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14.3 热机的效率
一、热机效率的概念深化
（一）效率的物理意义
热机效率是衡量热机性能的核心指标，它反映了热机将燃料能量转化为有用功的有效程度。效率越高，说明燃料消耗相同能量时，对外输出的有用功越多，能量浪费越少，经济性和环保性越好。例如，柴油机效率（30%~45%）高于汽油机（20%~30%），因此在相同工况下，柴油机更省油。
（二）效率的本质理解
从能量守恒定律角度看，热机工作时，燃料完全燃烧放出的总能量（\( Q_??? \)）分配为三部分：
有用功能量（\( W_{?????¨} \)）：转化为机械能对外输出的能量，是热机的核心价值。
损失能量：
废气带走的内能（\( Q_??? \)）：高温废气直接排放，携带大量未利用的热能（占比最大，约 30%~40%）。
散热损失（\( Q_??? \)）：通过气缸壁、排气管等部件向外界散热的能量（约 20%~30%）。
机械摩擦损失（\( Q_??? \)）：活塞与气缸、曲轴与轴承等运动部件摩擦消耗的能量（约 5%~10%）。
燃料不完全燃烧损失（\( Q_??? \)）：部分燃料未充分燃烧，化学能不能完全释放（约 5%~15%）。
总能量关系为：\( Q_??? = W_{?????¨} + Q_??? + Q_??? + Q_??? + Q_??? \)，因此热机效率本质是有用功能量在总能量中的占比。
二、热机效率的定量计算
（一）基本公式应用
热机效率公式为：\( \eta = \frac{W_{?????¨}}{Q_???} \times 100\% \)
其中：
\( W_{?????¨} \) 单位为焦耳（J），可通过功的公式（\( W = Fs \)、\( W = Pt \)）计算。
\( Q_??? = qm \) 或 \( Q_??? = qV \)（固体 / 液体燃料用质量\( m \)，气体燃料用体积\( V \)），\( q \) 为燃料热值（单位：J/kg 或 J/m?）。
（二）典型例题解析
例 1：某汽油机完全燃烧 5kg 汽油，对外做的有用功为\( 6.3??10^7 J \)，求该汽油机的效率。（汽油热值\( q = 4.6??10^7 J/kg \)）
解答：
燃料完全燃烧放出的热量：\( Q_??? = qm = 4.6??10^7 J/kg ?? 5kg = 2.3??10^8 J \)，
效率：\( \eta = \frac{W_{?????¨}}{Q_???} ?? 100\% = \frac{6.3??10^7 J}{2.3??10^8 J} ?? 100\% ??? 27.4\% \)。
例 2：某柴油机工作时，功率为 10kW，每小时消耗柴油 2kg，求柴油机的效率。（柴油热值\( q = 3.3??10^7 J/kg \)）
解答：
1 小时内对外做的有用功：\( W_{?????¨} = Pt = 10??10^3 W ?? 3600s = 3.6??10^7 J \)，
燃料放出的热量：\( Q_??? = qm = 3.3??10^7 J/kg ?? 2kg = 6.6??10^7 J \)，
效率：\( \eta = \frac{3.6??10^7 J}{6.6??10^7 J} ?? 100\% ??? 54.5\% \)（注：实际柴油机效率通常低于此值，本题为理想计算）。
（三）计算注意事项
单位统一：功率单位需换算为瓦特（W），时间用秒（s），质量用千克（kg），体积用立方米（m?）。
有用功判断：热机输出的机械能为有用功，需排除克服额外阻力（如摩擦）的功（题目未说明时默认给出的功为有用功）。
热值取值：不同燃料热值不同，需根据题目给出的热值计算，不可随意套用默认值。
三、影响热机效率的关键因素
（一）燃料燃烧效率
燃烧充分度：燃料与空气混合越均匀、燃烧时间越充足，燃烧越充分（如汽油机的火花塞点火时机、柴油机的喷油雾化效果）。
空燃比：空气与燃料的比例需合理（汽油机空燃比约 14.7:1），空气不足会导致燃烧不完全，空气过多会降低燃烧温度。
（二）热量损失控制
废气温度：废气温度越高，带走的能量越多。通过改进排气系统（如废气再循环技术）可降低废气能量损失。
散热面积与隔热：气缸壁面积越大、材料导热性越好，散热损失越多。采用陶瓷涂层、隔热垫片等材料可减少散热。
（三）机械损耗优化
摩擦阻力：运动部件的摩擦系数越小，机械损失越少。通过精密加工、使用优质润滑油可减小摩擦。
