13.4 热机效率和环境保护 课件 2021--2022学年沪科版物理九年级全一册（36张ppt)

(共36张PPT)
第十三章
内能与热机
第四节
热机效率和环境保护
1.从能量转化的角度认识燃料的热值.知道燃料热值的物理意义及其单位。
2.了解内能的利用在人类发展史上的重要意义。
3.通过能量的转化和转移，认识热机效率。
从身边的问题出发：
人类要生存，离不开能量。在现代社会中，人类使用的能量绝大部分都是从燃料燃烧中获得的内能。生活中你见过哪些燃料？燃料燃烧时放出热量的多少与什么有关？燃料燃烧放出的热量给人们的生活带来方便的同时，有没有危害？
固体燃料
煤、木材、桔梗等
液体燃料
汽油、酒精等
气体燃料
煤气、天然气等
燃料燃烧的过程是化学能转变为内能的过程。
新课导入
一、燃料的分类
生活实例
用一捆木柴和一根木柴分别加热质量相同的水，水的温度变化量不同
用不同体积的天然气分别加热质量相同的水，水的温度变化量不同
用相同质量的木柴和煤炭分别加热质量相同的水，水的温度变化量不同
分析以上情境，可以得出：
（1）固体（或液体）燃料放出热量的多少与该燃料的____________
有关，质量越大，放出的热量越多。
（2）气体燃料放出热量的多少与该燃料的____________有关，体积越大，放出的热量越多。
质量
体积
二、燃料的热值
选用这几种不同的燃料，所需的燃料质量相同吗？
思考
新课讲解
【实验设计】选取相同质量的不同燃料，点燃后，对相同质量的水进行加热，比较两杯水温度的升高多少，来确定燃料的放热本领。
实验方法
控制变量法和转换法
点复位，点击黄色和红色按钮。
新课讲解
思想方法
燃料完全燃烧放出热量的多少与多个因素有关，所以在探究燃料完全燃烧放出热量多少与燃料种类的关系时，需要控制燃料质量相同；实验中通过Q吸反映Q放，所以实验中也需要控制被加热的物质种类和质量相同。这里用到了控制变量法。
新课讲解
实验结论：质量相同的不同燃料，放出热量不同。即：燃料完全燃烧放出热量的多少与
___________
有关。为了描述不同燃料的放热能力，物理学中引入了热值。
燃料种类
新课讲解
　　某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。
2.定义：
3.公式：
燃料的燃烧是一种化学反应，燃烧过程中，储存在燃料中的化学能被释放，转变为内能。表示燃料完全燃烧时放热本领的物理量。
1.意义：
　　国际单位：焦每千克；符号：J/kg。
　　气体燃料的单位：焦每立方米；符号：J/m3。
4.单位：
固体或液体
气体燃料
深度理解
“完全燃烧”指的是一定量的物质在一定条件下燃烧时化学能全部转化为内能的现象。但是这种燃烧状态只是一种理想状态，生活中很难满足燃料完全燃烧。
新课讲解
热值定义
常见燃料的热值
燃料
热值q/(J·kg-1)
燃料
热值q/(J·kg-1)
燃料
热值q/(J·kg-1)
干木柴
1.2×107
酒精
3.0×107
氢气
1.2×107
烟煤
2.9×107
柴油
4.3×107
天然气
1.2×107
无烟煤
3.4×107
汽油
4.6×107
液化石油气
1.2×107
焦炭
3.0×107
煤油
4.6×107
木炭
3.4×107
石油
4.4×107
煤气
1.2×107
注意
1.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。
观察对比以上表格中常见燃料的热值，可以得出以下结论：
燃料的热值与燃料种类有关，不同燃料的热值一般不同，热值是燃料的一种特性，其大小与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧均无关系。
特别提醒
一般情况下，固体、液体燃料的热值单位用J/kg，气体燃料的热值单位有时也可以用J/kg。
当没有完全燃烧时，放出的热量虽然少了，
但对应燃烧掉的燃料也少了，故热值不变
新课讲解
一杯酒精倒出一半，剩余酒精的质量、密度、比热容和热值的变化情况是（　　）
A.?质量、密度、比热容和热值不变
B.?质量变为原来的一半，密度、比热容和热值不变
C.?质量和密度变为原来的一半，比热容和热值不变
D.?质量和热值变为原来的一半，密度和比热容不变
【解析】热值是燃料的一种特性，热值的大小只与燃料的种类有关。
典例分析
例
B
(1)对于固体和液体燃料的燃烧放热，可用公式Q＝mq
计算。计算时单位要统一：质量m单位用kg，热值
q单位用J/kg，热量Q单位用J。
(2)对于气体燃料的燃烧放热，常用公式Q＝qV计算。
计算时单位要统一：体积V单位用m3，热值q单位
用J/m3，热量Q单位用J。
三、热机的效率
由于机械传动等，克服摩擦所消耗的能量
燃料很难全部燃烧，燃料的化学能不能全部释放
机械传热损失一部分能量
　热机真正转变为对外做功的部分
废气排出带走的能量
热机运转中，对外做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率。
做有用功的能量
燃料完全燃烧放出的能量
热机效率
定义式
定义
注意
1.热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，从而节约能源，减少污染。
2.热机的效率总小于1。
热机的效率定义
例
用炉具烧水时，将10
kg
的水从20
℃加热到100
℃，燃烧了0.5
kg
的焦炭。水的比热容是4.2×103
J/（kg·℃），焦炭的热值是3.0×107
J/kg。试求：
（1）水吸收的热量是多少？
（2）0.5
kg
焦炭完全燃烧释放的热量是多少？
（3）该炉具烧水的热效率是多少？
新课讲解
炉具热效率类问题模型建立
炉具的能流图
炉具热效率
η
=
×100%
可得：Q吸=η×Q放，Q放=
。
?
