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第十四章
内能的利用
第3节
热机的效率
热机工作时需要消耗煤、汽油、柴油等燃料，对外做功的目的是将燃料中的化学能转化为机械能。热机中燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗
燃料的热值
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。
燃料的分类
在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能。
燃料的种类很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、酒精等，气体燃料有煤气、天然气等( 图14.3-1)。根据你的经验质量相等的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同 要找出事实来支持你的观点，并进行分析。
图14.3-1 几种燃料
燃烧质量相等的不同燃料，放出的热量通常是不同的。例如，燃烧 1 kg 煤放出的热量，是燃烧 1 kg 干木柴放出热量的两倍多。
我们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。热值用字母 q 表示。
公式
q ＝
燃料完全燃烧放出的热量，
单位：焦耳(J)
燃烧燃料的质量，单位：千克(kg)
燃料的热值
单位：焦每千克(J/kg)
热值在数值上等于 1 kg 某种燃料完全燃烧放出的热量。热值的单位由热量的单位和质量的单位组合而成。在国际单位制中，热量的单位是焦耳，质量的单位是千克，则热值的单位是焦每千克，符号是 J/g。
根据燃料的热值，我们就能计算出燃料完全燃烧放出的热量。
例如，从表14.3-1中可以查到汽油的热值为 4.6×107 Jg，所以如果给汽车加 30 kg 汽油，完全燃烧放出的热量为
4.6×107J/kg×30 kg ＝ 1.38×109J
如果完全燃烧质量相等的柴油，能放出多少热量
表14.3-1 一些燃料的热值
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2×107 J/kg 柴油 4.3×107 J/kg
烟煤 约2.9×107 J/kg 煤油 4.6×107 J/kg
无烟煤 约3.4×107 J/kg 汽油 4.6×107 J/kg
焦炭 3.0×107 J/kg 氢气 1.4×108 J/kg
木炭 3.4×107 J/kg 焦炉煤气 约1.7×107 J/m3
酒精 3.0×107 J/kg 沼气 约1.9×107 J/m3
热值与比热容的对比
项目 热值 比热容
定义 某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比 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 (或 J/m3) J/(kg·℃)
对象 燃料 所有物质
热机的效率
燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要少，而且有效利用的热量又比放出的热量要少。例如用煤烧水，有效利用的热量只是被水吸收的热量，高温的烟气带走了相当一部分热量，还有一部分热量直接散失了。
热效率：有效利用的热量与燃料完全燃烧释放的总热量的比值，叫作热效率，即 η＝。
通常锅炉的燃料利用率比较低，因此在节约能源上有很大的改造潜力。例如，对于取暖用的小型锅炉，如果把煤磨成煤粉或煤粒，以加大煤与氧气的接触面积再把空气吹进炉膛，就会比煤块燃烧得更充分，从而提高燃料的利用率。
热机中燃料燃烧的能量走向示意图
对于热机而言，燃料燃烧释放的热量只有一部分用来做有用功，还有相当一部分能量散失了(图14.3-2)。用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫作热机的效率。要想知道热机的效率，就要先知道燃料完全燃烧放出的热量。
图14.3-2 燃料化学能的转化
公式
η ＝
转化为机械能，用来做有用功的能量，单位是 J
燃料完全燃烧放出的能量，单位是 J
蒸汽机的效率很低，只有6%~15%。
内燃机中，燃料是在气缸内部燃烧的，而且燃料与空气混合充分，燃烧得比较充分，所以内燃机的效率比蒸汽机高。
汽油机的效率为 20%~40%，柴油机的效率为30%~45%。
热机的效率是热机性能的重要指标。
在做功同样多的情况下，效率高的热机消耗的燃料少，从而节约能源、减少污染。
在设计和制造热机时，要不断改进和创新，以减少各种能量损失，提高效率。
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。
大型发电机常常由汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。
这种既供电又供热的热电站，比起一般的火电站，燃料的利用率大大提高。
科学·技术·社会·环境
