛效应”的元凶之一。
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保护环境的措施：
①研究和开发低能耗、污染小的高性能热机；
②改进燃烧设备，消除烟尘；
③提高燃料的综合利用率，采取集中供暖；
④在内燃机排气管上安装消声器，以减少噪声污染；
⑤节约能源和开发新能源，实现可持续发展。
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课堂小结
二、燃料的热值
我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比叫做这种燃料的热值
热机运转中，对外做的有用功的能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率。
三、热机效率
环境污染
四、环境保护
环境保护
课堂小结
一、燃料
1.完全燃烧相同质量的甲、乙两种燃料时，若甲放出的热量多，则甲的热值比乙的热值_______。
2.在煤炭市场中，少数不法商贩将矸石粉碎后掺在优质煤中销售，客户为了不上当，最恰当的方法是检测下列物理量中的（ ）
A.热值 B.比热容 C.温度 D.质量
大
A
课堂训练
课堂训练
3.下列与火箭燃料有关的说法中，正确的是（ ）
A.火箭燃料燃烧越充分，其热值越大
B.燃料燃烧释放的热量越多，热机效率越高
C.燃料用了一部分后，质量变小，热值变小
D.火箭发射升空时发动机内能量转化与汽油机的做功冲程类似
D
课堂训练
4.为了缓解能源紧缺问题，提高热机的效率变得越来越重要。下列有关热机效率的说法中，正确的是（ ）
A.尽量减少热机内部各部件的摩擦可提高热机效率
B.使用的燃料热值越高，热机的效率越高
C.目前有些新型燃料汽车实现了“零排放”，它们的热机效率可达100%
D.柴油机的效率一般低于汽油机的效率
A
5.现代火箭用液态氢作燃料，是因为它具有（ ）
A.较大的比热容 B.较低的沸点
C.较大的热值 D.较高的凝固点
6.干木柴的热值是1.2×107J/kg，它的物理意义是_ ________
___________________________________。完全燃烧4kg的干木柴，能放出_____________热量。
C
完全燃烧时放出的热量是1.2×107J
1kg的干木柴
4.8×107J
课堂训练
7.热机在能的转化过程中不可避免地要损失一部分能量，并且会对环境造成一定程度的污染。请指出热机工作过程中存在的各种形式的能量损失，同时指出可能造成哪些环境污染。
解：能量损失的形式：
(1)燃料不能完全燃烧会浪费一部分能量；
(2)高温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。
热机造成的污染主要包括两个方面：(1)大气污染；(2)噪声污染。
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8.全球汽车保有量在迅速增长，截至2011年，全球处于使用状态的汽车数量已突破10亿辆。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：效率提高前后每辆汽车需要消耗的有用能量相等，所以30%Q总前=（30%+1%）Q总后，则30%·m前q=31％·m后q，
10亿辆汽车节省的汽油质量为109×（1.8-1.742）t=5.8×107t。
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