资源简介

1. 知道热机效率是所做有用功与燃料完全燃烧释放总能量的比值，能写出热机效率公式，并理解其衡量能量有效利用程度的物理意义。
2. 理解热机能量流向，知道大部分内能会以各种形式散失到环境中。
3. 认识热机低效是导致能源消耗和环境污染问题的重要因素之一，能说出提高热机效率的主要方法。
4. 树立节能和提高能源利用效率对可持续发展至关重要的意识。
疾驰的赛车依靠内燃机提供强劲动力，内燃机便是典型热机。热机工作时燃料燃烧释放内能，可并非全部内能都用来推动赛车前进，大量热量白白损耗。工程师不断改良热机，正是为了减少能量浪费，提升能量利用程度，这节课我们就一起来学习热机效率。
1.热机一般是通过燃料的 来做功的，燃料燃烧放出的热量， 全部用来做有用功。
2.我们把热机所做的有用功与燃料完全燃烧释放的热量 叫作 ，热机效率是描述热机 的重要指标。
3.热机效率的计算公式：
4.对于热机而言，燃料燃烧的热量只有 能用来做有用功，所以热机效率一定 1。
5.对热机中能量转化进行研究，可以改进 、有效利用 、减小 。热机效率越高，在消耗相同燃料时，做的有用功越 ；做相同的有用功时，消耗的燃料越 。
【例题1】汽车是现代生活中最常见的一种交通工具，如图甲、乙分别是某汽油机的某冲程及能量流向图。下列有关说法正确的是（ ）
A.甲图是压缩冲程，活塞对气缸内的气体做功，气体的温度升高
B.由乙图可知该汽油机的效率是30%
C.汽车尾气中的“汽油味”越浓燃料燃烧得越不充分，这会降低燃料的热值
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热值
【变式1-1】7. 2023年5月30日9时31分，我国在酒泉卫星发射中心，利用长征二号F火箭成功发射神州十六号载人飞船，16时26分飞船与空间站顺利对接，标志中国空间站进入了应用和发展阶段。下列说法中正确的是（ ）
A.火箭升空时机械能守恒
B.空间站由于惯性绕地球运动
C.火箭利用液态氢做燃料，是因为液态氢的密度小
D.火箭向下喷火使其升空，是由于力的作用是相互的
【变式1-2】2023年5月28日12时31分，自上海虹桥国际机场起飞的国产大飞机C919安全抵达北京首都国际机场（如图），圆满完成了首个商业航班飞行。C919大飞机（ ）
A.机身是由密度大、硬度大的材料制成的
B.加速起飞的过程中所受空气浮力大于重力
C.匀速飞行时机翼上方的空气流速比下方的大
D.大功率航空发动机的效率能达到100%
【变式1-3】2024年4月25日，搭载着神舟十八号载人飞船长征二号F遥十八运载火箭（如图）在酒泉卫星发射中心成功发射。下列说法正确的是（　　）
A.火箭的燃料燃烧得越充分，热值越大
B.火箭发动机工作过程中的热机效率是100%
C.火箭“体内”的液氢燃料温度低至-253℃，内能为零
D.火箭搭载着飞船升空的过程中，飞船的重力势能越来越大
【例题2】如图所示为某折叠卡式炉，采用丁烷气体作为燃料。水壶装入2L初温为25℃的水，用卡式炉加热至100℃，消耗了25g丁烷气体（水的比热容为4.2×103J/（kg·℃），丁烷的热值为4.8×107J/kg）。求：
（1）壶中水的质量；
（2）水吸收的热量；
（3）卡式炉的加热效率。
【变式2-1】使用厨房中的电热水器将质量为0.5kg的水从20℃加热到50℃，该热水器消耗了0.2kW·h的电能。已知c水=4.2×103J/（kg·℃），求：
（1）水吸收的热量；
（2）该热水器的热效率。
【变式2-2】山西拥有丰富的历史文化遗产。暑假期间小明一家从平遥古城自驾前往五台山，进行古建筑研学旅行。平遥古城到五台山全程约360km，驾车前往大约需要4h。（汽油的热值q取4.5×107J/kg，汽油的密度ρ取0.8×103kg/m3）
