资源简介

(共32张PPT)
幻灯片 1：封面
标题：14.4 跨学科：热机效率和环境保护
副标题：探寻能源利用与生态平衡的共生之道
姓名：[你的名字]
日期：[具体日期]
幻灯片 2：课程导入
展示图片：左侧是工厂烟囱排放废气的图片，右侧是蓝天白云下的绿色城市图片。
提问引导：同学们，为什么同样是使用热机的工厂，有的会对环境造成严重污染，而有的却能与环境和谐共处？热机效率的高低和环境保护之间存在着怎样的关联呢？
引出主题：本节课我们将从跨学科的角度，探讨热机效率和环境保护的密切关系，寻找兼顾能源利用和生态保护的有效途径。
幻灯片 3：热机效率与环境的关联
核心观点：热机效率的高低直接影响着能源消耗和污染物排放，进而对环境产生重要影响。
逻辑分析：
当热机效率较低时，为了获得相同的有用功，需要消耗更多的燃料。燃料燃烧量增加，会排放出更多的一氧化碳、氮氧化物、颗粒物等污染物，加重大气污染。
同时，大量消耗化石燃料会加速不可再生能源的枯竭，破坏生态平衡，影响人类社会的可持续发展。
反之，提高热机效率可以减少燃料消耗和污染物排放，降低对环境的压力。
数据展示：展示不同效率的热机在相同功率下的燃料消耗和污染物排放对比数据图表，让学生更直观地理解两者的关联。
幻灯片 4：物理学视角下的热机效率优化
效率提升原理：从物理学能量守恒定律和热力学定律出发，解释提高热机效率的原理。减少能量损失是提高效率的关键，包括减少废气带走的热量、降低机件摩擦损耗、加强隔热减少散热等。
技术应用：
介绍内燃机采用的可变气门正时技术，通过优化气门开启和关闭的时间，提高进气效率和燃烧效率，减少能量损失。
讲解涡轮增压技术利用废气能量驱动涡轮，增加进气量，使燃料燃烧更充分，提高热机效率。
动画演示：通过动画展示涡轮增压技术的工作过程，说明其如何提高热机效率并减少污染物排放。
幻灯片 5：化学视角下的燃料燃烧与污染控制
燃料燃烧反应：从化学角度分析燃料燃烧的化学反应，以汽油（主要成分为碳氢化合物）为例，完全燃烧生成二氧化碳和水，不完全燃烧则会产生一氧化碳、碳氢化合物等污染物。
污染控制技术：
介绍催化转化器的工作原理，其内部的催化剂能促使一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物发生化学反应，转化为无害的二氧化碳、水和氮气。
讲解燃油添加剂的作用，部分添加剂可以改善燃料的燃烧性能，减少污染物的生成。
实验图片展示：展示不同燃烧条件下燃料燃烧产物的对比实验图片，直观呈现污染控制技术的效果。
幻灯片 6：生物学视角下的环境污染危害
对生态系统的影响：从生物学角度阐述热机排放的污染物对生态系统的危害。大气中的污染物会影响植物的光合作用和呼吸作用，导致植物生长受阻；酸雨会破坏土壤和水体的酸碱度，影响水生生物和陆生生物的生存环境。
对人体健康的危害：
一氧化碳会与人体血液中的血红蛋白结合，降低血液携氧能力，导致人体缺氧，引发头晕、恶心等症状，严重时会危及生命。
颗粒物可以进入人体呼吸道和肺部，引发呼吸道疾病和肺部疾病，甚至增加癌症的发病风险。
案例介绍：介绍因热机污染导致的局部生态环境破坏和人体健康受损的案例，增强学生的环保意识。
幻灯片 7：工程学视角下的环保热机设计
新型热机研发：从工程学角度介绍新型环保热机的设计理念和技术特点。例如，斯特林发动机采用外部加热方式，燃料燃烧充分，污染物排放少，且可以使用多种燃料；燃料电池发动机通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能，效率高，排放物主要是水，对环境友好。
热机与能源系统集成：讲解如何将热机与其他能源系统集成，提高能源综合利用效率。如热电联产系统，利用热机发电过程中产生的余热供暖或提供热水，减少能量浪费。
设计图展示：展示斯特林发动机、燃料电池发动机的结构设计图，让学生了解新型环保热机的构造。
幻灯片 8：环境科学视角下的综合防治策略
源头控制：从环境科学角度提出热机污染的源头控制策略，包括提高燃料质量，减少燃料中的硫、氮等杂质含量；推广使用清洁能源，如天然气、乙醇汽油等，替代传统的化石燃料。
过程控制与末端治理：
过程控制方面，优化热机的运行参数，确保其在最佳工况下工作，减少污染物排放。
末端治理方面，加强对热机废气的净化处理，确保排放的废气符合环境标准。
政策法规作用：介绍环境科学中的政策法规对热机污染防治的作用，如制定严格的汽车排放标准、鼓励新能源汽车发展等。
幻灯片 9：跨学科解决方案案例分析