机械结构：多余的机械传动部件会增加能量损耗，简化传动结构（如直驱技术）可提高效率。
（四）热机工况
负载匹配：热机在额定负载下效率最高，轻载或过载时效率显著下降（如汽车低速行驶时油耗增加）。
运行温度：发动机工作温度过低会导致燃烧不完全，过高会加剧磨损，需通过冷却系统维持最佳温度（如发动机正常工作水温 80~100℃）。
四、提高热机效率的技术措施
（一）结构优化技术
涡轮增压：利用废气能量驱动涡轮压缩进气，增加气缸内空气量，使燃料燃烧更充分，可提高效率 10%~20%。
可变气门正时：根据发动机转速调节气门开启时间，优化进气量，减少泵气损失（如丰田 VVT-i、大众 TSI 技术）。
缸内直喷：将燃油直接喷入气缸，精确控制喷油时间和油量，提高燃烧效率（比传统多点电喷效率高 5%~10%）。
（二）材料与工艺创新
耐高温材料：采用陶瓷、镍基合金等耐高温材料制造气缸和活塞，允许更高的压缩比和燃烧温度，减少散热损失。
低摩擦技术：使用石墨烯润滑油、表面镀层等技术降低摩擦系数，减少机械损耗。
（三）能量回收技术
废气再循环（EGR）：将部分废气引入气缸，降低燃烧温度，减少氮氧化物排放的同时回收部分热量。
混合动力系统：通过电机回收制动能量（动能→电能储存），在低速时切换电机驱动，提高综合效率（如丰田普锐斯混动效率比传统车高 30% 以上）。
（四）运行管理优化
智能控制：通过 ECU（电子控制单元）实时调节燃油喷射、点火时机、进气量，使发动机始终处于最佳工况。
定期维护：清理积碳、更换机油、调整气门间隙，保证发动机性能稳定，避免效率下降。
五、热机效率的实际应用与环保意义
（一）能源节约
提高热机效率可直接减少燃料消耗。例如，若汽车发动机效率从 25% 提高到 35%，相同行驶里程下油耗可降低约 28%，每年可节约大量石油资源。
（二）减排降污
燃料消耗减少意味着污染物排放量降低。以二氧化碳为例，汽油燃烧时每千克约排放 2.3kg CO?，效率提高 10% 可减少 10% 的 CO?排放，有助于缓解温室效应。
（三）行业标准与发展趋势
能效标准：各国制定严格的汽车油耗和排放法规（如中国国六标准、欧洲欧七标准），倒逼企业提高热机效率。
替代技术：在提高传统热机效率的同时，新能源技术（如电动汽车、氢燃料电池车）快速发展，但热机在重型运输、发电等领域仍长期不可替代，高效化仍是核心发展方向。
六、易错点与常见误区
（一）效率计算的常见错误
混淆有用功与总功：将燃料燃烧的总能量当作有用功，或遗漏功率计算中的时间单位换算（如将小时直接代入秒的公式）。
忽略单位统一：热值单位为 J/kg 时，燃料质量未换算为 kg（如误将 g 当作 kg 代入计算）。
（二）效率与功率的关系误解
错误观点：“功率大的热机效率一定高”。
纠正：功率反映做功快慢（如赛车发动机功率大但效率未必高），效率反映能量利用率，两者无必然联系。例如，拖拉机柴油机效率高于轿车汽油机，但功率可能更小。
（三）对 “效率极限” 的认知偏差
错误观点：“热机效率可以达到 100%”。
纠正：根据热力学第二定律，热机不可能将全部内能转化为机械能（必然存在废气、散热等损失），效率极限受卡诺循环限制（理想热机效率\( \eta_c = 1 - T_???/T_é?? \)，\( T \) 为热力学温度），实际热机效率远低于此极限。
通过对热机效率的深入学习，我们不仅掌握了效率的计算方法，更理解了其背后的能量转化规律和技术优化方向。提高热机效率是实现 “双碳” 目标（碳达峰、碳中和）的重要途径，既需要技术创新，也依赖于每个人对能源节约的重视。在未来，热机将朝着高效化、低碳化、智能化方向发展，持续推动能源利用与环境保护的平衡。
2024人教版版物理九年级全册
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
14.3 热机的效率
第十四章 内能的利用
a
i
T
u
j
m
i
a
N
g
1. 建立热值概念。（重点）
2. 能利用热值表进行有关燃料燃烧放热的简单计算。（难点）
3. 了解热机的效率。知道热机工作时燃料释放能量的主要
流向，知道提高热机效率的方法。
观看视频：
思考：火箭升空使用的是什么燃料呢？为什么要用这种燃料？
1. 燃料
想一想，你见过的燃料有哪些？
（1）燃料的种类：固体燃料有木柴、煤炭等；液体燃料有汽油、柴油、酒精；气体燃料有煤气、天然气等。
一、燃料的热值
人类在原始社会
用燃料柴薪取暖
天然气燃烧，获取内能
汽油燃烧，获取内能，
转化为车的机械能
（2）燃料燃烧时能量的转化：
燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能。
一、燃料的热值
喷气式飞机发动机用航空煤油做燃料。靠燃料燃烧时产生的气体向后高速喷射的反冲作用使飞机向前飞行。
火箭升空靠液态氢与液氧的燃烧获取内能。
2. 燃料的热值
（1）研究相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同？
【提出问题】根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不是相同？有哪些事实来支持你的观点，并进行分析。
日常生活中，常见的燃料有煤、木柴、天然气、液化气、酒精、汽油、柴油，在农村还有农作物的秸秆，有些地区还用牛粪作为燃料。若一个四口之家使用不同的燃料供家庭使用，如烧水、做饭等，请同学们估计，一个月如果使用木柴需要多少千克？如果使用煤（蜂窝煤）需要多少千克？如果使用液化气需要多少千克？如果使用秸秆需要多少千克？
一、燃料的热值
分析讨论得出：约需要木柴200 kg，煤90kg，液化气30kg，秸秆400kg。使用不同的燃料，消耗量是不同的，这是什么道理？
【分析论证】
①不同的燃料燃烧释放热量的能力是不一样的。根据实验发现1kg的煤燃烧释放出的热量是1kg木柴燃烧释放出的热量的两倍多。
②怎么比较燃料燃烧放出热量的能力呢？可以采取比较物体密度大小的方法：所有物体都取1m?，比较它们质量的多少。把所有燃料都取1kg，让它们完全燃烧，比较它们放出热量的多少。
一、燃料的热值
（2）燃料的热值
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。
①定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值，用字母q表示。
②公式：q= ????放????
③单位：
Q表示放出的热量，单位是焦，符号为 J
m表示固、液体燃料的质量，单位是千克，符号为kg
q表示热值。单位是焦/千克，符号为 J/kg
?
一、燃料的热值
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。如木炭的热值为3.4×107J/kg，它表示：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。
⑤燃料燃烧放出热量的计算： ????放=????????
⑥气体燃料的热值：
q= ????放????
V 表示气体燃料的体积，单位是米3 ，符号为m3
Q 表示放出的热量，单位是焦，符号为 J
q 表示气体燃料的热值，单位使用焦/米3 ，符号为J/m3
?
一、燃料的热值
（3）常见燃料的热值表
一、燃料的热值
【想一想】①热值表中，热值最大的是哪种燃料？热值最小的是哪种燃料？
②火箭上为什么用液态氢作燃料？
③热值反映了燃料的什么性质？不同燃料的热值一定不同吗？
【解答】
①表中热值最大的是氢，热值1.4×108J/kg，热值最小的是干木柴，热值1.2×107J/kg.
②火箭上用液态氢作燃料是因为氢的热值大.
③热值是燃料的一种属性，不同的燃料有不同的热值.
一、燃料的热值
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?
二、热机的效率
【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。
（1）建立热效率的概念（炉子、燃气灶的热效率等）：
吸收的能量占燃料完全燃烧放出能量的比值叫做热效率。
热效率η = ???有效利用的热量???????燃料完全燃烧放出的热量=???????有用???????????总?
（2）提高锅炉中燃料热效率的方法：
把煤磨成煤粉，增大与氧气的接触面积；把空气吹进炉膛增大送氧量。
?
二、热机的效率
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。
二、热机的效率
燃料的
内能
（2）热机的效率
①定义：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧释放的能量之比，叫做热机的效率。
②公式：
η =???????有用???????????放?×100% 或η =????有用???????????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，节约能源。
?
