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第十四章 内能的利用
第2节 热机的效率
1
2
3
能简单计算燃料燃烧放出的热量。
从生活中体会不同燃料燃烧释放热量的本领不同，
建立热值的概念。
能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，
知道什么是热机的效率。
教学目标
教学重点
教学难点
热机效率的计算。
燃料完全燃烧放出热量的计算。
教学重点与难点
1
热机的工作过程及其能量的转化
①热机：
②四冲程汽油机的工作冲程（按顺序）：
③做功冲程中发生的主要能量转化：
化学能
（燃料）
内能
（燃气）
做功
机械能
把内能转化为机械能的机器叫热机。
燃烧
排气冲程
做功冲程
压缩冲程
吸气冲程
复习
液态氢气储罐
想一想
为什么发射火箭上天要用液态氢气、氧气做燃料？用汽油、柴油做火箭燃料可以吗？
通过这一章的学习，你就会明白了。
课堂导入
视频欣赏《火箭升空》
一
燃料的热值
1
人类从燃料的燃烧获取内能
人类在原始社会知道燃料柴薪取暖
1
4
汽油燃烧，获取内能，
转化为车的机械能
3
蒸汽机靠煤炭的燃烧获取
内能，转化为机械能
2
天然气燃烧，获取内能
一、燃料的热值
1
人类从燃料的燃烧获取内能
喷气式飞机发动机用航空煤油做燃料。靠燃料燃烧时产生的气体向后高速喷射的反冲作用使飞机向前飞行。
火箭升空靠液态氢气与氧气的燃烧获取内能。
一、燃料的热值
2
燃料的种类
想想议议
你知道燃料的种类有哪些吗？
酒精汽油
煤气 天然气
木柴 煤炭
燃料
一、燃料的热值
①质量为1千克和2千克干木柴，燃烧情况一样，谁放出热量多？
质量为1kg干木柴
质量为2kg干木柴
3
燃料燃烧时放出的热量
燃料燃烧时放出的热量与哪些因素有关？
想想议议
同种燃料完全燃烧时，燃料的质量越大，放出热量越多
一、燃料的热值
②有2份同样的1千克干木柴，一份完全燃烧，另一份燃烧不充分。哪种情况放出热量多？
完全燃烧
燃烧不充分
质量相等的同种燃料，放出的热量与是否完全燃烧有关
一、燃料的热值
燃料燃烧时放出的热量与哪些因素有关？
想想议议
完全燃烧1千克煤和1千克木柴，燃烧情况一样，煤放出的热量是木柴的2倍多。
③完全燃烧1千克煤和1千克木柴，燃烧情况一样，谁放出的热量多？
实验证明：
一、燃料的热值
燃料燃烧时放出的热量与哪些因素有关？
想想议议
下面图中所示是质量相等的不同燃料完全燃烧时烧水的情景，请你认真观察，看看可得出什么结论？
质量相等的不同燃料，完全燃烧时放出的热量不等，跟燃料的种类有关
一、燃料的热值
结论
燃料燃烧时放出的热量与燃料的质量、
燃料的种类、燃烧情况有关。
小结
燃料燃烧时放出的热量与哪些因素有关？
燃料的质量
燃烧情况
燃料的种类
一、燃料的热值
4
燃料的热值 q
热值在数值上等于1千克某种燃料完全燃烧放出的热量。
燃料燃烧时放出的热量与燃料的质量、燃料的种类、燃烧情况有关。
想一想
怎样表示燃料的这种性质呢？
把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。用字母 q 表示。
①定义
一、燃料的热值
4
②公式
固、液体燃料
Q：表示放出的热量，单位是焦，符号为 J
m：表示固、液体燃料的质量，单位是千克，符号为kg
V： 表示气体燃料的体积，单位是米3 ，符号为m3
q：表示热值。固、液体燃料单位是焦/千克，符号为 J/kg
气体燃料单位使用焦/米3 ，符号为J/ m3
对于气体燃料
燃料的热值 q
③物理量及其单位
q
热值
热值
q
一、燃料的热值
5
计算燃料完全燃烧时放出的热量
根据公式：
Q
Q
固、液体燃料
气体燃料
q
q
一、燃料的热值
完全燃烧放出的热量
6
常见燃料的热值表
一、燃料的热值
视频欣赏《热值的概念》
7
一些燃料的热值表（单位：J/kg）
气体
液体
固体
煤油 4.6×107
木炭 3.4×107
汽油 4.6×107
