第14.2 （教案）热机的效率

第14.2节《热机的效率》 教案
【教学目标】
知识与技能
1.理解燃料的热值的定义，会描述热值的物理意义。
2.知道热值是燃料的一种特性，反映的是燃料的放热本领大小，仅取决于燃料的种类。
3.知道热机的效率及定义，并能提出提高热机效率的方法与措施。
过程与方法
1.通过查表，知道热值是燃料的一种特性。
2.了解热机的效率，感悟到效率是评价投人产出比的基本方法，并了解不同热机的效率值。
情感、态度与价值观
了解热机的使用对社会的贡献与带来的问题，感受到自然科学的发展和先进技术的应用在推进社会发展的同时，也造成了环境污染等问题，激发学生的社会责任感。
【教学重点】
燃料的热值、热机效率的理解与应用。
【教学难点】
热机效率的理解和环境保护。
【导入新课】
（一）燃料的热值
[课件展示]
火的利用给人类社会带来了进步。无论是烧菜做饭，还是奔驰的火车，乃至直人苍穹的火箭等都离不开燃料。人们使用的能量绝大部分是通过燃料燃烧获得的。你知道蒸汽火车和火箭使用的燃料有什么不同吗？不同的热机对燃料的利用效率一样吗？我们这节课就来学习热机的效率。
问题：生活中我们可以使用哪些燃料？这些燃料如何分类？
固体燃料有木柴、煤等，液体
答案点拨：生活中经常使用的燃料有很多可以按状态分类。
燃料有汽油、柴油等，气体燃料有煤气、天然气等。
[思考讨论]
（1）1kg的干术柴和10kg的干木柴在完全燃烧时，放出的热量是否相同？
（2）相同条件下，1kg干木柴和1kg煤，哪种燃料能烧开更 多的水？
（3）烧开同壶水，用干木柴 和用天然气所需要燃烧的质量一样吗？
（4）1kg的干木柴完全燃烧和未完全燃烧时放出的热量是否相同？
答案点拨：
（1）干术柴在完全燃烧时，木柴的质量越大，燃烧放出的热量越大。
（2）1 kg煤燃烧后能烧开更多的水。
（3）烧开同一壶水，用干木柴和用天然气所需要燃烧的质量不同.用干木柴的质量大，用天然气的质量小。
（4）干木柴燃烧得越充分放出的热量就越大，完全燃烧比未完全燃烧放出的热量大。总结：影响燃料燃烧放出热量的因素：燃料的质量、燃料的种类、燃料燃烧的状况。
[自主学习]
引导学生阅读课本P22-P23“燃料的热值”的内容，学习有关的知识。
1.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.物理意义：热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
3.国际单位：焦每千克，符号是J/kg.
4.固体或液体燃料完全燃烧放出热量的计算公式为Q-qm.气体燃料完全燃烧放出热量的计算公式为Q=qV.
（二）热机的效率
[思考讨论]
（1）用煤烧水时，煤能完全燃烧吗？
（2）煤燃烧放出的热量能全部被水吸收吗？
答案点拨：
（1）煤不能完全燃烧。
（2）炉灶本身吸收一部分热量；高温的烟气带走 了一部分热量；一部分热量直接散失掉了。
水吸收的热量只占煤燃烧放出热量的一部分。
[类比分析]
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？
思路点拨：热机是将内能转化为机械能的装置，燃料燃烧释放的能量只有一部分用来做有用功，还有相当一部分能量散失掉了。
[自主学习]
引导学生阅读课本P23-P24“热机的效率”的内容，学习有关的知识。
1.提高燃料的利用率可以有效地做到节约能源。
2.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，叫做热机的效率。
[思考讨论]
为了合理利用能源，人们一.直都在努力地提高热机的效率，汽油机的效率为20%-30%，柴油机的效率为30%-45%，都比蒸汽机的效率高，那么如何提高热机的效率呢？
思路点拨：
（1）使燃料充分燃烧，节约能源、减少污染；
（2）改进热机，减少各种能量损失，提高效率；
