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热机效率
第3节
第十四章 内能的利用
初中物理 人教版——九年级全一册 —————————————————————
1.从生活中体会不同燃料燃烧释放热量的本领不同，建立热值的概念；
2.掌握燃料放出热量的公式，并能计算燃料燃烧放出的热量；
3.能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热机效率；
4.熟练运用热机效率公式，根据实际情境中的数据，准确计算热机效率；
5.通过了解能源危机现状与热机效率提升的重要性，增强节能意识与社会责任感，主动关注能源问题、环境问题。
学习目标
重点
难点
新课引入
思考：汽车、轮船、飞机、火箭等都是从哪里获得能量来持续工作的呢？
它们都离不开燃料
新课引入
热机中燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗？
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。
蒸汽机工作时消耗煤
汽油机工作时消耗汽油
柴油机工作时消耗柴油
一、燃料的热值
知识构建
生活中常用的燃料分三种
固体燃料
液体燃料
气体燃料
天然气
酒精
汽油
煤油
核燃料
液氢
柴草
木柴
木炭
蜂窝煤
石油
甲烷
燃料在燃烧时，化学能转化为内能
一、燃料的热值
思考：相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不是相同的？怎么比较它们谁的放热本领强呢？
用煤炉烧水
用木柴烧水
在生活中，我们会发现，同样是将一壶水烧开，需要干木柴的质量比需要煤的质量多得多。
相同质量的煤和干木柴燃烧，
煤放出的热量比干木柴多
与干木柴相比，煤燃烧放出热量的能力更强
一、燃料的热值
1Kg煤
1kg干木柴
VS
实验发现：
燃烧1kg煤放出的热量，是燃烧1kg木柴放出热量的两倍多。
不同的燃料质量都取1kg，让它们完全燃烧，它们放出的热量是一般是不同的。
实验探究
相同质量的不同燃料，点燃后，对相同质量的水进行加热。
大量的实验事实证明，燃烧相同质量的不同燃料，放出的热量是不同的。我们用热值这个概念来表示燃料燃烧放出热量的本领。
实验中应注意的问题：
1、应控制水的质量和初温相等；两种燃料的质量相等；
2、通过观察燃料燃尽（相同时间内）时温度计的示数变化来判断燃料放热能力的强弱。
比较不同物质放热能力
实验目的
铁架台、烧杯、温度计、水、酒精、碎纸片
实验器材
控制变量法和转换法　
实验方法
一、燃料的热值
“热量与其质量之比”可以理解为热值是针对一定质量的燃料而言的，如果同种燃料的质量不同，则完全燃烧时放出的热量大小不同。
3
1
“某种燃料”是说明热值与燃料的种类有关，反映了燃料的燃烧特性、化学能转化成的内能的本领大小。
2
“完全燃烧”的含义是烧完、烧尽。某种燃料，只有在完全燃烧时放出的热量与质量之比才是这种燃料的热值，如果用没有完全燃烧放出的热量计算出的热值就比实际值小。
知识构建
1.热值：某种燃料完全燃烧放出的热量Q与燃料质量m的比。符号：q。
2.公式：q=Q放/m
3.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。
热值
热值在数值上等于1kg或1m3某种燃料完全燃烧放出的热量。
物理意义
例1
1kg的汽油完全燃烧放出的热量是4.6×107J。
汽油的热值是4.6×107J/kg，它的物理意义是什么？
例2
焦炉煤气的热值是1.7×107J/m3它的物理意义是什么？
1m3的焦炉煤气完全燃烧放出的热量是1.7×107J。
一、燃料的热值
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2×107J/kg 柴油 4.3×107J/kg
烟煤 约2.9×107J/kg 煤油 4.6×107J/kg
无烟煤 约3.4×107J/kg 汽油 4.6×107J/kg
焦炭 3.0×107J/kg 氢 1.4×108J/kg
木炭 3.4×107J/kg 焦炉 煤气 约1.7×107J/m3
