14.4 跨学科:热机效率和环境保护学案

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14.4 跨学科:热机效率和环境保护学案

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【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。
【自主学习】
1.常见的燃料有________、________、________等,部分地区还用________等作为燃料。
2.人们把某种燃料________释放的________与所用________燃料的________,叫作这种燃料的热值。热值用字母 q 表示,在国际单位制中,热值的单位是________ 。燃料热值的定义式为q= ________
3.气体燃料的热值: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____________放出的________热量与所用该种气体燃料的________,单位是________
4.热机运转中,做________与燃料完全燃烧所释放能量的比值称为热机效率。
公式η=________
5.为合理利用能源,人们一直在努力提高热机效率,其主要途径是________________。首先要减少燃烧过程中的__________,其次要尽量简化__________分,并选用优良的润滑材料减小__________,以减少能量损失。
【合作探究】
1.燃料的种类
常见的燃料有________、________、________等,部分地区还用________等作为燃料。
柴薪取暖 天然气取暖 汽车加汽油
2.燃料的热值
(1)定义:人们把某种燃料______________________________________叫作这种燃料的热值。热值用字母 q 表示。
(2)燃料热值的定义式以及单位:_________
Q表示燃料完全燃烧释放的热量,单位是_________,符号为 J;
m表示固、液体燃料的质量,单位是_________,符号为kg;
q表示燃料的热值,单位是_________,符号为_________ 。
(3)热值的物理意义
热值在数值上等于___________________________。
如木炭的热值为3.4×107J/kg,它表示_________________________________________________。同种燃料的热值_______,不同种燃料的热值一般______。
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
问题1:表中哪种常见燃料的热值最高?哪种最低?
问题2:热值的单位是什么?它表示什么物理意义?
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?
问题4:同样质量的煤和天然气,完全燃烧放出热量谁更多?
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______________________________________________________
(2)定义式以及单位:__________
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__________,符号为J/m3。天然气的热值为3.3×107~4.5×107J/m3它表示______________________________________________________________________
1.热机燃料的能量走向
热机工作时,燃料不能_______,且燃烧释放的能量也不能全部用来对外做_________,有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。
2. 热机效率
(1)定义:热机运转中,做_________与燃料_________________________称为热机效率。
(2)公式η =_________热机效率表示使用热机时对燃料的_________,是热机性能的重要指标。
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)
汽油机:20%–40%(普通);26%–45%(高效机型)
柴油机:30%–45%(普通);喷气式发动机(燃气轮机类):50%–60%
34%–46%(高效机型)
4. 提高热机效率的主要途径
(1)首先要减少燃烧过程中的_________
①燃料尽可能_________
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_________,减少因克服摩擦做功而消耗的_________。
(3)充分利用废气带走的热量
如利用废气_________、涡轮_________、余热利用等,提高能量利用率。
给汽车发动机加润滑油
“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”。
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,实现永远不停地运动。
想一想,它真的能一直不停地运动下去吗?
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__________,使大气十分_________,可吸入颗粒物(PM2.5)造成_________,损害_________系统。
排放的二氧化硫和氮氧化合物会形成_________,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_________,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_________、水体缺氧,破坏生态平衡。
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_________个缔约方。
(2)我国坚持走_________、_________、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。
思考讨论:在热机使用过程中应采用哪些措施保护环境?
学科综合 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。
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。
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;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。
(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增强全民环保意识,倡导绿色低碳生活。
【归纳整理】
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= Q/m
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= Q/v
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=W有用/Q放 ×100%
4.环境保护
热机造成的环境污染:主要是大气污染
【课堂练习】
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
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
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
【课后巩固】
查阅资料并比较,质量为 1 kg 的煤、汽油和木炭完全燃烧,释放的热 量分别是多少?哪个的热值最大?
