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跨学科：热机效率和环境保护
第4节
第十四章内能与热机
（沪科版）九年级
全
01
课标解读
02
学习目标
03
激趣导入
04
新知探究
05
观察思考
06
分析讨论
07
归纳总结
11
作业布置
10
课堂小结
09
练习与应用
08
拓展延伸
课标解读
1.能从跨学科视角认识燃料的热值、热机效率和环境保护的意义等；能认识热机对社会发展所起的作用和对环境的影响。
2.能认识热机效率不能达到 100% 的原因，知道提高热机效率与环境保护的关联，能主动关心空气质量。
学习目标
1.物理观念：知道热值的定义、公式、热机效率、对环境的影响。
2.科学思维：从 “能源利用 - 环境影响” 的关联中，建立 “可持续发展” 的跨学科思维。
3.科学探究：开展 “热机效率影响因素” 小组讨论，基于能量损失途径，提出提高效率的猜想并验证。
4.科学态度与责任：认识 “永动机不可能实现” 的科学依据，树立尊重客观规律的科学态度，培养 “保护环境、共建家园” 的社会责任感。
重点：燃料热值的定义、公式及物理意义，热机效率的定义及能量损失途径，提高效率的具体措施。
难点：从跨学科视角分析 “燃料选择 - 效率 - 环保” 的关联。
学习目标
激趣导入
思考：在日常中我们常听说‘节能减排’，你知道在物理上的含义吗？
“节能” 等于提高热机效率 “减排” 等于优化能量转化过程。
烧水做饭、火力发电、汽车、直入苍穹的火箭等都离不开燃料，使用燃料给人类带来便利的同时还会给环境带污染。
本节就来讨论热机效率和环境保护。
新知探究
一、燃料的热值
1.燃料的种类
常见的燃料有木柴、煤炭、汽油、柴油、酒精、煤气、天然气等。
天然气取暖
汽车加汽油
柴薪取暖
新知探究
2.燃料的热值
（1）定义：人们把某种燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值。热值用字母 q 表示。
（2）燃料热值的定义式以及单位：q=
Q表示燃料完全燃烧释放的热量，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表示燃料的热值，单位是焦/千克，符号为 J/kg。
新知探究
（3）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。
新知探究
3.常见燃料的热值
燃料 热值 q /（J/kg） 燃料 热值 q /（J/kg）
干木柴 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
氢 1.4×108 煤油 4.6×107
观察思考
问题1：表中哪种常见燃料的热值最高？哪种最低？
参考答案：常见燃料里，氢气热值最高为1.4×108J/kg，干木柴热值最低为1.2×107J/kg
问题2：热值的单位是什么？它表示什么物理意义？
参考答案：热值单位为J/kg（焦每千克）；
物理意义：1 kg 某种燃料完全燃烧放出的热量。
交流讨论
问题3：为什么氢气热值很高，但日常生活中很少直接当燃料用？
参考答案：氢气虽然热值高，但难储存、难运输、易爆炸、成本高，所以日常生活很少直接用。
问题4：同样质量的煤和天然气，完全燃烧放出热量谁更多？
参考答案：同样质量下，天然气完全燃烧放出的热量比煤多。因为天然气的热值比煤大，根据Q放=mq在质量 m 相同、都完全燃烧时，热值 q 越大，放出热量 Q 越多。
新知探究
4.气体燃料的热值
（1）定义：对气体燃料而言，其热值也可以采用在标准状态下某种气体燃料完全燃烧放出的热量与所用该种气体燃料的体积之比。
（2）定义式以及单位：q=
V 表示气体燃料的体积，单位是米3 ；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。天然气的热值为3.3×107~4.5×107J/m3它表示1m3天然气完全燃烧时放出的热量是3.3×107~4.5×107J。。
新知探究
部分燃料未完全燃烧
克服摩擦
消耗能量
转化为对外做有用功的能量
废气排出带走能量
机械传热损失能量
二、热机效率
1.热机燃料的能量走向
热机工作时，燃料不能完全燃烧，且燃烧释放的能量也不能全部用来对外做有用功，有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。
新知探究
2. 热机效率
（1）定义：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。
（2）公式η = ×100%
热机效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，是热机性能的重要指标。
新知探究
3. 一些热机的效率
请同学们上网查询蒸汽机、汽油机、柴油机及喷气式飞机发动机的效率，说一说它们各是多少？
蒸汽机：4%–8%（老式）；
6%–15%（改进型）
新知探究
汽油机：20%–40%（普通）；26%–45%（高效机型）
柴油机：30%–45%（普通）；
34%–46%（高效机型）
新知探究
喷气式发动机（燃气轮机类）：50%–60%
归纳总结
4. 提高热机效率的主要途径
（1）首先要减少燃烧过程中的热量损失
①燃料尽可能完全燃烧
如内燃机要掌握火花塞点火或喷油嘴喷油的最佳时间；蒸汽类热机，常将煤研磨成粉状，用风吹入锅炉内燃烧，这样可以使燃料尽可能完全燃烧。
②加隔热材料、改进结构，减少向外界散热。
（2）减小机械摩擦
加润滑油，减小部件间的摩擦，减少因克服摩擦做功而消耗的能量。
（3）充分利用废气带走的热量