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。在锅炉里把水烧成水蒸气，水蒸气在汽缸里推动活塞做功。原始的蒸汽机不便于使用，后来许多人对它不断改进，其中贡献最大的是英国人瓦特，他在1782年发明了往复式蒸汽机，使蒸汽机成为可以广泛使用的动力机。
这种蒸汽机在之后的一百多年里对工业的发展起到了极其重要的作用。斯蒂芬森以此为基础最先研制了“火箭号”蒸汽机车(图14.3-3)。
图14.3-3 “火箭号”蒸汽机车
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年出现的汽轮机满足了这个需要。大型锅炉产生的高温高压水蒸气直接喷射到汽轮机的叶片上使汽轮机转动。
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。内燃机有汽油机和柴油机两大类。汽油机是1883年发明的，柴油机是1892年发明的。内燃机运行时不需要携带很多水和煤，不但轻便，效率也提高了很多。
内燃机的出现和不断改进，对交通运输事业的现代化起到了决定性的作用。
早期的飞机是由内燃机提供动力的。从20世纪40年代开始，飞机上越来越多地使用空气喷气发动机，它需要用大气中的氧气来助燃，向后喷出高速气体，从而获得前进的动力。火箭上使用的喷气发动机自带燃料和氧化剂，工作时不需要空气，可以在大气层外工作。
在“中国航天之父”钱学森(图14.3-4)的带领下，一代代中国航天人不断发展火箭技术，将人造卫星、宇宙飞船、空间站等送入太空(图14.3-5)，使我国成为航天强国。
图14.3-4 钱学森 1911-2009
图14.3-5 长征五号火箭发射
有人认为，无烟煤的热值比干木柴大，完全燃烧时无烟煤放出的热量比干木柴多。你认为呢 说说理由。
这种说法不正确。
虽然无烟煤的热值比干木柴大，但燃料完全燃烧放出热量的多少不仅与热值有关，还与燃料的质量有关。
根据公式 Q＝mg 可知，只有在质量相同的情况下，无烟煤完全燃烧放出的热量才比干木柴多。
如果无烟煤的质量比干木柴少很多，那么即使无烟煤的热值大，也可能出现干木柴完全燃烧放出的热量比无烟煤多的情况。
某人提着一袋质量为 5kg 的大米，从1层步行至5层，每层楼的层高为 3m，他对这袋大米做了多少功 要使一定量的汽油完全燃烧放出的热量和他所做的功数值相等，则需要多少汽油
588J；1.28×10－5 kg
解析：大米质量 m＝5 kg，
由公式 G＝mg，
可得大米的重力 G＝5 kg×9.8 N/kg＝49 N，
从1层步行至5层，上升的高度 h＝4×3m＝12 m，
根据功的公式 W＝Fs，
则人对大米做的功
W＝Gh ＝ 49N×12 m＝588 J；
汽油的热值 q汽油＝4.6×107J/kg
根据 Q放＝mq，Q放＝W＝588J
则汽油的质量 m汽油＝ ＝1.28×10－5 kg。
如果干木柴跟煤油完全燃烧时放出的热量相等，那么干木柴的质量应该是煤油质量的几倍 请列出相关计算式来说明理由。
3.8 倍
解析：若燃烧干木柴与燃烧煤油产生的热量相等，则
Q干木柴＝Q煤油，由 Q放＝mq 得 m干木柴q干木柴＝m煤油q煤油，
即 ＝ ＝＝3.8(倍)
全球汽车保有量在迅速增长，截至2024年底，我国燃油汽车保有量约为3.2亿辆。假设每辆汽车每年耗油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%，我国每年可以节约多少燃油
1.92×107t
解析：效率提高前与提高后每辆汽车做的有用功相等，
所以 Q放η＝ Q′放η′，
即 mqη ＝ m′qη′，
可得 m′＝ ＝ ＝1.74 t，
则 3.2 亿辆汽车节省的燃油质量
m＝3.2×108×(1.8 t－1.74 t)＝1.92×107 t。
提高热机的效率具有哪些积极意义 请列出回答这个问题的提纲。
节约能源、减少环境污染等。
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 1 kg 某种燃料燃烧放出的热量
B. 10 kg 木炭比 1 kg 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
E. 燃料燃烧不完全时热值变小
D
2. 一个成年人参加一次长跑，身体消耗的能量为 6.6×106J，这些能量相当于完全燃烧 0.55 kg 的干木柴才能得到，则干木柴的热值为 ________________ J/kg。干木柴用掉一半后，剩余干木柴的热值将 ___________ (选填“变大”“变小”或“不变”)。
1.2×107
不变
3. 在一次某新型号汽车的测试中，让汽车在段平直的公路上匀速行驶 4.8 km，受到的阻力是 3.0×103N，消耗汽油 1.2 kg (假设汽油完全燃烧)。汽油的热值为 q＝4.6×107J/kg，求：
(1) 在测试过程中，汽车牵引力所做的功 W；
(2) 该型号汽车的热机效率 η 。
1.44×107J
26%

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