案例一：新能源汽车：分析新能源汽车（如电动汽车、混合动力汽车）如何通过跨学科技术实现环保目标。电动汽车以电能为动力，零排放；混合动力汽车结合了内燃机和电动机的优势，通过提高热机效率和回收制动能量，减少燃料消耗和污染物排放。
案例二：绿色发电站：介绍绿色发电站的建设模式，如燃气 - 蒸汽联合循环电站，将燃气轮机和蒸汽轮机结合起来，充分利用燃料的能量，提高发电效率，减少污染物排放；同时，部分发电站配套建设废气处理系统和余热利用系统，实现环保和节能的双重目标。
视频播放：播放新能源汽车和绿色发电站的工作原理及环保效果的科普视频。
幻灯片 10：课堂小结
知识整合：对本节课从物理学、化学、生物学、工程学和环境科学等多学科角度探讨的热机效率和环境保护知识进行整合，强调跨学科知识在解决实际问题中的重要性。
核心观点回顾：回顾热机效率与环境保护的密切关系，以及提高热机效率、控制污染的主要跨学科技术和策略。
思维导图展示：以思维导图形式呈现本节课的知识框架，突出各学科知识之间的联系。
幻灯片 11：课堂讨论
讨论主题：
在日常生活中，我们可以采取哪些措施来减少热机使用对环境的影响？
结合本节课所学知识，你认为未来热机的发展方向是什么？
分组讨论要求：将学生分成小组进行讨论，每个小组推选一名代表发言，分享讨论结果。教师对各小组的发言进行点评和总结。
幻灯片 12：课后作业
作业布置：
结合本节课所学知识，撰写一篇关于 “如何通过跨学科技术提高热机效率并减少环境污染” 的短文，字数不少于 500 字。
调查身边一种使用热机的设备（如汽车、摩托车、发电机等），了解其效率情况和污染控制措施，并提出改进建议。
幻灯片 13：结束页
总结语：热机效率的提升和环境保护是一个需要多学科协同努力的课题。希望通过本节课的学习，同学们能够树立跨学科思维，认识到保护环境的重要性，在未来的学习和生活中积极参与到环保行动中来。
呼吁语：让我们共同努力，让热机更好地服务于人类社会，同时守护好我们美丽的家园！
2024沪科版物理九年级全册
14.4跨学科：热机效率和环境保护
第十四章 内能与热机
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
学习目标
能利用热值表和相关公式进行计算。（重、难点）
02
知道热值的概念、单位及其物理意义。（重点）
01
了解热机效率并能进行相关计算。（重、难点）
03
知道提高热机效率与环境保护的关联及意义。
04
你知道自己家里一个月的燃料消耗量和费用吗？
一个四口之家使用某种燃料时的月消耗量。柴：约200kg；液化石油气：约30kg；家用煤（蜂窝煤）：约90kg。
一、燃料的热值
观察与思考
煤、石油、天然气在燃烧时都会释放能量，但它们释放能量的能力是否相同呢？
研究可知，不同燃料燃烧释放的热量是不同的。人们把某种
燃料完全燃烧释放出的热量与所用燃料的质量之比叫做这种
燃料的热值。
热值用字母q表示，在国际单位制中，热值的单位是J/kg。
一、燃料的热值
热值的概念、单位
如何计算某种燃料的热值呢？
Q：燃料完全燃烧释放的热量
m：燃料的质量
q：燃料的热值
一、燃料的热值
热值的计算
热值的定义式： 。
Q
m
q ＝
如果是气体燃料，则热值的计算公式是 ，其中体积V的单位是m3，热值q的单位是J/m3。
Q
V
q ＝
已知柴油的热值q柴油=4.3×107J/kg，现有质量m=4kg的柴油。求4kg的柴油完全燃烧释放的热量。
一、燃料的热值
例题
解：由热值的定义式 可知， 4kg的柴油完全燃烧放出的热量Q放=mq=4kg×4.3×107J/kg =1.72×108J，即4kg的柴油完全燃烧释放的热量为1.72×108J。
Q
m
q ＝
观察热值表，你有哪些发现？
一、燃料的热值
热值表
1.哪种燃料的热值最大？它表示的物理意义是什么？
在热值表中，氢的热值最大，为1.4×108J/kg；该热值表示的物理意义是1kg的氢完全燃烧放出的热量是1.4×108J。
2.干木柴的热值是多大？5kg的干木柴用掉一半，剩余木柴
的热值是多少？
干木柴的热值是1.2×107J/kg，5kg的干木柴用掉一半，剩余干木柴的热值仍是1.2×107J/kg。
一、燃料的热值
热值是燃料的一种特性，不同燃料的热值一般不同。
热值的大小只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧均无关。
一、燃料的热值
小结
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
二、热机的效率
观察与思考