无烟煤 3.4×107
氢气 1.4×108
石油 4.4×107
焦炭 3.0×107
天然气 4.4×107（J/m3）
柴油 4.3×107
烟煤 2.9×107
煤气 3.9×107（J/m3）
酒精 3.0×107
干木柴 1.2×107
一、燃料的热值
8
观察一些燃料的热值表，你有哪些发现？
①不同燃料的热值一般不同。
热值是燃料的一种特性，其大小只与燃料的种类有关，与燃料的质量（体积）、是否燃烧、是否完全燃烧无关。
②氢的热值最大:
为什么发射火箭要用氢做燃料？
氢气热值1.4×108J/kg
发射卫星的火箭采用液态氢作为火箭的燃料，原因是液态氢具有较高的热值，完全燃烧相同质量的氢时，可以释放出更多的热量。
一、燃料的热值
想一想
9
①计算一下10吨氢完全燃烧放出多少焦耳的热量？
（氢气热值1.4×108J/kg ）
②若用干木柴完全燃烧来获得这些热量，需要多少吨干木柴？
（干木柴热值1.2×107J/kg）
Q氢放 =q氢m氢
= 1.4×108J/kg×10×103 kg
= 1.4×1012J
大约需要120吨的干木柴。
m木
例题
一、燃料的热值
二
热机的效率
一是煤炭不可能全部燃烧；二是高温的烟气带走了一部分热量；还有炉膛散热也会消耗一部分热量。
煤炭通风不好或者煤块过大
我们用煤球烧水时，煤所放出的热量是否被水全部吸收？
我们用煤烧水时，有效利用的热量是水吸收的部分。煤所放出的热量不会被水全部吸收。
二、热机的效率
想一想
燃料的
内能
由图可知，真正能转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分，很多能量都散失了。
在内燃机中燃料是否能够完全燃烧？燃料燃烧释放的能量都到哪里去了？
二、热机的效率
想一想
①定义：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧释放的能量之比，叫做热机的效率。
热机的效率 η
②公式：
③热机的效率都小于1且无单位。
1
η
二、热机的效率
蒸汽机6%~15%
一些热机的效率
2
汽油机 20%~30%
二、热机的效率
一些热机的效率
喷气式发动机约为50% ~60%
2
柴油机约为30% ~40%
二、热机的效率
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，从而节约资源，减少污染。
提高热机效率的方法
3
二、热机的效率
提高热机效率的方法
①设法利用废气的能量。
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。
3
二、热机的效率
①设法利用废气的能量
热电站既供电又供热，比起一般的火电站，燃料的利用率大大提高。
供电
供热
蒸汽轮机
大型发电机常常用蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。
热电站
二、热机的效率
②减少机械摩擦，保证良好的润滑，减少因克服机械摩擦阻力而额外消耗的能量，同时延长了热机的使用寿命。
提高热机效率的方法
3
二、热机的效率
③尽量使燃料充分燃烧。例如把煤磨成煤粉或煤粒，加大与氧气的接触面积。
提高热机效率的方法
3
二、热机的效率
视频欣赏《热机的效率》
①蒸汽机
②内燃机
热机发展简史——《从火车到火箭》
4
蒸汽机——斯蒂芬森的 “火箭号”蒸汽机车，
它诞生于1829年。
内燃机——摩托车使用汽油机， 挖土机使用柴油机，货船使用大型柴油机。
二、热机的效率
④火箭
③喷气式发动机
热机促进了生产的发展，带来了工业革命，给人类文明带来进步，也给生态环境造成污染。
热机发展简史——《从火车到火箭》
喷气式发动机——高 温高压水蒸气直接推动蒸汽轮机的叶片。
火箭——自带燃料和氧化剂的火箭。目前最常用的是液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固-液混合推进剂火箭。
二、热机的效率
三
课堂练习
