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第十四章 内能与热机
第四节 跨学科：热机效率和环境保护
预习清单
1.人们把某种燃料__________释放的热量与所用燃料的质量之比,叫做这种燃料的热值。
2.热值的符号是______,单位是______或______,计算公式:______。
3.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__________。
完全燃烧
q
J/kg
J/m3
q=
热机效率
导入新课
烧水做饭、火力发电、直入苍穹的火箭等都离不开燃料。从人类学会用火至今,人们使用的能量绝大部分还是通过燃料的燃烧获得的。燃料燃烧是化学能转化为内能的过程。相同质量的不同燃料燃烧,释放的热量是否相同 使用燃料给人类带来便利的同时,还会给环境带来怎样的问题 本节将讨论这些问题。
任务一：燃料的热值
1.热值的定义和公式
从原始人学会用火起,到我们日常烧水做饭,现代科技的汽车、飞机、火箭等都离不开燃料的使用。人类使用的能量绝大部分是通过燃烧燃料的方式获得的。下面我们先来了解一下燃料。我们把能够燃烧的并放出热量的物质叫做燃料。大致可以分为三类——固体燃料、液体燃料、气体燃料。燃烧是将化学能转化为内能的过程。
任务一：燃料的热值
提问:用质量相同的酒精和干木柴分别给两杯完全相同的水加热,水升高的温度相同吗
在相同的环境中,质量相同的酒精与干木柴相比,酒精燃烧放出的热量多。
为了比较燃料的特性,引入了“热值”这一物理量。
任务一：燃料的热值
热值的定义: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,在国际单位制中,热值的单位是J/kg。
热值的计算公式为q=,其中Q表示燃料完全燃烧释放的热量,单位是J,m表示燃料的质量,单位是kg。
任务一：燃料的热值
2.热值的物理意义
自主学习常见燃料的热值。试着从表中查出干木柴、酒精的热值,说说它们所表示的物理意义。
干木柴的热值为1.2×107J/kg,物理意义为1kg的干木柴完全燃烧放出的热量为1.2×107J。而酒精的热值为3×107J/kg,物理意义为1kg的酒精完全燃烧所放出的热量是3×107J。
任务一：燃料的热值
问题:同学们都知道汽车用汽油作为燃料,但火箭使用的燃料是液态氢,这是为什么呢
液态氢之所以能成为火箭的燃料是因为它的热值大。
任务二：热机效率
问题:烧水时,水能不能吸收天然气燃烧放出的全部热量 请说明理由。
一定是不能的。首先人们在用炉子烧水时靠近炉子会感到很热,这些都是由天然气燃烧释放的散失在空气中的热量。其次,容器进行热传递,将热量间接传递给水的过程势必会有一部分热量被消耗或是用于加热容器了。
问题:热机工作时能不能将燃料燃烧的热量全部用来对外做功呢 如果不能,能量流到哪里去了
任务二：热机效率
热机燃料的能量走向示意图:
任务二：热机效率
水吸收的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比,叫做用炉子烧水的效率。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。
热机效率公式:η=×100%
任务二：热机效率
问题:如图所示,随着时代的发展,热机的效率不断提升。想一想热机的效率为什么总小于1。
因为燃料燃烧不充分,有摩擦等能量损耗。
任务二：热机效率
问题:有哪些途径可以来提高热机的效率呢
加润滑油减小摩擦,让燃料燃烧更充分等。
总结:提高热机效率的途径主要有以下几种。
(1)采用先进技术提高燃料利用率,使燃料充分燃烧。
(2)改进热机,减少各种能量损失。
(3)利用废气中的能量。
任务二：热机效率
生活中提高热机效率的实例:
(1)优化燃烧系统:许多汽车制造商采用了直喷技术。传统的进气道喷射是将燃油喷入进气管,与空气混合后再进入气缸;而直喷技术则是直接将燃油喷入气缸内,这样可以更精准地控制燃油喷射量和喷射时间,使燃油与空气混合得更加充分,提高燃烧效率,进而提升热机效率。
任务二：热机效率
生活中提高热机效率的实例:
(2)涡轮增压技术的应用:通过涡轮增压装置,利用发动机排出的废气能量驱动涡轮增压器,从而提高发动机的进气压力,使更多的空气进入燃烧室,让燃料燃烧更充分,不仅提高了发动机的功率,还提升了热机效率,降低了燃油消耗。