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。
用 表示，即
二、热机的效率
热机效率的概念
热机的效率能否达到100％？
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。
怎样提高热机效率？
提高热机的效率主要途径是减少热机各种能量损失。
具体措施为：（1）使燃料尽可能完全燃烧(煤粉、鼓风)；（2）减小机械摩擦（选用优良润滑油）；（3）尽量简化机械传动部分（三角旋转式发动机）。
二、热机的效率
热机效率的理解与提高
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%
二、热机的效率
常见热机的效率
二、热机的效率
[拓展]能量守恒定律与“永动机”
大量的研究表明，自然界的能量是守恒的，科学家们将研究的结果概括为能量守恒定律，即能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而能的总量保持不变。从能量守恒定律看，机械并不能创生能量，我们无法制造出既不消耗能量又能对外做功的装置。因此“永动机”是不可能存在的。
热机使用加快了人类文明的进程，但也带来了环境污染问题：
三、环境保护
（1）改进燃烧设备时加装消烟除尘装置；
（2）集中供热；
（3）改用气体燃料，普及煤气和天然气；
（4）充分开发利用污染少和无污染的新能源。
保护环境的方法：
三、环境保护
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[主题情境练]
2024年10月30日，搭载神舟十九号载人飞船的长征二号F遥十九运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射(如图所示)。神舟十九号航天员乘组顺利入驻“天宫”空间站，浩瀚太空首次迎来中国90后访客。长征二号F遥十九运载火箭采用偏二甲肼为主要燃料，偏二甲肼虽然是易燃液体，但它对冲击、压缩、摩擦、枪击、振动等均不敏感，可安全储存和运输。
任务一
1. [新情境题　2025年1月合肥期末]长征二号F遥十九运载火箭采用偏二甲肼为主要燃料的原因是该燃料具有较大的(　　)
A．热值 B．比热容
C．密度 D．体积
A
认识燃料
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2．关于火箭的燃料偏二甲肼及其热值，下列说法正确的是
(　　)
A．没有燃烧的偏二甲肼，热值等于零
B．偏二甲肼完全燃烧时，它的热值最大
C．偏二甲肼的热值与质量和燃烧状态无关
D．偏二甲肼燃烧时温度越高，放出的热量越多
C
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3．火箭燃料燃烧过程中把化学能转化成____能。已知燃料偏二甲肼的热值为4.25×107 J/kg，它表示的物理意义是___________________________________________。完全燃烧1 000 kg偏二甲肼所放出的热量为____________J。
内
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1 kg偏二甲肼完全燃烧放出的热量是4.25×107 J
4.25×1010
4．液氢是一种优良的火箭发动燃料，液氢是在常温下用__________的方式使氢气液化得到的，已知完全燃烧2 kg氢气可以放出2.8×108 J的热量，则氢气的热值为________J/kg。
压缩体积
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1.4×108
5．在火箭发射过程中，当火箭中的液氢用去一半时，剩余液氢的热值将________(填“增大”“减小”或“不变”)。
不变
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6．下图表示两种航天燃料A、B完全燃烧释放的热量Q与其质量m的关系图像，从图中可看出A燃料的热值________(填“大于”“小于”或“等于”)B燃料的热值。同等质量的A、B燃料完全燃烧，B放出的热量________(填“大于”“小于”或“等于”)A放出的热量。
小于
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大于