?
新课讲解
思路导引：
水的比热容c
水的质量m
水温升高Δ
t
燃料质量m′
燃料热值q
Q吸
Q放
炉具热效率η=
×100%
?
新课讲解
解：（1）水吸收的热量
Q
吸=cmΔt=4.2×103
J/（kg·
℃）×10
kg×（100
℃
-20
℃）=3.36×106
J。
（2）焦炭释放的热量
Q
放=qm′=3.0×107
J/kg×0.5
kg=1.5×107
J。
（3）该炉具烧水的热效率
η
=
×100%=
×100%
=22.4%。
?
?
汽油机的效率为
20%~30%
蒸汽机的效率只有6%~15%
柴油机的效率为30%~40%
喷气式飞机的效率为
50%~60%
新课讲解
常见热机的效率
1.使燃料更加充分地燃烧
2.在设计和制造热机时，不断地改进和创新，以减少各种能量的损失
3.在各零件上涂上润滑油，减少机械间摩擦所损失的能量
4.设法利用废气的能量，提高燃料的利用率
加大与氧气的接触面积
新课讲解
提高热机效率途径
为节约能源，需提高热机的效率，下列说法中错误的是（?
）
A.
尽量使燃料充分燃烧???
B.
尽量减少热机部件间的摩擦???
C.
尽量减少废气带走的热量??
D.
尽量增加热机的工作时间，就可以让热机
的效率达到
100%
D
无论怎么想办法提高热机的效率，都会有热量损耗，所以热机效率无法达到100%。
例
热机效率是指热机有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。所以减少热量的损失可以提高热机的效率。所以使燃料充分燃烧、减少废气带走的热量、减少热机部件间的摩擦都可以减少热量的损失，
提高效率。
三、环境保护
热机为人类的发展做出了重大贡献，但也带来了许
多环境污染问题。
1.
热机的利用带来的环境污染主要有大气污染和噪声污染。
2.
燃料造成大气污染的主要原因是：燃料中有杂质，燃烧会生成二氧化氮、二氧化硫和一氧化碳等有害气体和粉尘。
3.
为了保护环境，人们采取措施，减少废气和粉尘的污染以及噪声污染。
保护的环境的措施：
1.
改进燃烧设备，加装消烟除尘装置;
2.
集中供热；
3.
改用气体燃料，普及煤气和天然气；
4.
充分开发利用污染少和无污染的新能源。
热机的广泛使用极大地促进了社会的发展，但同时也带来了环境污染问题。热机对环境的污染主要表现在（?
）
A.
大气污染和水污染
B.
大气污染和固体废弃污染
C.
大气污染和噪声污染
D.
噪声污染和水污染
C
内燃机是把内能转化为机械能的机器，热机效率较低，很多内能散失掉了。内燃机在工作时，要产生声音并排出废气，所以会产生大气污染和噪声污染。
例
课堂小结
1．下列关于热值的说法正确的是(　　)
A．2
kg煤的热值大于1
kg煤的热值
B．燃料热值越大，燃烧放出的热量越多
C．燃料燃烧不完全时热值变小
D．燃料的热值是燃料本身的特性，与其他因素无关
【解析】热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。甲的效率低，则甲用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比小，即甲对燃料释放的内能的利用率比乙低。
D
课堂练习
2.如图是某内燃机工作时的能量流向图。该内燃机的热机效率是(　)
A．25%
B．35%
C．40%
D．75%
【解析】由内燃机的能量流向图可得，
内燃机的效率η＝100%－25%－40%＝35%。
B
课堂练习
3．下列关于热机和环境保护的说法中正确的是(　　)
A．热机的大量使用会造成环境污染
B．所有的热机都是用汽油作为燃料
C．汽车排出的尾气都是有毒气体
D．热机所产生的噪声，可以被热机上的消声器完全消除
A
课堂练习
【解析】热机都是靠燃料燃烧获得能量的，汽油、柴油等燃料燃烧时都会放出有害气体，污染环境，所以A正确。热机中有燃烧汽油的(汽油机)，有燃烧柴油的(柴油机)，有燃烧液态氢的(火箭喷气发动机)，所以B错误。汽车排出的气体中有二氧化碳、水蒸气、一氧化碳、氮氢化合物等，其中二氧化碳和水蒸气是无毒、无害的，所以C错误。消声器只是减弱噪声，而不是消除噪声，所以D错误。
【答案】A
4.【2021?哈尔滨道外区月考】汽车发动机的水箱中贮有10
kg的水，当汽车发动后使水箱中的水温升高
10
℃时，水吸收的热量是________J；若要获得这些热量，至少需要燃烧________kg的汽油。[水的比热容为4.2×103
J/(kg?℃)，汽油的热值为4.6×107
J/kg]
4.2×105
0.009
课堂练习
课堂练习
5.【2021·安徽亳州利辛阚疃金石中学期末】页岩气是一种以游离或吸附状态藏身于页岩层或泥岩层中的非常规天然气，被国际能源界称为“博弈改变者”，正在改写世界的能源格局。而我国的页岩气可采储量居世界首位。如果用1.4
m3的页岩气烧水，可将40
kg的水从20
℃加热到100
℃。水的比热容是4.2×103
J/(kg·℃)，页岩气的热值约为3×107
J/m3，该过程中热效率是________%。
32
课堂练习
课堂练习