热值是燃料的一种特性，其大小只与燃料的种类有关，
与燃料的质量（体积）、是否燃烧、是否完全燃烧无关。
1. 关于燃料的热值说法正确的是( )
A.燃料的热值与燃料的种类有关
B.热值在数值上等于1千克某种燃料燃烧时放出的热量
C.燃料的热值越大，燃烧时放出的热越多
D.燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的热值小
A
三、课堂练习
2．有关热值的概念，下列说法中正确的是（ ）
A．燃料完全燃烧时，它的热值最大
B．没有燃烧的燃料，热值等于零
C．燃料燃烧时放出的热量越多，热值越大
D．燃料的热值与燃烧情况无关
D
三、课堂练习
3. 航天工业中的火箭是用液态氢作为燃料的，这是因为液态氢具有（ ）
A、较小的质量
B、较小的密度
C、较大的比热容
D、较大的热值
D
三、课堂练习
4. 用天然气灶烧水，燃烧1m3的天然气，能使100kg的水从20℃升高到70℃。天然气热值3.2×107J/m3 ，水的比热容为4.2×103J/(kg·℃) 。求：
（1）天然气完全燃烧放出热量；
（2）水吸收的热量；
（3）天然气灶的效率。
三、课堂练习
5. 把5千克、40℃的水烧开，需要完全燃烧多少千克的干木柴？ [已知水的比热容4.2×103J/(kg·℃) ] ，干木柴的热值为1.2×107J/kg，外界为标准大气压，并且燃料完全燃烧放出的热量全部被水吸收）
解：
Q吸=Cm(t-t0)
=4.2×103J/(kg·℃)×5kg×(100℃-40℃)
=1.26×106J
因为 Q吸=Q放=1.26×106J
所以干木柴质量
m木
三、课堂练习
6. 为了减少大气污染，可对秸秆进行回收加工制成精秆煤，完全燃烧2kg秸秆煤可放出 焦热量；若这些热量完全被水吸收，可使 千克水温度由20℃升高到60℃.
[已知q秸秆煤＝2.1×107J/kg，C水＝4.2×103J/（kg℃）]。
4.2×107
250
Q放= q秸秆煤m= 2.1×107J/kg×2kg=4.2×107J
Q吸=Q放=4.2×107J
m
根据 Q吸=Cm(t-t0)
4.2×107J=4.2×103J/(kg·℃)m×(60℃-20℃)
三、课堂练习
7. 小明家天然气热水器的热效率是84%，他某次洗澡，耗水40kg，自来水进热水器的温度是24℃，出热水器的温度是40℃，小明这次洗澡消耗天然气多少米3？（已知水的比热容是4.2×10 J/(kg℃)，天然气的热值是3.2×107J/m3。 ）
解：
① Q吸=Cm(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×40kg×(40℃-24℃)
=2.688×106J
Q吸=Q放η= Q放×84%
2.688×106J=Q放×84% Q放=3.2×106J
②消耗天然气
V
三、课堂练习
8. 汽油的热值为4.6×107焦/千克，这个数值究竟有多大？有人通过一个具体的例子来认识汽油热值的大小：一个人60千克，从大厦1楼步行至11楼(走了10层)，每层高3米，他克服重力做了多少焦耳的功？如果汽油完全燃烧获得热量的焦耳数和这些功相等，需要汽油的质量是多少？这相当于生活中什么物体的质量
人做功：W=mgh=60 千克× 10牛/千克 × 30米=18000焦
需要汽油质量：
m=Q/q=18000焦/（ 4.6 ×107焦/千克）=0.00039kg=0.39g
生活中，相当于一粒药片的质量（几粒米的质量）。
三、课堂练习
①热值：燃料完全燃烧时放出的热量与燃料质量之比。
是燃料的一种特性。
热机的效率
④热机的效率：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧
放出的能量之比。
⑤提高热机
效率的方法
利用废气的能量
③燃料完全燃烧放热：
减少机械摩擦
尽量使燃料充分燃烧
q
q（气体）
②单位：焦/千克（J/kg）、焦/米3（J/ m3 ）
Q
Q
η
课堂总结
