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14.3 热机的效率
第十四章 内能的利用
授课教师： .
班 级： .
时 间： .
物理观念 建立热值概念，知道热值是燃料的一种特性；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。
科学思维 知道可以怎样提高热机效率以及提高热机效率的意义所在；能简单计算燃料燃烧放出的热量。
科学探究 通过社会调查、分组交流合作，了解热机效率及热机带来的影响。
科学态度 与责任 了解热机的利用与人类社会发展的关系；培养环保意识，激发社会责任感。
学习目标
①深刻理解热机效率的定义。
②计算方法并能够应用于实际问题中。
①影响热机效率的因素，以及如何提高热机效率；
②将理论知识与实际应用相结合，解决实际问题
教学重难点
拖拉机燃料
柴油
飞机发动机燃料
航空汽油和航空煤油
火箭助推器燃料
液氢液氧
1.火箭发射所需的推进剂燃料，可以换成拖拉机或飞机采用的柴油或汽油吗？
不可以
你知道为什么？
情景导入
2. 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
情景导入
不可以
你知道为什么吗？
相同质量的不同燃料，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。
在家中烧水时，烧开同样一壶水需要的木柴质量多，而需要的煤气质量却较少。
现象：
结论：
木柴和煤气燃烧放出相同的热量时，所用木柴的质量比所用煤气的质量大。
相同质量的木柴和煤气燃烧时，放出的热量是不同的。
你还有其它比较不同燃料的放热本领的方法吗？
想想议议
　　选择相同质量的干木柴和酒精，分别对相同质量，初温相同的水进行加热，观察实验现象，收集实验数据，并分析。
【实验】比较不同物质放热能力
实验材料：
两杯水200g（初温28℃）、干木柴5g、酒精5g，铁架台，天平、秒表等。
实验过程：
演示实验
相同质量的酒精和木柴加热完全相同的水，水升高的温度不同，酒精加热的水升高的温度更多。
燃料 温度 加热前温度/℃ 燃料燃尽后的温度/℃ 水温的变化/℃
5g酒精 28 83 55
5g干木柴 28 62 37
为了比较燃料的特性了，引入了“热值”这个物理量。
实验数据：
实验结论：
相同质量的不同燃料放出的热量不同。
（质量和初温相同）
热值
2.燃料的热值
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，用符号 q 表示。
①定义：
②公式：
③单位：
焦/千克，符号J/kg
①完全燃烧：
指燃料燃烧后，全部变成不可燃烧物的过程。
②由于燃料的成分不同，相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出的热量不同，在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。
焦/立方米，符号J/m
②气体燃料的热值：
对某些气体燃料，其热值在数值上等于在标准状态下lm3燃料完全燃烧放出的热量。
热值
q= Q放/m
q= Q放/v
固体
气体
④热值的物理意义：
热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
一些燃料的热值
【例】从表中可以查到汽油的热值为4.6×107J/kg，
表示：1kg木炭完全燃烧时放出的热量是3.4×107J。
同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。
热值
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 柴油
烟煤 煤油
无烟煤 汽油
焦炭 氢气
木炭 焦炉煤气
酒精 沼气
⑥热值的相关计算
燃料燃烧放出热量的计算： Q放=qm
【例】如果给汽车加30kg汽油，完全燃烧放出的热量为
Q放=qm=4.6×107J/kg×30kg=l.38×109J
⑤热值的影响因素
燃料的热值是燃料的一种特性。
其与燃料的种类有关， 而与燃料的质量、 体积、 是否完全燃烧以及燃料的状态（ 固态、 液态或气态） 无关。
热值
笔记：
燃料的概念
1.下列关于热值的说法正确的是（　　）
A．5kg煤的热值大于1kg煤的热值
B．燃料热值越大，燃烧放出的热量越多
C．燃料燃烧不完全时热值变小
D．燃料的热值是燃料本身的特性
解：A、燃料的热值仅与燃料的种类有关，与燃料的质量无关，故5kg煤和1kg煤的热值一样大，故A错误；
B、燃料的热值越大，只有在相同质量并且完全燃烧的情况下，放出的热量才越多，质量少、燃烧不完全放出的热量就少，故B错误；
C、热值的大小与燃料是否完全燃烧无关，故C错误；
D、热值是燃料本身的特性，只与燃料的种类有关，与其他因素无关，故D正确。
D
练习1
1. 日常生活中的热效率
【提出问题】用煤气灶烧水时，煤气能完全燃烧吗？ 煤气燃烧放出的热量能全部被水吸收吗
【分析讨论】煤气不能完全燃烧，损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量，煤气灶本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了等等。水吸收的热量只占煤气完全燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是被有效利用的。
热机的效率
热机的效率
（1）热效率的概念（炉子、燃气灶的热效率等）
吸收的热量占燃料完全燃烧放出热量的比值叫作热效率。
热效率η = 有效利用的热量 /燃料完全燃烧放出的热量
= Q有用 /Q总
（2）提高锅炉中燃料热效率的方法
1.把煤磨成煤粉，增大与氧气的接触面积；
2.把空气吹进炉膛增大送氧量充分燃烧。
笔记：
2. 热机的效率
（1）热机能量流向示意图