（1）求汽车的平均速度。
（2）汽车全程消耗汽油25L，求汽油完全燃烧放出的热量Q。
（3）若汽车发动机全程的平均功率为25kW，求汽车发动机的效率。
一、单选题
1.如图是某汽油机的主要能量流向图，下列说法错误的是（　　）
A.减少机械摩擦能提高汽油机效率
B.由图可知该汽油机的效率是72%
C.冬天利用尾气中的余热给车内供暖，可大大提高燃料的利用率
D.尾气中的“汽油味”越浓，说明燃料燃烧的不充分，会减小燃料的利用率
2.涡轮喷气发动机的基本结构如图所示。工作时，空气通过进气口进入压气机被压缩，再进入燃烧室与燃料混合后燃烧，产生的高温高压燃气推动涡轮转动并从尾喷管高速喷出，从而获得动力。下列有关说法正确的是（ ）
A.高温高压燃气推动涡轮转动的过程，相当于内燃机的压缩冲程
B.燃料燃烧放出的热量越多，燃料的热值就越大
C.燃料燃烧越充分，喷气发动机的效率就越高
D.燃气从尾喷管喷出获得动力的过程，其内能增大
3.关于热机效率，下列说法正确的是（　　）
A.热机的效率越高，热机消耗的燃料越少
B.热机的效率越高，热机做的有用功越多，热机的功率就越高
C.热机的效率越高，消耗相同的燃料，热机做的有用功就越多
D.热机的效率越高，热机做相同的有用功，消耗燃料就越多
4.如图为某汽油机工作时的能量流向图，汽油的热值q取。以下说法正确的是（　　）
A.汽油未完全燃烧时的热值比完全燃烧时的小
B.完全燃烧10kg汽油可放出的热量
C.在做功冲程，该汽油机气缸中的气体内能增大
D.该汽油机工作效率可达65%
5.为实现国家“碳达峰”和“碳中和”目标，某汽车集团研发了一款新型汽车。与旧款汽车相比，在相同的油耗和使用条件下，该新型汽车的发动机工作时，汽油燃烧更为充分，尾气中的“汽油味”显著减少，且动力更为强劲。如图所示为其发动机的某一冲程，下列说法正确的是（　　）
A.该冲程是做功冲程
B.该发动机的效率可以达到100%
C.汽油燃烧越充分，其热值就越大
D.闻到尾气中的“汽油味”是由于分子的无规则运动
6.如图为我国武装直升机武直﹣10，采用我国完全自主研发的“玉龙”涡轴航空发动机，它的大致工作过程：空气通过进气道进入压气机，燃料在燃烧室燃烧后，产生的高温高压气体推动涡轮转动，从而输出动力。下列说法正确的是（　　）
A.武直﹣10沿竖直方向匀速上升时，它的机械能保持不变
B.燃料和压缩空气混合后，燃料的热值增大
C.空气进入压气机，被压气机压缩后内能增大
D.燃烧室里的燃料燃烧更加充分时，发动机的效率不变
7.2025年4月24日，搭载神舟二十号载人飞船的长征二号F遥二十运载火箭发射升空，如图所示。下列说法正确的是（ ）
A.飞船在加速上升过程中惯性增大
B.火箭使用的液态氢燃料热值较大
C.火箭加速上升过程中受到平衡力的作用
D.升空过程中，以火箭为参照物，飞船是运动的
8.关于热机效率，下列说法正确的是（　　）
A.热机做的有用功越多，效率越高
B.燃料燃烧越充分，热机效率一定越高
C.减少各种热损失，可提高热机效率
D.使用热值高的燃料，热机效率一定高
9.下列关于热机效率的说法中正确的是（　　）
A.热机的效率是描述热机性能的重要指标
B.通过技术的改进，热机的效率可以达到100%
C.汽车排出的尾气越浓，汽油机的效率越高
D.热机是将燃料燃烧获取的化学能转化为机械能的装置
10.如图所示的是烧锅炉的工人在用煤铲向炉膛送煤时的场景，为了提高锅炉的效率，工人提出了以下方法，其中最有效的是（ ）
A.把大的煤块送进炉膛，并加大送风量
B.把煤粉送进炉膛，并加大送风量
C.把大的煤块送进炉膛，并减小送风量
D.把煤粉送进炉膛，并减小送风量
二、填空题