2. 为区分优质煤粉与掺杂了矸石粉末的劣质煤粉,最恰当的方法是检测 下列物理量中的哪个?请说明理由。
A. 热值 B. 比热容 C. 温度 D. 质量
3. 现代火箭用液态氢作燃料,是因为它具有(  )。
A. 较大的比热容 B. 较低的沸点 C. 较大的热值 D. 较高的凝固点
4. 下列与火箭燃料有关的说法中,正确的是(  )。
A. 火箭燃料燃烧越充分,其热值越大
B. 燃料燃烧释放的热量越多,热机效率越高
C. 燃料用了一部分后,质量变小,热值变小
D. 火箭发射升空时发动机内的能量转化与汽油机的做功冲程类似
5. 为了缓解能源紧缺问题,提高热机的效率变得越来越重要。下列有关 热机效率的说法中,正确的是(  )。
A. 尽量减少热机内部各部件间的摩擦可提高热机效率
B. 使用的燃料热值越高,热机的效率越高
C. 目前有些新型燃料汽车实现了“零排放”,它们的热机效率可达到 100%
D. 柴油机的效率一般低于汽油机的效率
6. 干木柴的热值是 1.2×107 J/kg,它的物理意义是 ___________________。 4 kg 的干木柴完全燃烧,能放出 ________________J 的热量。
7. 热机在能的转化过程中不可避免地要损失一部分能量,并且会对环境 造成一定程度的污染。请指出热机工作过程中存在的各种形式的能量损失,同 时说明可能造成哪些环境污染。
1.宜红茶是宜都特产,全国农产品地理标志。如图所示,“围炉煮宜红茶”是喝茶爱好者一种休闲方式,一般采用木炭作为燃料,用陶土壶作煮具。下列描述不正确的是( )
A.茶沸腾时壶盖被顶起,此过程和热机的做功冲程原理相同
B.煮茶结束后剩余木炭的热值减小
C.用陶土壶盛茶水是因为它的保温性能好
D.用木炭小火慢煮是为了方便茶汁充分释放
2.汽油机是通过燃烧汽油来工作的,汽油的热值为。下列说法正确的是( )
A.如图所示为汽油机的做功冲程 B.汽油燃烧不充分,其热值不变
C.燃烧汽油一定能释放能量 D.汽油机的效率越高,说明做功越快
3.为全面推进乡村振兴计划,加快农业农村绿色发展,我市部分农村地区已经使用上了煤气烧水煮饭。在1个标准大气压下,小滨用煤气灶加热初温为20℃,质量为10kg的水,已知煤气灶的加热效率为50%,消耗的煤气质量为0.09kg,煤气的热值为,水的比热容为。下列说法正确的是(  )
A.煤气燃烧过程中将化学能转化为电能 B.煤气燃烧过程中其热值不断减小
C.水升高的温度为45℃ D.水吸收的热量为
4.汽车是现代生活中最常见的一种交通工具,如图是某汽车发动机的能量流向图。下列说法正确的是(  )
A.燃料燃烧时将化学能转化为内能
B.汽车所排出的尾气格外烫,主要是方向4的能量损失
C.及时给汽车的各个部件添加润滑油,是为了减少方向2的能量损失
D.为节能,冬天汽车都会利用尾气中的余热给车内供暖,该举措大大提高了燃料的能量利用率
5.中国翼龙-3无人机搭载的重油发动机,如图所示,它相比传统汽油发动机,具有续航时间长、抗爆性好的特点。重油的热值高于汽油(),若两种发动机输出功率相同(即单位时间内对外做的有用功相同),则在相同工作时间内( )
A.重油发动机消耗的燃料质量一定更小
B.汽油发动机的热机效率一定更低
C.重油发动机燃料燃烧释放的总能量一定更多
D.两者燃料燃烧释放的内能转化为有用功的比例可能相同
6.小明在水壶中装入质量为1.1kg、初温为20℃的水,放在燃气灶上加热,在标准大气压下把水加热至恰好沸腾,消耗的天然气。已知,,此过程中,天然气完全燃烧释放热量________J,该燃气灶烧水的效率为________。
7.学习了燃料的热值后,小王自己设计实验来探究酒精和碎纸片的热值大小。
燃料 加热前水温℃ 燃料燃尽时水温℃ 燃料的热值J/kg
酒精 15 35 2.4×106
碎纸片 15 25 ?