二、热机的效率
3. 提高热机效率的主要途径
（1）尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量
大型发电机常常用蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。
二、热机的效率
热电站既供电又供热，比起一般的火电站，燃料的利用率大大提高。
供电
供热
蒸汽轮机
（2）在热机的设计和制造上，采用先进的技术.
（3）使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整各零件之间的间隙，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量.
二、热机的效率
二、热机的效率
动画讲解——《热机的效率 》
1. 在跨学科实践活动中，小华调查“家用燃
料的变迁与合理使用”时发现，爷爷小时候使用木柴作为家用
燃料；爸爸、妈妈小时候用煤炭，之后用液化气；如今小华
家使用天然气为家用燃料，主要是天然气的( )
B
A. 密度较大 B. 热值较大
C. 比热容较大 D. 沸点较高
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2. ［2025·青岛南区期末，多选］汽油的热值为4.6×107?J/kg 。这个数值
究竟有多大？有人通过一个具体例子来认识汽油热值的大小：现有一个
60?kg 的中学生，从大厦的1楼步行至11楼（走了10层楼），每层楼的层高
为3?m ，如果质量为???? 的汽油完全燃烧放出的热量和中学生克服重力做的
功大小相等，下列说法正确的是(????取10?N/kg) ( )
?
汽油的热值为4.6×107?J/kg，表示1?kg 汽油燃烧放出的热量为
4.6×107?J
B. 汽油的热值与汽油的质量和燃烧放出的热量均无关
C. 该中学生克服重力做了1.8×104?J 的功
D. 通过计算可知汽油的质量????约为0.39?g
?
BCD
【点拨】汽油的热值为4.6×107?J/kg，表示1?kg 汽油完全燃
烧放出的热量为4.6×107?J ，故A错误；汽油的热值是燃料本
身的一种特性，与汽油的质量和燃烧放出的热量无关，故B
正确；该中学生克服重力所做的功
?
????=?????=????学生?????=60?kg×10?N/kg×10×3?m=1.8×104?J ，故C正确；汽油完全燃烧放出的热量
?
????放=????=1.8×104?J ，汽油的质量
????=????放????汽油=1.8×104?J4.6×107?J/kg≈3.9×10?4?kg=0.39?g ，故D正确。
?
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3. 2024年4月20日，我国研制的全球首款
本体热效率达53.09% 的柴油机正式亮相世界内燃机大会，刷
新了柴油机热效率的世界纪录。与普通柴油机平均
30%?45% 的热效率水平相比，下列关于该款柴油机说法正
确的是( )
?
A
A. 消耗1?kg 柴油，该柴油机内能转化为的机械能更多
B. 消耗1?kg 柴油，该柴油机释放的热量更多
C. 该柴油机工作时消耗的燃料一定更少
D. 消耗1?kg 柴油，该柴油机由于摩擦损失的能量一定更少
?
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4. 如图为热机工作时的能量流向示意图，则热机的效率可以
表示为( )
B
A. ????=????1+????2+????3+????4????
B. ????=????3????
C. ????=????1+????3+????4????
D. ????=????1+????2+????4????
?
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5. 为了节约能源，需要提高热机效率，关于提高热机效率的
方法，下列说法正确的是( )
D
A. 尽量使用热值大的燃料
B. 采用先进的制造技术，能将热机的效率提高到100%
C. 尽量增加热机工作时间
D. 尽量减少废气带走的热量
?
【点拨】使用热值大的燃料时，完全燃烧相同质量的燃料，
可以产生更多的热量，但是不能提高热机效率，故A错误；
由于摩擦等因素的存在，无法将热机的效率提高到100% ，
故B错误；增加热机工作时间，可以增加对外做的有用功，
但是不能提高热机效率，故C错误；减少废气带走的热量可
以增加燃料产生的热量的利用率，可以提高热机的效率，故
D正确。
?
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6.某款国产汽车，当它在某平直公路上以20?m/s 的速度匀速
行驶时，每百公里的油耗为6?L，汽车行驶300?s ，该汽车消
耗汽油_____L ，假设该汽车在运动过程中受到的平均阻力是
495?N，则汽油机的效率是____% （假设汽油的热值是
3.3×107?J/L ）。
?