11.用煤气灶把质量为1kg、初温为20℃的水烧到70℃，消耗了10g煤气。已知水的比热容是 4.2×103J/（ kg·℃），煤气的热值为 4.2×107J/kg，则水吸收的热量为 J，煤气灶烧水的效率为 %。
12.小明在物理笔记本中记录了如下错题，请你帮助他找出错误之处、分析错因并写出正确解答过程。
错题记录 错题改正：
某火锅店选用了一种配备丁烷气罐的新型便携式燃气炉，如图所示，其相关参数如下表。某次在标准大气压下用该燃气炉最大火力将锅内50℃、2kg的水加热至100℃，求消耗丁烷气体的质量。[q丁烷＝5.0×107J/kg，c水＝4.2×103J/（kg ℃）] 最大火力热效率产品净重产品毛重2.5kW60%1.5kg2.0kg
解：水需要吸收的热量 Q吸＝c水m水Δt＝4.2×103J/（kg ℃）×2kg×100℃＝8.4×105J 由η得，丁烷燃烧放出的热量 Q放J 由Q放＝mq得，消耗丁烷的质量 m0.028kg 错误之处：　　 ； 错因分析：　　 ； 正确解答：　　 。
13.某蒸汽机工作时，若燃料完全燃烧放出的热量为，其中转化为机械能的那部分能量为，则该蒸汽机的能量转化效率为 。
14.某新型环保发电站采用秸秆作为燃料进4行发电。已知完全燃烧2kg秸秆，若不考虑热损失，环保发电站将获得的能量，则秸秆的热值为 J/kg。若将燃烧秸秆的质量减半，剩余秸秆的热值 （选填“变大”“变小”或“不变”）。
15.如图甲所示的某国产摩托车的发动机是一台单缸四冲程汽油机，汽油机工作时的能量流向图如图乙所示，则完全燃烧20g汽油（热值为4.6×107J/kg）获得的机械能是 J。如果发动机转速为1800r/min，则发动机每秒钟对外做 次功。
三、综合题
16.据统计，每燃烧1kg燃油约排放3.3kg二氧化碳。为实现碳达峰、碳中和的目标，氢能作为一种绿色低碳的清洁能源在我国交通领域的应用场景不断扩大，使用氢燃料电池的交通工具不断丰富，其应用流程如下。
(1)下列说法正确的是 ；
A.采用氢燃料是利用氢的比热容大
B.氢能源汽车工作过程，氢燃料电池将电能转化为化学能
C.氢能源汽车工作过程中，剩余氢的热值不变
D.使用热值更大的燃料，一定可以增大热机效率
(2)储氢瓶在高压下储存氢气时，瓶内气体的温度会升高，该过程中氢气的内能 （选填“增大”“减小”或“不变”）；汽车冷却系统中，水箱内的液态水通过 （填写物态变化名称）吸收热量，有效降低发动机温度；
(3)以氢燃料电池卡车为例，若卡车在水平路面上匀速行驶72km用时1h，功率为172kW;
①求以当前速度卡车行驶72km消耗的能量为 J；
②与燃油卡车相比，氢燃料电池卡车行驶72km 可减排二氧化碳的质量为 。（燃油机的效率取36%，燃油的热值q取 4.3×107 J/kg）
热机效率
公元1世纪古希腊数学家希罗发明的汽转球，这被认为是世界上第一台蒸汽机，相当于现代蒸汽机的雏形。该蒸汽机更多的类似于玩具，动力小，效率低，几乎不具备使用价值。
到16世纪末，英国诞生了实用蒸汽机。当时英国的采矿业已具相当的规模，特别是煤矿，当时面临最大的问题是矿井地下水排除问题，单靠人力、畜力已难以解决。而煤矿现场又有丰富而廉价的煤，于是就开始了“以火力提水”的探索和试验。早期蒸汽机其实不是利用蒸汽做功，而是利用蒸汽冷凝，造成接近真空的负压，利用大气压将矿井底部的水吸出。此时的蒸汽机效率很低，需要对水加热成水蒸气然后冷凝，循环反复，可以说是时刻上演冰与火的碰撞，因为浪费热量太多而没有推广使用价值，只能在煤价低廉的产煤区使用。