（3）利用废气的能量，提高燃料的利用率。
【课堂小结】
【课堂检测】
1．将一瓶酒精用去三分之一，剩余酒精的（　　）
A．热值、密度和比热容都不变
B．热值、密度、比热容都变为原来的三分之二
C．热值变为原来的三分之二，密度、比热容不变
D．热值不变，密度、比热容变为原来的三分之二
【解析】密度、比热容、燃料的热值都属于物质的特性，它们的大小与物体的质量和体积均无关系，将一瓶酒精用去三分之一，剩余酒精的密度、比热容、热值都不变，故A正确、BCD错。
故选：A。
2．小明和小华学习了燃料的热值后，他们一起设计了一个实验来探究煤油和菜籽油热值的大小关系。他们组装了如图所示的装置进行实验，为了保证实验结论的可靠性，下列措施不合理的是（　　）
A．两杯水的质量应相等 B．两杯水的初温应相等
C．两种燃料质量应相等 D．燃料燃烧时间应相等
【解析】由于燃料燃烧释放的热量既与燃料的质量多少有关，又与燃料的热值大小有关，所以在设计实验时应控制燃料的质量相同，即煤油和菜籽油的质量相同；由于水吸收热量后升高的温度受水的质量的影响，所以在实验中还应控制水的质量和水的初温相等，故D符合题意。
故选：D。
3．小丽为了测试汽车发动机的效率，开车以60km/h的平均速度行驶了120km，用去汽油25L，已知汽油的密度为0.7×103kg/m3，热值为4.6×107J/kg，发动机的功率为32.2kW，则该汽车发动机的效率为（　　）
A．23.6% B．28.8% C．36.5% D．38%
【解析】汽车行驶的速度v＝60km/h，
由v＝可得，汽车行驶时间：
t＝＝＝2h＝7200s，
发动机对汽车做的功：
W＝Pt＝32.2×103W×7200s＝2.3184×108J，
汽油完全燃烧放出的热量：
Q放＝mq＝ρVq＝0.7×103kg/m3×25×10﹣3 m3×4.6×107J/kg＝8.05×108J；
汽车发动机的效率：
η＝＝＝28.8%。
故选：B。
4．甲种燃料的热值大于乙种燃料的热值，下列说法正确的是（　　）
A．甲种燃料含的热量多，乙种燃料含的热量少
B．甲种燃料含的内能多，乙种燃料含的内能少
C．完全燃烧同质量的甲、乙两种燃料，甲燃料放出的热量多
D．完全燃烧同质量的甲、乙两种燃料，乙燃料放出的热量多
【解析】A、没有热传递，不能说物体含有热量的多少，故A错误；
B、内能的大小和物体的质量、温度有关，和燃料的热值无关，故B错误；
CD、甲种燃料的热值大于乙种燃料的热值，完全燃烧同质量的甲、乙两种燃料，甲燃料放出的热量多，故C正确、D错；
故选：C。
5．甲种燃料的热值小于乙种燃料的热值，下列说法正确的是（　　）
A．甲种燃料比乙种燃料的热量少
B．完全燃烧mkg乙种燃料，刚好烧开一壶水，那么用mkg甲种燃料也能烧开这壶水
C．完全燃烧相同质量的两种燃料，乙种燃料放出的热量多
D．通风条件越好，供氧越充足，两种燃料的热值越大
【解析】A、热量是一个过程量，不能说物体含有热量的多少，所以甲种燃料的热值小于乙种燃料的热值，不能说甲种燃料比乙种燃料的热量少，故A不正确；
B、根据Q＝mq可知，相同质量的甲乙两种燃料，乙种燃料完全燃烧放出的热量比甲种燃料完全燃烧放出的热量多，所以mkg乙种燃料刚好烧开一壶水，则mkg甲种燃料不能烧开这壶水，故B不正确；
C、根据Q＝mq可知，相同质量的甲乙两种燃料，乙种燃料完全燃烧放出的热量比甲种燃料完全燃烧放出的热量多，故C正确；
D、热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等均无关，故D不正确。
故选：C。
6．热机的效率是热机性能的一个重要指标，下面关于热机效率的叙述不正确的是（　　）
A．在设计和制造上，要不断改进和革新，以减少各种能量损失，就有可能使热机效率达到100%
B．两辆型号相同的小汽车，以相同的速度行驶相同的路程，耗油量小的那辆车效率较高
C．在使用上要正确使用，注意保养，可提高效率