酒精 3.0×107J/kg 沼气 约1.9×107J/m3
一些燃料的热值
热值是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、形态、体积、是否完全燃烧、放出热量的多少无关。
一、燃料的热值
（1）质量为m的固、液燃料完全燃烧释放的能量：
一、燃料的热值
Q=mq
Q=Vq
燃料燃烧释放热量的计算
（2）质量为V的气体燃料完全燃烧释放的能量：
Q:燃料完全燃烧放出的热量，单位是J。
q:燃料的热值，单位是焦每千克，符号是J/kg。
m:是燃料的质量，单位是kg。
Q:燃料完全燃烧放出的热量，单位是J。
q:燃料的热值，单位是焦每千克，符号是J/m3。
V:是燃料的体积，单位是m3。
例题
汽油的热值是4.6×107J/kg，所以给汽车加30kg汽油，完全燃烧释放的热量是多少？如果完全燃烧相同质量的柴油，能放出多少热量？（柴油的热值是4.3×107J/kg）
理想状态
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热值定义中要求燃料“完全燃烧”，真的可以实现吗？
z
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燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要小。
解：Q汽油=mq汽油
=30kg×4.6×107J/kg
=1.38×109J
Q柴油=mq柴油
=30kg×4.3×107J/kg
=1.29×109J
二、热值的计算
二、热机的效率
1.煤能完全燃烧吗？
不能
2.煤燃烧释放的能量，被有效利用的是哪部分？
被水吸收的热量
3.没有被有效利用的能量去了哪里？
用煤炉烧水
烧水
加热水壶
加热水壶和炉膛
高温烟气带走
直接散失
蜂窝煤完全燃烧释放的能量
煤不能完全燃烧损失能量
煤炉吸收了一部分能量
水壶吸收了一部分能量
高温烟气带走了一部分能量
被水吸收了一部分能量
直接散失了一部分能量
有效利用
蜂窝煤燃烧释放的能量走向
z
假设蜂窝煤完全燃烧
二、热机的效率
汽车发动机中燃料燃烧释放的能量走向
燃料不能完全燃烧损失能量
废气排出带走能量
机械传动克服摩擦做功
机械传热损失能量
转化为对外做有用功的能量
最多
原来各类热机中有效被利用的能量只占燃料燃烧总能量的少部分。
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二、热机的效率
热机效率：热机运转中，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，叫做热机的效率。
z
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锅炉、煤炉等用来加热的装置
演亦文化
蒸汽机、内燃机等用来做功的装置
演亦文化
由于热机不可避免会有能量损失，所以η总小于1。
演亦文化
二、热机的效率
蒸汽机的效率：6%-15%
汽油机的效率：20%-35%
柴油机的效率：30%-45%
z
z
热机的效率普遍比较低。怎样才能提高热机的效率呢？
z
z
在热机的能量损失中，废气就带走了大部分能量。我们一起来探讨下提高热机效率的方法吧
二、热机的效率
方法1
使燃料充分燃烧；
方法2
利用废气的能量；
提高热机效率有哪些方法？
主要措施
方法3
注意保养，保证良好的润滑，减少因克服摩擦而额外消耗的能量；
方法4
在热机的设计和制造上采用先进的技术，（如加装消烟除尘装）,尽量减少各种热量损失。
二、热机的效率
演亦文化
课堂小游戏——想想议议
回答对问题，可以获得积分奖励。
下列措施中哪些提高热机效率？
1.在柴油机中，采用高压共轨喷油技术，将柴油以极高的压力喷入气缸，形成更细密的油雾，让柴油与空气充分混合。
2.给气缸、管道等部件加装隔热材料，如陶瓷隔热涂层，降低热量传递。
3.使用性能优良的润滑油，定期对部件进行润滑，能够有效减小摩擦阻力。
4.热机排出的废气会造成环境污染，所以排出的废气做无公害处理。
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二、热机的效率
