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第十四章 内能的利用
第3节 热机的效率
1.从能量转化的角度认识燃料的热值，知道燃料热值的物理意义及其单位。
2.能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，知道什么是热机的效率，知道如何提高热机效率 。
神州二十号发射
思考：火箭发动机中为什么采用氢做燃料呢？
人类在原始社会时就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭。
在现代社会，人类所用能量的很大一部分依然是从燃料的燃烧中获得的。（烧水做饭、现代科技的汽车、飞机、火箭等）
想一想，你见过的燃料有哪些？
根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同？
固体燃料 液体燃料 气体燃料
木柴
煤
汽油
柴油
酒精
煤气
天然气
沼气
　　现代生活中，我们常用煤气烧水煮饭，而不再使用木柴；汽车选择汽油、柴油作为燃料，火箭选择液氢作为主要燃料。
　　在不同领域使用不同的燃料，这是为什么呢？和燃料自身某种性质有关吗？
相同质量（或相同体积）的不同燃料，通过燃烧释放的热量不同。
提出问题
提出猜想
①分别称取 5 g 的酒精（装入酒精灯中）和木柴。
②取两个相同的烧杯，分别倒入 200 g 的水。
③组装实验器材。
④在相同的环境中，记录两杯水的初温。
⑤点燃酒精和木柴给水加热。
⑥待酒精或木柴燃尽时，记录水的末温。
比较相同质量的酒精和木柴燃烧时放出的热量
设计实验
水的初温都是 28℃
点燃酒精灯和干木材，直到酒精或木柴燃尽
燃烧干木材加热
水末温是 62℃
燃烧酒精加热
水末温是 83℃
燃料 初温 t0/℃ 末温 t/℃ 水温的变化 Δt/℃
5 g 酒精 28 83 55
5 g 木柴 28 62 34
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。
记录数据
实验结论
比值定义法——放出的热量与质量之比。
为了比较燃料的特性,引入了“热值”这一物理量。
燃烧相同质量的不同材料，放出的热量是不同的。
q=
知识点一：燃料的热值
3．单位：
焦每千克，J/kg。
1．热值的定义：把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。
J
J/kg
2．公式：
kg
完全燃烧：燃料全部变成不可燃烧物，实际中很难达到。
一些燃料的热值
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2×107J/kg 柴油 4.3×107J/kg
烟煤 约2.9×107J/kg 煤油 4.6×107J/kg
无烟煤 约3.4×107J/kg 汽油 4.6×107J/kg
焦炭 3.0×107J/kg 氢气 1.4×108J/kg
木炭 3.4×107J/kg 焦炉煤气 约1.7×107J/m3
酒精 3.0×107J/kg 沼气 约1.9×107J/m3
1 kg的干木柴完全燃烧，放出热量是1.2×107 J
热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
1 m3的沼气完全燃烧，放出热量是1.9×107 J
对于气体燃料：q=
热值是燃料本身的一种性质，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧无关。
　　燃烧 1 kg 汽油，测得放出的热量为 4.6×107 J；燃烧 100 g 液氢，测得放出的热量为 1.4×107 J，则______燃烧时的放热能力更强。
液氢
4.6×107 J
1.4×107 J
1 kg
0.1 kg
<
现在，你知道为什么发射火箭要用氢做燃料了吗？
①氢的热值：1.4×108J/kg，目前最高；
②氢质量小，有效载荷大；
③氢气燃烧后的产物是无污染的水。
生活情境
利用家用煤气灶，把质量是1kg的水，从室温加热至100℃，消耗多少煤气？
710.9946m3 710.971m3 = 0.0236m3
710.971m3
710.9946m3
这些煤气能放出多少热量？它们都被水吸收了吗？
用煤气将1kg的水烧开（从25℃加热到100℃），这些煤气完全燃烧放出热量是多少J？水吸收的热量是多少J？
（煤气的热值是3.9×107J/m3）
Q放 = qV煤气
= 9.204×105 J
= 3.9×107 J/m3×0.0236m3
Q吸= cm水Δt
= 3.15×105 J
= 4.2×103 J/(kg · ℃)×1 kg×(100℃-25 ℃）
烧水时,水为什么不能吸收煤气燃烧放出的全部热量？
Q放
Q吸
=
3.15×105 J
9.204×105 J
34.2%
=
Q放 = 9.204×105 J
Q吸 = 3.15×105 J
· 没有完全燃烧损失的能量
· 被烧杯吸收的热量
· 散失到空气中的热量
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。
思考：如何提高燃料的利用率
机械效率 烧水的热效率
有用功
额外功
总功
水吸收的热量
燃料没有完全燃烧损失的能量、被容器等吸收的热量、散失到空气中的热量
燃料完全燃烧放出的热量
（　　 　　或　　 　　）
效率的计算
克服机械摩擦所消耗的能量
机械传热损失的能量
燃料不能完全燃烧
汽车排出的废气有汽油味，说明燃料不能完全燃烧。
在汽车行驶过程中，内燃机中的燃料能够完全燃烧吗？
燃料燃烧释放的能量到哪里去了？
燃烧的化学能
废气带走的能量
做有用功的能量
知识点二：热机效率
　　用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫作热机的效率。
机械效率 烧水的效率 热机的效率
　 有用功 水吸收的热量 有用功
总功 燃料完全燃烧放出的热量 燃料完全燃烧放出的热量
常见的热机效率
蒸汽机的效率只有
6%～15%
汽油机的效率只有20%～40%
柴油机的效率只有30%～45%
所有热机效率都小于1
①使燃料充分燃烧。
②尽量减少各种热量损失。
③在热机的设计和制造上提高技术水平和使用新材料。
④保证良好的润滑，减少因摩擦额外消耗的能量。
如何提高热机的效率？
在热机的能量损失中，废气带走的能量最多。设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。大型发电机常常由蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。
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。
1.燃料的热值
2.烧水的效率：
3.热机的效率：
（完全燃烧放出的热量与质量之比）
单位：焦每千克（J/kg）
对某些气体燃料：
，焦每立方米（J/m3）
1.关于燃料的热值，下列说法正确的是（ ）
A. 热值在数值上等于1kg某种燃料燃烧放出的热量
B. 10kg木炭比1kg木炭的热值大
C. 热值大的燃料比热值小的燃料燃烧时放出的热量多
D. 燃料燃烧时放出热量的多少与是否完全燃烧有关
D
2.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．燃料没燃烧时就没有热值
C．就某种确定的燃料而言，它的热值是一个确定的值， 跟燃 料的质量及燃料燃烧放出的热量无关
D．容易燃烧的燃料热值一定大
C
3.已知干木柴的热值是1.2×107 J/kg，完全燃烧0.7 kg干木柴能放出多少热量？假设这些热量全部被水吸收，能使多少千克水的温度由20 ℃升高到70 ℃？已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)。
解：Q = mq = 1.2×107 J/kg×0.7 kg = 8.4×106 J
m =
Q
c (t -t0)
8.4×106 J
4.2×103 J/(kg·℃)×(70 ℃-20 ℃)
=
= 40 kg
完全燃烧15kg热值是 3.4×107J/kg的木炭，能产生多少热量？想要获得这些热量，需要完全燃烧多少千克氢气？(q氢=1.4 ×108J/kg)
解：Q = qm = 3.4×107J/kg×15kg= 5.1×108J
m =
Q
q氢
5.1×108 J
1.4×108 J/kg
=
≈ 3.64 kg

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