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(共25张PPT)
第3节 热机的效率
1.从能量转化和转移的角度认识燃料的热值以及热机的效率。
2.通过讨论燃料热值和热机效率等问题，发展解释和交流能力。
3.通过观察和分析生活中的实例，发现内能禾用的效率问题，能基于事实和证据作出解释，发展利用证据分析问题的能力。
4.通过学习，体会节约能源与保护环境的重要性，具有可持续发展的意识。
教学目标
人类在原始社会时就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭。在现代社会，人类所用能量的很大一部分依然是从燃料的燃烧中获得的。
问题
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
燃料的热值
想想议议
燃料的种类很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、酒精等，气体燃料有煤气、天然气等(下图)。
根据你的经验，质量相等的不同燃料，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。
燃烧质量相等的不同燃料，放出的热量通常是不同的。例如，燃烧1kg煤放出的热量，是燃烧1kg干木柴放出热量的两倍多。
我们把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。
热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
热值的单位由热量的单位和质量的单位组合而成。在国际单位制中，热量的单位是焦耳，质量的单位是千克，则热值的单位是焦每千克，符号是J/kg.
小资料
一些燃料的热值
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2x107J/kg 柴油 4.3x107J/kg
烟煤 约2.9x107J/kg 煤油 1.2x107J/kg
无烟煤 约3.4x107J/kg 汽油 4.6x107J/kg
焦炭 3.0x107J/kg 氢气 1.4x108J/kg
木炭 3.4x107J/kg 焦炉煤气 约1.7x107J/kg
酒精 1.2x107J/kg 沼气 约1.9x107J/kg
从上表中可以查到汽油的热值为4.6x107J/kg，所以如果给汽车加30kg汽油，完全燃烧放出的热量为4.6x107J/kgx30 kg=1.38x109J。
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2x107J/kg 柴油 4.3x107J/kg
烟煤 约2.9x107J/kg 煤油 1.2x107J/kg
无烟煤 约3.4x107J/kg 汽油 4.6x107J/kg
焦炭 3.0x107J/kg 氢气 1.4x108J/kg
木炭 3.4x107J/kg 焦炉煤气 约1.7x107J/kg
酒精 1.2x107J/kg 沼气 约1.9x107J/kg
根据燃料的热值，我们就能计算出燃料完全燃烧放出的热量。
如果完全燃烧质量为30kg的汽油，能放出多少热量
如果完全燃烧质量相等的柴油，能放出多少热量
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2x107J/kg 柴油 4.3x107J/kg
烟煤 约2.9x107J/kg 煤油 1.2x107J/kg
无烟煤 约3.4x107J/kg 汽油 4.6x107J/kg
焦炭 3.0x107J/kg 氢气 1.4x108J/kg
木炭 3.4x107J/kg 焦炉煤气 约1.7x107J/kg
酒精 1.2x107J/kg 沼气 约1.9x107J/kg
从上表中可以查到柴油的热值为4.3x107J/kg，所以如果给汽车加30kg柴油，完全燃烧放出的热量为4.3x107J/kgx30 kg=1.29x109J。
对某些气体燃料，其热值在数值上等于在标准状态下1m3燃料完全燃烧放出的热量，单位是焦每立方米，符号是J/m3。
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2x107J/kg 柴油 4.3x107J/kg
烟煤 约2.9x107J/kg 煤油 1.2x107J/kg
无烟煤 约3.4x107J/kg 汽油 4.6x107J/kg
焦炭 3.0x107J/kg 氢气 1.4x108J/kg
木炭 3.4x107J/kg 焦炉煤气 约1.7x107J/kg
酒精 1.2x107J/kg 沼气 约1.9x107J/kg
燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要少，而且有效利用的热量又比放出的热量要少。
热机的效率