直到1776年，瓦特改良出第一台有实用价值的蒸汽机，使蒸汽机的效率提高了很多，具备工业上使用的价值。即使这样，瓦特改良后的蒸汽机按燃料热值计总效率大约为2%-4%，几乎不可能超过10%。因为其利用大气压强，驱动压力较低，理论最高效率受水在普通大气压下比较低的沸腾温度限制。但也正是因为压力低，相对比较安全，因为在发生损坏的情况下机器向内收缩，而不是向外爆炸。
后期发展出使用高温高压蒸汽的蒸汽机，这为蒸汽机的效率带来了巨大的提高，但也变得更加危险，锅炉和机器的爆炸造成了许多大事故。但这些事故并没有阻碍人们继续研究蒸汽机，反而为人们提供了宝贵经验，蒸汽机不断改良和完善，在各个领域发挥了巨大作用。
蒸汽机利用蒸汽驱动活塞做往复式运动，效率较低，另一种驱动涡轮的机器诞生了，全称为蒸汽涡轮发动机，简称蒸汽轮机，其大幅改善了热效率，并能提供更大的功率，它几乎完全取代了往复式蒸汽机。
早期蒸汽机的效率一般就在10%左右，后期逐步改善，蒸汽机和蒸汽轮机的效率均逐步提高。
蒸汽机效率不高，虽被用于汽车等小型交通工具，但还是过于笨重，噪音大，动力小。1876年，德国发明家奥托成功制作第一台四冲程内燃机，以煤气为燃料，热效率达到14%，这已经是当时最高的效率了。后来又陆续制造出了使用汽油机和柴油机，更加适应交通动输机械的要求。
内燃机除了烧汽油柴油的，还能有烧煤气的，有些汽油机也能直接烧煤气。我国60年代初的石油短缺时期，就广泛存在一类车，就是以煤气为燃料，称为“气包车”，车顶用橡胶大包把煤层气“包”在里面，并用绳索固定。这里提到的“气包车”跟现在的燃气车完全不同，以前“气包车”为常压燃气车，气包里装着常压煤气，包挺大，但实际存气质量不大。所以“气包车”的缺点明显，续航短、动力不足。现在的燃气车用的是CNG，即压缩天然气，不同于煤气，储存形式也不同，现在的因为压缩液化，实际燃料储量较大，动力跟续航情况跟燃油车差距不大，甚至还有成本低的优势。
参考答案
一、课前填空
1. 燃烧；不能
2. 之比；热机效率；性能
3.η=W 有用 / Q 放 ×100%
4. 一部分；小于
5. 热机结构；废气余热；摩擦损耗；多；少
二、例题与变式
例题 1：B
变式 1-1：D
变式 1-2：C
变式 1-3：D
例题 2 （1）壶中水的质量为：
m水=ρ水V水=1.0×103kg/m3×2×10-3m3=2kg
（2）水吸收的热量为：
Q水=c水m水Δt水=4.2×103J/（kg·℃）×2kg×（100－25）℃=6.3×1.05J
（3）丁烷放出的热量：
Q丁烷=m丁烷q丁烷=2.5×10-2kg×4.8×107J/kg=1.2×1.06J
卡式炉的加热效率为：
变式 2-1 （1）水吸收的热量为：
Q吸=c水m（t－t0）=4.2×103J/（kg·℃）×5kg×（50℃－20℃）=6.3×105J
（2）该热水器的热效率为
变式 （1）汽车的平均速度
（2）全程消耗汽油的体积为
V=25L=0.025m3
汽油的质量为
m=ρV=0.8×103kg/m3×0.025m3=20kg
汽油完全燃烧放出的热量
Q=mq=20kg×4.5×107J/kg=9×108J
（3）汽车全程所做的有用功为
W=Pt=25×103W×4×3600s=3.6×108J
则汽车发动机的效率
三、单选题
1.B 2.C 3.C 4.B 5.D
6.C 7.B 8.C 9.A 10.B
四、填空题
11.2.1×105；50
12. 错误：直接用 100℃计算温差；错因：温差应为 50℃；正确吸热 4.2×105J
13.η=W 机械 / Q 放 ×100%
14.q=Q/m；不变 15.28%；2.576×105J；15
五、综合题 16 (1) C (2) 增大；汽化 (3)①6.192×108J

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