(1)实验装置如图所示,你认为图中器件的安装顺序是________(选填“由下而上”或“由上而下”);
(2)为保证实验结论的可靠,且方便比较,小王同学在实验中应保持两杯水的初温、________、________、以及两个烧杯都应相同;
(3)实验数据记录如表,根据表中数据,计算出碎纸片的热值是________J/kg;
(4)通过实验得到的燃料热值与实际相比偏________(选填“大”或“小”),出现这样情况的主要原因是________。(写出一点)
【课后评价】
这节课我给自己☆☆☆☆☆颗星。
【参考答案】
【课前预习】
1.煤 石油 天然气 木材 2.完全燃烧 热量 质量之比 J/kg Q/m 3.完全燃烧 体积之比 J/m3
4.有用功 W有用/Q放 ×100% 5.减少热机工作中的各种能量损失 热量损失 机械传动部 摩擦
【合作探究】
探究点一:
答案:1.煤 石油 天然气 木材 2.(1)完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比(2)q= Q/m 焦 千克 焦/千克J/kg (3)1kg某种燃料完全燃烧放出的热量 1kg木炭完全燃烧时放出的热量是3.4×107 相同 不同 问题1参考答案: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。
问题3参考答案: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。
4.(1)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)q= Q/V 焦/米3 1m3天然气完全燃烧时放出的热量是3.3×107~4.5×107J。
探究点二:
答案:1.完全燃烧 有用功2.(1)有用功 完全燃烧所释放能量的比值(2)W有用/Q放 ×100% 利用率的高低4.(1)热量损失①完全燃烧(2)摩擦 能量(3)预热 增压
想一想参考答案: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。
探究点三:
答案:1.(1)烟尘 浑浊 雾霾呼吸 酸雨(2)噪声(3)升高 2.(1)198(2)绿色 低碳思考讨论参考答案:(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。
【课堂练习】
1.答案:D
【解析】
热值是燃料的一种属性,同种燃料的热值相同。燃料燃烧时放出的热量与是否完全燃烧、燃料的热值和质量都有关系,因此热值大的燃料燃烧时放出的热量不一定多。故选D。
2.【答案】D
【详解】A.能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一,不遵循能量守恒定律的事情不存在,故A错误;
B.一个物体在任何情况下都具有内能,所以火箭飞入太空后,太空温度很低,其内能也不为零,故B错误;
C.热值是燃料的一种特性,只决定于燃料的种类,与燃烧情况等无关,故C错误;
D.使燃料燃烧更充分释放出更多热量,可以提高热机效率,故D正确。
故选D。
3.答案:A
【解析】
A.现代热机的出现,改变了人类的工作方式和生存条件,故A正确;
B.热机的使用虽然对环境造成了极大的污染和破坏,但促进人类的文明进程,应更加合理地使用热机,故B错误,不符合题意;
C.用新动力取代热机需要我们开发出经济环保的可持续利用的新能源,现在的技术水平传统的热机无法被全部取代,故C错误,不符合题意;
D.现在大气污染的主要途径就是利用化石能源的结果,我们应尽量减少热机的使用带来的污染,故D错误,不符合题意。
故选A.
【课后巩固】
基础练习
1.答案:煤、汽油和木炭的热值分别为:2.9 ×107J/ kg、4.6×107J/kg、3.4 ×107J/kg,汽油的热值更大。1kg煤、汽油和木炭完全燃烧放出的热量分别为2.9×107J、4.6×107J、3.4×107J。 汽油的热值更大。
2.答案:A;热值是燃料的一种特性,是指1kg某种燃料完全燃烧时放出的热量;相同质量的燃料,热值越大的燃料在完全燃烧释放出的热量越多,燃料的质量越好;掺杂了砰石粉末的劣质煤粉热值降低,所以可以用热值来区分优质煤粉与劣质煤粉,而从比热容、质量、温度无法区分。
3.答案:现代火箭用液态氢作燃料,是因为它具有较大的热值,完全燃烧相同质量的燃料,液态氢燃烧时放出的热量会更多。 故选:C。
4.答案 解:A.热值是燃料的一种特性,只决定于燃料的种类,与质量和燃烧情况等无关,故A错误;
B.热机效率是有用功和总功的比值,和燃料放热多少无关,故B错误;
C.燃料用了一部分后,质量变小,热值不变,故C错误;
D.火箭发射过程的能量转化是内能转化为机械能,汽油机的做功冲程的能量转化是内能转化为机械能,所以它们的能量转化相同,故D正确。故选:D。