如利用废气预热、涡轮增压、余热利用等，提高能量利用率。
给汽车发动机加润滑油
归纳总结
拓展一步
“永动机”能实现吗
一种“永动机”的设想
有人设想的一种能永远运动的装置——“永动机”。
这是历史上非常经典的重力型永动机设计，也叫“滚珠永动机”或“轮子永动机”。
一种“永动机”的设想
设计者的设想：轮子右侧的小球会因滑槽倾斜而滚向轮缘，使右侧力臂更长、力矩更大；左侧的小球则滚向轮心，力臂更短、力矩更小；认为右侧更大的力矩会持续推动轮子顺时针转动，实现永远不停的运动。
拓展一步
想一想，它真的能一直不停地运动下去吗
永动机是试图在不需要消耗能量就可以不断对外做功的机器，这个设计违背了能量守恒定律。实际转动时，右侧小球虽然力臂长，但数量更少；左侧小球力臂短，但数量更多，最终两侧的总力矩会相互抵消，轮子无法获得持续的转动力。另外轴承摩擦、空气阻力等会不断消耗机械能，最终轮子必然会停止转动。
一种“永动机”的设想
拓展一步
视频：永动机
拓展一步
新知探究
三、环境保护
1. 热机造成的环境污染
（1）大气污染
现代工业大量燃烧煤炭、石油和天然气排放的烟尘，使大气十分浑浊，可吸入颗粒物（PM2.5）造成雾霾，损害呼吸系统。
新知探究
排放的二氧化硫和氮氧化合物会形成酸雨，危害植物，污染环境等。
（2）噪声污染
发动机运转、排气、机械振动产生强噪声，影响生活与健康。
（3） 热污染（废热）
热机效率有限，大量余热排入空气或水体，导致局部气温升高、水体缺氧，破坏生态平衡。
新知探究
2. 环境保护
（1）1992年联合国专门制定了《联合国气候变化框架公约》，并于同年在巴西城市里约热内卢签署生效。截至2023年7月，该公约共有198个缔约方。
（2）我国坚持走绿色、低碳、可持续发展道路，在应对全球气候变化上做出了积极的贡献。
讨论交流
思考讨论：在热机使用过程中应采用哪些措施保护环境？
（1）改进热机结构，提高热机效率，减少燃料消耗。
（2） 使用清洁燃料，如天然气、酒精、氢气等。
（3）安装尾气净化装置，减少有害气体排放。
（4）大力发展新能源交通工具，如电动车、太阳能汽车。
（5）减少噪声污染，使用消声器、隔音设备。
（6）节约能源，绿色出行，多乘坐公共交通。
拓展延伸
探究空气质量
1.了解影响空气质量的因素，认识PM2.5 对人体的伤害。
（1）影响空气质量的因素：工厂废气的排放； 汽车、飞机等交通工具尾气：化石燃料（煤、石油、天然气）的燃烧； 植被减少、气候条件（如无风、雾霾天气）等。
（2）PM2.5
①是指大气中直径≤2.5微米的细颗粒物，也叫可入肺颗粒物。
学 科 综 合
② PM2.5 对人体的危害： 颗粒极小，能直接进入支气管、肺泡，甚至进入血液； 引发呼吸道疾病：咳嗽、哮喘、支气管炎、肺炎;
拓展延伸
加重心血管疾病：高血压、心脏病、动脉硬化; 长期吸入会损害肺部功能，影响免疫力，危害健康。
2.了解我国及世界各国治理空气污染的举措。
（1）我国治理空气污染的举措:①调整能源结构，减少煤炭使用，大力发展太阳能、风能、水能等清洁能源。
②改进工厂设备与工艺，安装废气净化装置，达标排放。
③ 推广使用新能源汽车，减少汽车尾气污染。
④加强扬尘治理，建筑工地洒水降尘，禁止秸秆焚烧。
⑤健全法律法规，加强监管与区域联防联控。
⑥植树造林，绿化环境，提高空气质量。
拓展延伸
拓展延伸
（2）世界各国治理空气污染的共同措施
① 制定严格的环保法律与排放标准；②淘汰落后产能，发展清洁能源与绿色技术；
③ 控制机动车尾气，推广公共交通与新能源汽车；
④加强国际/区域合作，共同治理大气污染；⑤提高全民环保意识，倡导绿色低碳生活。
练习与应用
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1kg某种燃料燃烧放出的热量
B. 10kg木炭比1kg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
D
练习与应用
2.2025年10月31日，我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号F遥二十一运载火箭，成功将神舟二十一号载人飞船送入预定轨道，如图所示，下列说法正确的是（　　）
A．火箭的外壳与大气摩擦生热创造了能量，不遵循能量守恒定律
B．火箭飞入太空后，太空温度很低，其内能为零
C．使燃料燃烧更充分可以提高燃料的热值
D．使燃料燃烧更充分可以提高热机效率
D
练习与应用
3.关于热机与环境，下列说法正确的是（　　）
A．现代热机的出现，极大地改变了人类的工作方式和生存条件
B．热机虽然促进人类的文明进程，但同时对环境造成了极大的污染和破坏，我们应该禁止热机的使用
C．随着新材料，新工艺不断涌现，我们现在应该用新动力取代所有传统热机
D．我们要利用热机来改善人类工作条件和生活方式，一点点污染不算啥
A
课堂小结
1.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 q=
2.气体燃料的热值：标准状态下某种气体燃料完全燃烧放出的热量与所用该种气体燃料的体积之比 q=
3.热机效率：做有用功与燃料完全燃烧所释放能量的比值。
η = ×100%
4.环境保护：热机造成的环境污染主要是大气污染。
作业布置
1.完成课后巩固练习
2.预习下一节内容
3.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。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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