热机也有类似的情况，汽油在汽缸内不能完全燃烧，损失了一部分能量，机械装置吸收了一部分能量，废气带走了一部分能量，由于机械传动等克服摩擦消耗了一部分能量，等等。真正转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧所释放能量的一部分。只有对外做有用功的能量是被有效利用的。
燃料的
内能
热机的效率
热机的效率
（2）热机的效率
①定义：用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧放出的 总热量之比，叫作热机的效率。
②公式：
η = Q有用 /Q放 ×100% 或 η =W有用 /Q放 ×100%
③物理意义：热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，可以节约能源。
（3）一些热机的效率
瓦特蒸汽机的效率
6% ~ 15%
汽油机的效率
20～40%
喷气发动机的效率
50～60%
热机的效率
5. 提高热机效率的主要途径
①使燃料充分燃烧
把煤磨成煤粉或煤粒，加大煤与氧气的接触面积，使其燃烧得更充分，从而提高燃料的利用率。
②尽量减少各种热量损失
对锅炉进行外部隔热处理，可以避免热能向外丢失。
③尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量
④热机设计制造，提高技术和使用新材料。
⑤保证良好润滑，减少摩擦额外消耗的功
汽车发动机添加机油
拉力赛车进站维修
供暖
提高效率的途径
笔记：
热机的效率的概念
2.关于热机和锅炉的效率，下列说法中正确的是（　　）
A．热机做的有用功越多，效率一定越高
B．热机和锅炉使用的燃料的热值越大，它们的效率越高
C．向锅炉内多加些煤，加大火力可以提高锅炉的效率
D．热机做一定的有用功，消耗的燃料越少，效率一定越高
解：A、热机的有用功多，与燃料完全燃烧放出的能量之比不一定大，效率不一定高，故A错误；
B、热机的效率与燃料的热值无关，故B错误；
C、向炉内多加些煤，加大火力，这是消耗更多的燃料，不能提高炉子的效率，故C正确；
D、热机做一定的有用功，消耗的燃料越少，说明有用功与燃料完全燃烧放出的能量之比越大，故效率一定越高，故D正确。故选：D。
D
练习2
提高热机效率的方法
3.下列有关热学知识的分析，正确的是（　　）
A．使燃料充分燃烧可以增加有效利用的能量，从而提高热机效率
B．海波在熔化过程中持续吸热，温度不变，但内能减小
C．燃料燃烧得越充分，这种燃料的热值就越大
D．热传递过程中，温度由高温物体传向低温物体
解：A、尽量使燃料完全燃烧、尽量减少摩擦与辐射、尽量减少热量损失，都可以在燃料完全燃烧放出的热量相同时，增大用来做有用功的能量，可以提高热机的效率，故A正确；
B、海波是晶体，在熔化过程中持续吸热，温度不变，但内能增大，故B错误；
C、燃料的热值只与燃料的种类有关，与燃料燃烧得快慢、放出热量的多少、燃料的质量和燃料的燃烧程度无关，故C错误；
D、在热传递过程中，热量从高温物体传向低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，而不是温度，故D错误。故选：A。
A
练习3
1782年瓦特发明了往复式蒸汽机。
从火车到火箭
17世纪人类发明了蒸汽机。
斯蒂芬森以此为基础最先研制了“火箭号”蒸汽机车。
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。
在一代代航天人不断努力下，宇宙飞船、空间站被送入太空，我国也成为太空强国。
科学、技术、社会、环境
热机效率
燃料
热值
热机的效率
分类：固体燃料、液体燃料、气体燃料。
燃料燃烧过程中化学能转化为内能。
定义：燃料完全燃烧时放出的热量与燃料质量之比。
定义：用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。
公式：
单位：
焦/千克（J/kg）
焦/立方米，（J/m ）
或
公式：
提高热机效率的方法
教学重难点
【解析】燃料燃烧放出的热量为Q放=mq，可见与燃料的热值和质量有关。
因为不知道无烟煤与干木柴的质量大小，所以无法比较它们完全燃烧时放出的热量多少。
1. 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。
教材习题1
2. 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 （g取10N/kg）
教材习题2
3. 如果干木柴跟煤油完全燃烧放出的热量相等，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。
教材习题3
4. 全球汽车保有量在迅速增长，截至2022年底，我国燃油汽车保有量约为3亿辆。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？
教材习题4
【解析】
（1）减少有害气体的排放量；
（2）降低对空气的污染；
（3）减少燃料的消耗，节约能源。
5. 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。
教材习题5
1.基础性作业：完成课件中的课堂练习。
2.拓展性作业：请同学们利用家中的煤气表和温度计自己测量一下煤气灶烧水的效率。
测量煤气灶烧水效率的实验步骤如下 ：
准备材料 ：煤气表、温度计、1kg的水、煤气灶。
记录初始数据 ：记录水的初始温度（例如20℃）。
加热过程 ：使用煤气灶将1kg的水从初始温度加热到目标温度（例如60℃）。
记录消耗的煤气量 ：使用煤气表记录消耗的煤气量（例如0.01m ）。
计算水吸收的热量 ：使用公式 Q吸 = cm(t - t0)其中c为水的比热容为4.2×10 J/(kg ℃)，m是水的质量1kg，t是最终温度60℃，t0是初始温度20℃。
计算得出水吸收的热量为 1.68×10 J。
思路指导
教学重难点
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