任务二：热机效率
生活中提高热机效率的实例:
(3)减小机械摩擦:汽车发动机在设计时,使用低摩擦涂层处理活塞与气缸壁,同时采用低张力轴承,减小轴承与轴之间的摩擦,并且选用低黏度润滑油,这样在保证发动机正常运转的同时,减少了因摩擦而消耗的能量,提高了热机效率。
任务二：热机效率
自主学习“拓展一步”,思考永动机能否实现。
永动机不能实现,因为违背能量守恒定律。
任务三：环境保护
问题:人类不断改进热机技术,为人类的生活带来了极大的便利,但为我们的生态环境带来了危害。请同学们各抒己见,讨论热机带来哪些环境危害。
热机的广泛使用带来了空气污染、噪声污染、气候变化等环境危害。
任务三：环境保护
热机使用带来的危害:
汽车排出废气
雾霾
温室效应
任务三：环境保护
1.环境污染:
(1)废气排放:热机燃烧化石燃料(石油、天然气、煤炭等)会产生大量有害气体,如一氧化碳(CO),它是一种无色无味的有毒气体,会与人体血红蛋白结合,阻碍氧气输送,严重时可导致中毒甚至死亡;氮氧化物会形成酸雨、化学烟雾,危害人体呼吸系统,还会对植物生长造成损害;碳氢化合物在阳光照射下会与氮氧化物发生光化学反应,形成光化学烟雾,刺激人的眼睛和呼吸道,对环境和人体健康危害极大。
任务三：环境保护
1.环境污染:
(2)颗粒物排放:热机排放的颗粒物中包含可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5),这些微小颗粒能长时间悬浮在空气中,可深入人体肺部,引发呼吸道疾病、心血管疾病等,还会降低大气能见度,影响交通和生态环境。
任务三：环境保护
1.环境污染:
(3)噪声污染:热机工作时,内部的机械部件相互摩擦、碰撞以及气体的流动等会产生强烈的噪声。长期暴露在高噪声环境中,会对人的听力造成损害,引发耳鸣、听力下降等问题,还会干扰人们的正常生活、工作和学习,导致烦躁、失眠、注意力不集中等。
任务三：环境保护
2.能源危机：
热机大量消耗化石能源,而化石能源是不可再生资源,储量有限。随着全球热机数量的不断增加,对化石能源的需求持续攀升,加速了能源的枯竭速度,使能源危机日益严峻,影响全球经济的可持续发展。
任务三：环境保护
3.温室效应:
热机燃烧燃料释放出大量的二氧化碳(CO2),CO2是主要的温室气体之一。随着热机使用量的增多,大气中CO2 浓度不断上升,加剧了全球气候变暖,导致冰川融化、海平面上升、极端气候事件频发等一系列环境问题,威胁着地球上的生态系统和人类的生存环境。
任务三：环境保护
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积极的贡献。习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出“双碳”目标,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到历史峰值,努力争取2060年前实现碳中和。
核心总结
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。
2.热值的物理符号是q,热值的单位是J/kg,热值的计算公式为q=,其中Q表示燃料完全燃烧释放的热量,单位是J,m表示燃料的质量,单位是kg。
3.热机效率:热机运转中,做有用功与燃料完全燃烧所释放能量的比值。
课堂练习
1.2025年4月24日,搭载着神舟二十号载人飞船的长征二号F遥二十运载火箭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.火箭用液态氢做燃料,是因为液态氢热值大
C.火箭“体内”的液氢燃料温度低至-253℃,内能为零
D.火箭发动机工作过程中的热机效率是100%
B
课堂练习
2.火箭发射需要发动机,如图所示是我国自主研制的世界上推力最大的整体式固体发动机。用固态推进剂作燃料,已知固态推进剂热值约为8.8×106J/kg,完全燃烧2kg的固态推进剂可放出___________J的热量;若推进剂未能完全燃烧,则其热值将_______(选填“变大”“变小”或“不变”)。
1.76×107
不变
课堂练习
解:
谢谢观看
Thank you

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