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第4节 跨学科：热机效率和环境保护
第十四章 内能与热机
沪科版（2024）九年级上册同步备课
【想一想】
发射人造卫星、宇宙飞船所用的火箭要用液态氢和液态氧做燃料。你知道这是为什么？为什么不用汽油、柴油做火箭燃料？
液态氢气储罐
1.知道热值的含义及单位、物理意义。
2.知道热机效率的含义，了解热机能量的损失以及提高效率的主要途径。
3.了解热机的使用对社会的贡献和给环境带来的影响。
煤
酒精
天然气
若用这些燃料加热相同质量的水，需要燃料的多少一样吗？
不一样，因为质量相等的不同燃料(种类)在完全燃烧时所放出能量的本领不同。
知识点一：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。
2.定义：
3.公式：
表示燃料完全燃烧时放热本领的物理量。热值在数值上等于1 kg（或1 m3）质量（或体积）的某种燃料完全燃烧放出的热量。
1.意义：
　　国际单位：焦每千克；符号：J/kg。
　　气体燃料的单位：焦每立方米；符号：J/m3。
4.单位：
固体或液体
气体燃料
深度理解:
“完全燃烧”指的是一定量的物质在一定条件下燃烧时化学能全部转化为内能的现象。但是这种燃烧状态只是一种理想状态，生活中很难满足燃料完全燃烧。
燃料的热值
常用燃料的热值
热值是燃料的一种特性，反映了不同燃料在燃烧过程中，化学能转化为内能的本领的大小。燃料的热值只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积以及是否完全燃烧无关。
燃料 热值q/(J·kg-1) 燃料 热值q/(J·kg-1)
干木柴 约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
为什么炉渣颜色有的黑有的白？靠近炉灶有什么感觉？
不能完全燃烧
热，温度比周围高
放出来的热量比按热值计算的小
有效利用的热量比放出来的小
知识点二：热机效率
热机燃料能量的走向
克服摩擦消耗能量
废气排出带走能量
机械传热
损失能量
部分燃料未完全燃烧
转化为对外做有用功的能量
热机运转中，做有用功与燃料完全燃烧所释放能量的比值称为热机效率。
做有用功的能量
燃料完全燃烧放出的能量
热机效率
2.公式
1.定义
（1）热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率高，它的机械性能就越好。在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，从而节约能源，减少污染。
（2）热机的效率总小于1。
热机的效率
汽油机的效率为 20%~30%
蒸汽机的效率只有6%~15%
柴油机的效率为30%~40%
喷气式飞机的效率为 50%~60%
常见热机的效率
1.将燃料研磨成粉状，使其更加充分地燃烧。
2.在设计和制造热机时，尽量简化机械传动部分，以减少各种能量的损失。
3.在各零件上涂上润滑油，减少机械间摩擦所损失的能量。
4.充分利用废气的能量，提高燃料的利用率。
加大与氧气的接触面积
提高热机效率的方法
拓展一步
机械的工作效率能否无限提高 不少人曾经设想制造出一种不需要消耗能量就可以不断对外做功的机器。但是大量的研究表明，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。
“永动机”能实现吗
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。右图是有人设想的一种能永远运动的装置——“永动机”。想一想，它真的能一直不停地运动下去吗
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，这部分能量远小于总能量，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%。
想一想
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：
汽车排放的大量尾气、燃料燃烧排放的烟尘使大气十分浑浊，排放的二氧化硫、二氧化碳和氮氧化合物，会形成酸雨，危害植物，污染环境等。
知识点三：环境保护
烟尘
酸雨
植物
尾气
讨论：如何在保持工业发展，交通发达的同时，又能减少废气与粉尘的污染，提高空气质量，保护我们生存的家园？
采取的措施：
1、减少煤、石油、天然气的使用，大力开发太阳能、水能、风能等清洁型能源；
2、大力植树造林、减少木柴的使用。
1.对人体健康的直接危害,硫酸雾和硫酸盐雾的毒性比二氧化硫大得多,可以侵入肺的深部组织,引起肺水肿等疾病而使人致死。
2.引起河流、湖泊的水体酸化,严重影响水生动植物的生长。
3.破坏土壤、植被、森林。
4.腐蚀金属、油漆、皮革、纺织品及建筑材料。
5.渗入地下,使水中铝、铜、锌、镉的含量比中性地下水中高很多倍。
酸雨的危害
小知识
学科综合
空气质量不仅影响人类生存的质量，还影响着地球上的其他生物。上网查询，从跨学科的视角了解影响空气质量的因素，认识PM2.5对人体的伤害，了解我国及世界各国治理空气污染的举措。在此基础上，完成一份关于如何净化空气、保护环境的调研报告，提出相关的改进建议。
探究空气质量
热机效率和环境保护
燃料的热值
热机效率
定义：做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
定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量（或体积）之比
单位：J/kg
公式：Q = mq Q = Vq
公式：
W有
Q放
η＝
环境保护
环境污染带来的问题
保护环境采取的措施
C
1.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
2. （多选）关于热机效率，下列说法正确的是 (　　 )
A.热机效率越高，即热机做的有用功多
B.热机效率越高，即热机的功率越大
C.要提高热机效率，就要尽量减少各种能量损失，并且要保证良好的润滑
D.提高热机效率，有利于环保减排
C、D
3.下列关于热机和环境保护的说法中正确的是(　　)
A．热机的大量使用会造成环境污染
B．所有的热机都是用汽油作为燃料
C．汽车排出的尾气都是有毒气体
D．热机所产生的噪声，可以被热机上的消声器完全消除
A
4．一台内燃机运行时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占25％，废气带走的能量占30％，摩擦等机械损耗占10％，则内燃机的热机效率为_________。
35%
5．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·℃)。
　　Q = 1.2×107 J/kg×0.7 kg = 8.4×106 J
　　m =
Q
c(t2 -t1)
8.4×106 J
4.2×103 J/(kg·℃)×(70 ℃-20 ℃)
　　 =
　　 = 40 kg

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