热电站
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。
普通火电站：燃料化学能转化为电能，大量热能随废气、冷却水流失，燃料利用率通常在 30% - 40%。
热电站：二次利用废气的余热，实现了能量的梯级利用，将燃料利用率大幅提升至 60% - 80%。
我国北方地区的一些大型热电站，在冬季供暖季，不仅能保障城市居民温暖过冬，还能稳定供应工业生产所需的蒸汽，同时满足了发电和供热的双重需求，极大地提高了能源利用效率。
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二、热机的效率
热机带来的环境污染
热机排出的二氧化碳引起温室效应，对地球表面热平衡有较大影响。
我们的主要交通工具——汽车，是许多城市环境污染的主要来源。排放大量的氮氧化物、碳氧化物和铅，废气和冷却水带走总热量的60%，成为城市热岛效应的元凶之一。此外噪声也是危害身心健康的公害之一。
热机，给人类文明带来了进步，也给环境造成了污染。
保护环境刻不容缓！
二、热机的效率
科学世界
从火车到火箭
1883年发明汽油机。
1884年出现功率巨大的蒸汽轮机。
1892年发明柴油机。
20世纪40年代，飞机开始使用喷气式发动机。
1926 年世界上第一枚液体燃料火箭发射。
17世纪人类发明了最早的热机——蒸汽机。
科学世界
钱学森参与筹备组建我国导弹航空科学研究领导机构航空工业委员会，并受命负责组建我国第一个火箭、导弹研究机构 —— 国防部第五研究院，他担任国防部五局第一副局长、总工程师兼国防部第五研究院院长，后又兼任国防部第五研究院一分院院长，挑起了新中国导弹航天事业技术领导工作的重担。在研究院成立之初，他极具前瞻性地组织科技人员探索固体复合推进剂，设立空气动力研究室，为后续相关研究奠定了良好基础。
钱学森（1911 年 - 2009 年 ）
钱学森，出生于上海，祖籍浙江杭州。他是世界著名科学家，空气动力学家，中国科学院学部委员，中国工程院院士 ，更是中国航天科技事业的先驱和杰出代表，被誉为 “中国航天之父” 与 “火箭之王” 。
钱学森的一生，是为科学事业不懈奋斗的一生，是为国家富强、民族振兴无私奉献的一生。他的卓越成就和崇高精神，激励着无数中国人勇攀科学高峰，为实现中华民族伟大复兴的中国梦而努力拼搏 。
例1.关于热值，下列说法正确的是（ ）
A.某种燃料燃烧时放出的热量与所用该燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值
B.1kg的某种燃料燃烧一半后，其热值减少一半
C.热值大的燃料燃烧时放出的热量多
D.1kg不同的燃料完全燃烧时放出热量多的热值大
知识迁移
D
解：某种燃料完全燃烧时放出的热量与所用该燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值，故选项A错误；热值是燃料本身的一种特性，与燃料的种类有关，与燃料燃烧多少无关，故选项B错误；相同质量的不同燃料，热值大的燃料完全燃烧放出的热量多，故C错误，D正确。
故选D。
热机的效率
热值：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比。符号：q单位：J/kg或J/m3
生活中常用的燃料分为固体燃料、气体燃料、液体燃料。
热值的物理意义：表示燃料燃烧放出热量的本领。
知识小结
热值是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、形态、体积、是否完全燃烧、放出热量的多少无关。
燃料燃烧释放热量：固体燃料：Q=mq 气体燃料：Q=Vq
热机运转中，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，叫做热机的效率。
提高热机效率的方法：使燃料充分燃烧、利用废气的能量、注意保养，保证良好的润滑，减少因克服摩擦而额外消耗的能量、在热机的设计和制造上采用先进的技术，（如加装消烟除尘装）,尽量减少各种热量损失。
热机的效率
燃料的热值

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