0.36
25
【点拨】由????=???????? 得，汽车行驶距离
????=????????=20?m/s×300?s=6?000?m=6?km ，因为每百公里
的油耗为6?L，所以行驶6?km （公里）消耗汽油
????=6100×6?L=0.36?L ；汽油完全燃烧放出的热量
????放=????????=0.36?L×3.3×107?J/L=1.188×107?J ，因为汽
车匀速行驶，所以汽车牵引力????=????=495?N ，牵引力做功
????=????????=495?N×6?000?m=2.97×106?J ，汽油机的效率
????=????????放=2.97×106?J1.188×107?J=0.25=25% 。
?
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7. 能量转化的过程在人体内不断地发生。
食物也是一种“燃料”，其营养成分在人体细胞中与氧结合，
提供细胞组织所需的能量。一袋饼干的营养成分表上标有“
2?360?kJ/100?g ”，该标识的含义与以下物理量的含义类似的
是( )
?
A
A. 热值 B. 热量 C. 比热容 D. 内能
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8. ［2025·北京朝阳区期末］干木柴、
焦炭和无烟煤的热值如图所示，下列说
法正确的是( )
C
A. 在完全燃烧的条件下，无烟煤放出的热量最多
B. 在质量相同的条件下，干木柴燃烧放出的热量最少
C. 0.5?kg焦炭的热值等于1?kg 焦炭的热值
D. 燃烧0.5?kg焦炭放出的热量小于燃烧1?kg 焦炭放出的热量
?
热值是燃料本身的一种特性，
其大小只与燃料的种类有关，与质量大
小、燃烧程度无关。
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9. 甲、乙两台汽油机，甲的功率是乙的2倍，甲的效率是
30%，乙的效率是20% ，那么甲、乙在相同时间内所消耗汽
油的质量之比为( )
?
D
A. 3:4 B. 2:3 C. 3:2 D. 4:3
?
【点拨】设甲的功率为????甲，效率为????甲，乙的功率为????乙 ，效
率为????乙，汽油的热值为????，做功时间为????，甲在时间???? 内做的
有用功????甲=????甲????，乙在时间????内做的有用功????乙=????乙???? 。由题
意知????甲:????乙=2:1，????甲:????乙=30%:20%=3:2；甲在时间????
内消耗的总能量????甲=????甲????甲=????甲????????甲，甲在时间???? 内的耗油量
????甲=????甲????=????甲????????甲????；同理可得乙在时间????内的耗油量????乙=????乙????????乙???? ；
?
甲、乙两汽油机在相同时间???? 内的耗油量之比
????甲:????乙=????甲????????甲????:????乙????????乙????=????甲????甲:????乙????乙=????甲????乙:????甲????乙=21:32=4:3 。故选D。
?
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10. 如图所示，
在“比较不同燃料燃烧时放出的热量”
实验中，下列说法正确的是( )
A
A. 研究方法是控制变量法和转换法
B. 研究对象是烧杯中被加热的液体
C. 实验中还需要的器材是天平和秒表
D. 相同时间内温度计示数越大，该燃料的热值一定越大
【点拨】实验中控制燃料的质量相
同,被加热物体的种类、质量和初
温相同，采用的是控制变量法；实
验中通过温度计示数的变化来反映
燃料燃烧放出热量的大小，采用的是转换法，故A正确；该
实验比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量，研究对象
是燃料，故B错误；实验中不需要控制加热的时间相同，所
以不需要秒表，故C错误；相同时间内，由于燃料的燃烧情
况不知，所以不能判定热值的大小，故D错误。
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11.［2025·绵阳期末］新农村建设中广泛使用一种小型农用
柴油机，该柴油机为单缸四冲程内燃机，输出功率为8?kW 。
正常工作1?min，该柴油机输出的有用功为__________J ，若
效率为40%，这段时间消耗柴油_____kg 。（取
????柴油=4.0×107?J/kg ）
?
4.8×105
?
0.03
三、课堂总结
热机的效率
①分类：固体燃料、液体燃料、气体燃料.
②燃料燃烧过程中化学能转化为内能.
①定义：燃料完全燃烧时放出的热量与燃料质量之比.
是燃料的一种特性.
②公式：固体q=???????? 气体q=????????
③单位：焦/千克（J/kg）、焦/米3（J/ m3 ）
①热机的效率：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.
② 公式：η =????有???????????放?×100%
③提高热机效率的方法：利用废气的能量、
减少机械摩擦、尽量使燃料充分燃烧.
?
燃 料
热 值
热机的效率
必做作业：从教材习题中选取；
选做作业：完成练习册本课时的习题.
谢谢观看！

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