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沪科版·九年级物理全一册
第四节 跨学科：热机效率和环境保护
情境导入
人们使用的能量绝大部分还是通过燃料的燃烧获得的。
它们都离不开燃料！
探究新知
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
燃料燃烧是化学能转变为内能的过程。
相同质量的不同燃料燃烧，释放的热量是否相同？
经验与科学研究告诉我们：不同燃料燃烧释放出能量的能力是不同的。
思考
知识点1 燃料的热值
某种燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值。用字母 q 表示。
定义
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。
单位
焦每千克——J/kg
气体燃料：焦每立方米——J/m3
因此，燃料热值的定义式为
公式
燃料完全燃烧释放的热量
燃料的质量
燃料的热值
注意
热值定义中，必须“完全燃烧”；
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
例如，天然气的热值为 3.3×107~ 4.5×107 J/m3。
对气体燃料而言，其热值也可以采用在标准状态下某种气体燃料完全燃烧放出的热量与所用该种气体燃料的体积之比，单位是 J/m3。
燃料 热值q/(J·kg–1) 燃料 热值q/(J·kg–1)
干木柴 1.2×107 酒精 3.0×107
焦炭 3.0×107 柴油 4.3×107
木炭 3.4×107 汽油 4.6×107
氢气 1.4×108 煤油 4.6×107
想想议议：
为什么发射火箭上天要用氢做燃料？
练习1 计算 4 kg 的柴油完全燃烧释放的热量。
已知：q = 4.3×107 J/kg，m = 4kg。
求：Q。
解：Q = mq
= 4kg×4.3×107 J/kg
= 1.72×108 J
答：4 kg 的柴油完全燃烧释放的热量为 1.72×108 J。
练习2 在 1 个标准大气压下，将 5 kg、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 1.2×107 J/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。
解：Q吸 = cm(t2－t1)
= 4.2×103J/(kg·℃)×5kg×(100℃ – 40℃)
= 1.26×106J。
因为Q吸 = Q放 = 1.26×106 J，
所以干木柴的质量
热机工作时，能不能将燃料所含有的化学能全部用来对外做有用功呢？
知识点2 热机效率
热机工作时，燃料不能完全燃烧，且燃烧释放的能量也不能全部用来对外做有用功，有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。
热机燃料的能量走向示意图
热机运转中，做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量之比称为热机效率。
公式：
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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一些热机的效率
蒸汽机 4%~8% 燃汽轮机 50%~60%
蒸汽轮机 25%~30% 汽油机 26%~40%
柴油机 34%~45% 喷气发动机 50%~60%
如何提高热机的效率？
提高热机效率的途径和措施
提高热机效率的主要途径是减少热机工作中的各种能量损失。
①减少燃烧过程中的热量损失；
②改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧；
③尽量简化机械传动部分，并选用优良的润滑材料，减少因克服摩擦而额外消耗的能量。
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。
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。
知识点3 环境保护
酸雨对森林的破坏
酸雨对雕像的破坏
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。
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。
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。
随堂练习
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
3.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
4.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
柴完全燃烧时放出的热量是1.2×107J
1kg的干木
4.8×107J
5.热机在能量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。
6.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。
课堂小结
热机效率
热值
热机效率
热机运转中，做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量之比
提高热机效率的方法
某种燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比
单位：J/kg
公式：q =
环境保护

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