例如用煤烧水，有效利用的热量只是被水吸收的热量，高温的烟气带走了相当一部分热量，还有一部分热量直接散失了。
通常锅炉的燃料利用率比较低，因此在节约能源上有很大的改造潜力。例如，对于取暖用的小型锅炉，如果把煤磨成煤粉或煤粒，以加大煤与氧气的接触面积再把空气吹进炉膛，就会比煤块燃烧得更充分，从而提高燃料的利用率。
对于热机而言，燃料燃烧释放的热量只有一部分用来做有用功，还有相当一部分能量散失了(右图)。
用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫作热机的效率。
要想知道热机的效率，就要先知道燃料完全燃烧放出的热量。
机械损失
废气带走的能量
蒸汽机的效率很低，只有%~15%。
内燃机中，燃料是在气缸内部燃烧的，而且燃料与空气混合充分，燃烧得比较充分，所以内燃机的效率比蒸汽机高。
柴油机的效率为30%~45%。
汽油机的效率为20%~40%
大型发电机常常由汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。这种既供电又供热的热电站，比起一般的火电站，燃料的利用率大大提高。
热机的效率是热机性能的重要指标。在做功同样多的情况下，效率高的热机消耗的燃料少，从而节约能源、减少污染。在设计和制造热机时，要不断改进和创新，以减少各种能量损失，提高效率。
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。
生产的发展需要强大的动力。17世纪，人类发明了热机。最早的热机是蒸汽机。在锅炉里把水烧成水蒸气，水蒸气在汽缸里推动活塞做功。原始的蒸汽机不便于使用，后来许多人对它
科学·技术·社会·环境
从火车到火箭
不断改进，其中贡献最大的是英国人瓦特，他在1782年发明了往复式蒸汽机，使蒸汽机成为可以广泛使用的动力机。这种蒸汽机在之后的一百多年里对工业的发展起到了极其重要的作用。斯蒂芬森以此为基础最先研制了"火箭号"蒸汽机车(右上图)。
电力工业的发展需要功率巨大的热机来带动大型发电机。1884年出现的汽轮机满足了这个需要。大型锅炉产生的高温高压水蒸气直接喷射到汽轮机的叶片上，使汽轮机转动。
早期的飞机是由内燃机提供动力的。
交通运输的发展迫切需要比较轻便的热机，于是内燃机应运而生。内燃机有汽油机和柴油机两大类。汽油机是1883年发明的，柴油机是1892年发明的。内燃机运行时不需要携带很多水和煤，不但轻便，效率也提高了很多。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。
火箭上使用的喷气发动机自带燃料和氧化剂，工作时不需要空气，可以在大气层外工作。
从20世纪40年代开始，飞机上越来越多地使用空气喷气发动机，它需要用大气中的氧气来助燃，向后喷出高速气体，从而获得前进的动力。
在"中国航天之父"钱学森(右图)的带领下，一代代中国航天人不断发展火箭技术，将人造卫星，宇宙飞船，空间站等送入太空(下图)，使我国成为航天强国。
钱学森（1911-2009）
小结
η
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。
练习与应用
燃料完全燃烧放出的热量不仅与燃料的热值有关，还与燃料的质量有关。
不一定。
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
则汽油放出的热量Q放=600J
人对大米的力F数值上等于大米的重力G，因此人对大米做的功W=Fh=Gh=m1gh=5kgx10Nkgx4x3m=600J。
汽油的质量m2=
≈1.3x10-5kg
3.如果干木柴跟煤油完全燃烧时放出的热量相等，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。
即干木柴质量应是煤油质量的3.83倍。
3.83倍。
由Q干木柴=Q煤油，得m干木柴q干木柴=m煤油q煤油
再得
≈3.83倍
4.全球汽车保有量在迅速增长，截至2024年底，我国燃油汽车保有量约为3.2亿辆。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
每辆汽车每年节约燃油的质量为1.8t-1.74t=0.06t，
1.92x107t
每辆汽车每年做有用功所需燃油质量为1.8tx30%=0.54t
每辆汽车内燃机效率提高后每年所需燃油质量为
≈1.74t
则3.2亿辆车每年节约燃油的质量为3.2x108x0.06t=1.92x107t
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。
减少有害气体的排放量，降低对空气的污染；减少燃料的消耗，节约能源；降低运营成本，提高经济效益；促进可持续发展，减轻对化石燃料的依赖。
下课
Thanks!
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