5.A.热机在工作过程中,由于摩擦、散热等原因,会损失一部分能量。减少摩擦可以减少能量损失,从而提高热机效率。因此,减少摩擦是提高热机效率的有效方法之一。
B.燃料的热值是指单位质量燃料完全燃烧所释放的热量,它影响的是热机的能量来源,而不是热机的效率。热机效率取决于能量转化的效率,而不是燃料热值的高低。
C.任何热机都不可能将燃料燃烧释放的热量100%转化为机械能,总会有部分能量以热能等形式散失。因此,热机效率不可能达到100%。
D.实际上,柴油机的效率通常高于汽油机,因为柴油机压缩比更高,燃烧更充分,能量利用率更高。
6.答案:(1)干木柴的热值是1.2×107J/kg,它的物理意义是:完全燃烧1千克的干木柴,放出的热量是1.2×107J; (2)完全燃烧4kg的干木柴放出的热量: Q=mq= 1.2×107J/ kg×4kg= 4.8×107J。
7.答案 解:热机存在的能量损失:热机排出的废气仍有很高的温度,因此要损失一部分内能、另外还有燃 料燃烧不充分和克服摩擦做功等;热机可能造成的环境污染有:(1)尾气排放造成的污染;(2)燃料燃烧排放的烟尘使大气变得十分浑浊(粉尘);(3)废渣污染(未烧尽的残渣);(4) 噪声污染。
能力提升
1.【答案】B
【详解】 A.茶沸腾时,壶内产生大量水蒸气,水蒸气对壶盖做功,水蒸气的内能转化为壶盖的机械能;热机的做功冲程是高温高压的燃气推动活塞做功,将内能转化为机械能,两者原理相同,故A正确,不符合题意;
B.热值是燃料的一种特性,它只与燃料的种类有关,与燃料的质量、燃烧情况等无关。煮茶结束后,木炭的热值不变,故B错误,符合题意;
C.陶土是导热性差,用陶土壶煮茶可以减少热量散失,起到较好的保温作用,故C正确,不符合题意。
D.用木炭小火慢煮,可以使茶水在较长时间内保持较高的温度,有利于茶汁充分溶解到水中,使茶味更浓,故D正确,不符合题意。
故选B。
2.【答案】AB
【详解】A.如图所示,气门全部关闭,活塞向下运动,火花塞点火,是汽油机的做功冲程,故A正确;
B.热值是燃料的固有特性,只与燃料的种类有关,与燃烧是否充分无关,所以汽油燃烧不充分,其热值不变,故B正确;
C.汽油的热值为,表示完全燃烧1kg汽油释放的热量为,若燃烧不充分,释放的热量会小于该值,故C错误;
D.汽油机的效率反映的是输出的有用机械能占燃料完全燃烧放出总能量的比例,做功快慢用功率表示,效率与功率无直接关联,故D错误。
故选AB。
3.【答案】C
【详解】A.煤气燃烧过程中将化学能转化为内能,故A错误;
B.燃料的热值是燃料的特性,只与燃料的种类有关,与燃料的质量和燃烧程度无关,所以燃料在燃烧过程中其热值不变,故B错误;
CD.煤气燃烧放出的热量为
煤气灶的加热效率为50%,则水吸收的热量为
水升高的温度为,故C正确,D错误。
故选C。
4.【答案】AC
【详解】A.燃料燃烧时化学能转化为高温高压气体的内能,故A正确;
B.高温尾气携带大量能量离开系统,主要是方向3的能量损失,故B错误;
C.润滑油可降低运动部件间的摩擦,从而减少因克服摩擦消耗能量,是为了减少方向2的能量损失,故C正确;
D.尾气余热用于供暖虽提升了能量的综合利用率,但发动机效率定义为有用功与燃料完全燃烧释放的总能量之比,故没有提高。故D错误。
故选AC。
5.【答案】D
【详解】A.当重油发动机消耗的燃料释放的热量较大时,由得,重油发动机消耗的燃料质量可能更大,故A不符合题意;
B.若相同时间内,汽油发动机消耗的燃料释放的热量较小,由得,汽油发动机的热机效率一定更高,故B不符合题意;
C.重油发动机燃料燃烧释放的总能量可能更多、可能相等、可能更小,故C不符合题意;
D.当两者燃料燃烧释放的内能相同时,两者燃料燃烧释放的内能转化为有用功的比例相同,故D符合题意。
故选D。
6.【答案】 44%
【详解】[1]天然气完全燃烧释放热量
[2]水吸收热量
燃气灶效率
7.【答案】(1)由下而上(2) 酒精和碎纸片的质量 两杯水的质量(3)(4)不 存在热量损失或者燃料没有完全燃烧
【详解】(1)实验中用酒精灯加热,需先确定酒精灯的位置,再依次安装铁圈、石棉网、烧杯、温度计,所以安装顺序是由下而上。
(2)[1][2]为保证实验结论可靠且方便比较,应保持两杯水的初温相同、质量相同,同时酒精和碎纸片的质量相同。
(3)酒精加热使水温升高
碎纸片加热使水温升高
相同质量的两种燃料完全燃烧,水吸收的热量与升温成正比,因此碎纸片放出的热量是酒精的,已知酒精的热值,则碎纸片的热值。
(4)[1][2]由于燃料燃烧时会有热量散失(如向空气散热、容器吸热等),且燃料可能没有完全燃烧,导致水吸收的热量小于燃料完全燃烧放出的热量,使得燃料热值与实际相比偏小。
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