7．偏二甲肼热值的测定技术较为复杂，对于生活中常见的燃料，在实验室中可利用如图所示的装置粗略测定热值。实验中要控制两套装置中燃料的质量和水的________(填“初始温度”或“质量”)相等。可以通过比较_____________(填“加热时间”或“水升高的温度”)来比较酒精和碎纸片放出的热量多少。
质量
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水升高的温度
8．火箭发动机的能量流向简化图如图所示。
(1)火箭发动机的热机效率为_______________(用图中字母表示)。
(2)为了提高内燃机的效率，可以采取的措施是________。
①尽量减少各种热损失
②加润滑油减少机器各部件之间的摩擦
③使用热值高的燃料
(3)由图可知，热机效率________
(填“能”或“不能”)达到或大于100%。
①②
任务二
理解热机效率，促进社会发展
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不能
9．热机效率问题除了在火箭发动机等工程技术方面的应用，现代生活人们的衣食住行中也会涉及热机效率或炉具热效率的问题。热机及炉具的广泛应用也会造成环境污染。
(1)机动车尾气是机动车运行时产生的废气，其中包括一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物和固体悬浮颗粒等，是引发大气污染的元凶之一。下列关于减少机动车尾气排放及环境保护的做法正确的是(　　)
A．加大燃油机动车的推广力度 B．鼓励使用热效率低的老旧汽车
C．选择步行、公共交通等绿色出行D．不断改进和创新制造大功率热机
C
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(2)[2024·芜湖期中]如图所示的是一台烤红薯机，加热方式可选择烧柴火、干草或者木炭等，已知木炭的热值为4×107 J/kg。现有3 kg木炭，取其中2 kg木炭放到烤红薯机里面燃烧来加热红薯，则这2 kg木炭完全燃烧放出的热量为________J；若该过程红薯吸收的热量为3.2×107 J，则该
过程烤红薯机的热效率为________。
8×107
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40%
(3)小洁家天然气热水器(如图所示)的热效率是70%，他某次洗澡用水20 kg，热水器进水温度是22 ℃，出水温度是42 ℃，这一过程中水吸收的热量是_________J，他这次洗澡消耗______m3天然气。[水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃)，天然气的热值是3.2×107 J/m3]
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0.075
(4)[2025·莆田模拟节选]随着人们生活水平的提高，房车旅游受到了大众的青睐，某公司推出了如图所示的小型房车，小林和父母参观车展时试驾了该车，该车在平直公路上匀速行驶了3 600 m，消耗0.8 kg燃油。已知试驾时车和人总质量为4×103 kg，阻力是车重的0.1。求该房车热机的效率。(燃油热值为4×107 J/kg，g取10 N/kg)
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该房车匀速行驶3 600 m消耗0.8 kg燃油，燃油释放的热量为
Q放＝mq＝0.8 kg×4×107 J/kg＝3.2×107 J，
车和人的总重力：G＝m总g＝4×103 kg×10 N/kg＝4×104 N，
阻力是车重的0.1倍，则阻力为f＝0.1G＝0.1×4×104 N＝4×103 N，
该房车匀速行驶，处于平衡状态，受到的牵引力与阻力相等，即
F＝f＝4×103 N，
牵引力做的功W＝Fs＝4×103 N×3.6×103 m＝1.44×107 J，
房车热机的效率是
跨学科：热机效率与环境保护
环境保护
热值
热机效率
燃料完全燃烧所释放的热量与所用燃料的质量之比，用q表示，单位是 J/kg或 J/m3
定义式： 或
Q
m
q ＝
Q
V
q ＝
有用功与燃料完全燃烧所释放的能量的比值，用η表示
η 总是小于1，“永动机”不可能存在
谢谢观看！

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