D．在热机的各种损失中，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
【解析】A、在设计和制造上，要不断改进和革新，以减少各种能量损失，热机效率相应提高，但不可能达到100%．此选项错误；
B、两辆型号相同的小汽车，以相同的速度行驶相同的路程，做的有用功相同，耗油量小的那辆车效率较高。此选项正确；
C、在使用上要正确使用，注意保养，减少摩擦消耗的能量。此选项正确；
D、在热机的各种损失中，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。此选项正确。
故选：A。
7．一台单缸四冲程汽油机，飞轮的转速为1800r/min，该汽油机每分钟做功　900　次，如图所示的汽油机正处于　压缩　冲程，在此过程中燃气的内能　增加　（选填“增加”、“减小”或“不变”）
【解析】（1）四冲程汽油机的飞轮转速为1800r/min，一个工作循环飞轮转2圈，做功1次，所以飞轮转18000圈，共做功＝900次。
（2）如图所示，汽油机的进气门、排气门均关闭，且活塞向上运动，所以该冲程属于压缩冲程，此冲程中机械能转化成内能，燃气的内能增加。
故答案为：900；压缩；增加。
8．如图所示是道路维修时常用的路面钻机（俗称“啄木鸟”），该机械利用压缩气体推动活塞将钻头打入路面。气体推动活塞时是将　气体的内　能转化为　活塞的机械　能；“啄木鸟”中用到了柴油机，若其机械效率是40%，则完全燃烧50kg柴油对外做的有用功是　8.6×108　J（柴油的热值是4.3×107J/kg）。
【解析】（1）气体推动活塞，气体对活塞做功，气体的内能转化为活塞的机械能；
（2）完全燃烧50kg柴油产生的热量Q放＝qm＝4.3×107J/kg×50kg＝2.15×109J；
∵η＝
∴柴油对外做的有用功：W有用＝Q放η＝2.15×109J×40%＝8.6×108J。
故答案为：气体的内；活塞的机械；8.6×108。
9．学习了燃料的热值后，一位同学自己设计了一个比较煤油和菜籽油热值大小关系的实验。实验时，他组装了如图甲、乙所示的两套规格完全相同的装置。
（1）图甲中，在安装、调整实验器材时，科学合理的顺序是：先调整固定　 　（A/B）的位置；
（2）为保证实验结论的可靠性，该实验还需要的测量器材是　天平　，在本实验中使用该器材目的有①　确保两烧杯中水的质量相等　；②　确保煤油和菜籽油质量相等　。
（3）当油料都燃尽时，发现甲杯中水的温度较高，则煤油和菜籽油两种油料中，　煤油　的热值较大。
【解析】（1）为了利用酒精灯的外焰给烧杯充分加热，安装器材时需要先固定B的位置，然后再调整A的位置，并且不要碰到烧杯壁和烧杯底；
（2）要比较酒精和菜籽油的热值，需要燃烧相同质量的酒精和菜籽油，需要用天平来测量；此实验中使用天平的目的是：①确保两烧杯中水的质量相等；②确保煤油和菜籽油质量相等；
（3）分析表格数据可知，甲杯水的温度升高的较快，即甲酒精灯燃烧产生的热量多，所以其热值大。
故答案为：（1）B；（2）天平；①确保两烧杯中水的质量相等；②确保煤油和菜籽油质量相等；（3）煤油。
10．今年5月18日，我国在世界上第一次对可燃冰实现安全可控开采。假设1m3可燃冰分解后，可释放出约180m3天然气，（已知q天然气＝3×107J/m3，在1标准大气压下）．求：
（1）1m3可燃冰释放出的天然气完全燃烧，放出的热量是多少？
（2）若这些热量用来加热水，50%的热量被水吸收，可将初温为20摄氏度，质量为2×104kg的水加热到多少℃？
【解析】（1）由题知，1m3可燃冰分解后，可释放出约180m3天然气，
这些天然气完全燃烧放出的热量：Q放＝Vq＝180m3×3×107J/m3＝5.4×109J；
（2）由题知，水吸收的热量：Q吸＝50%Q放＝50%×5.4×109J＝2.7×109J；
由Q吸＝cm（t﹣t0）可得，水的末温：
t＝+t0＝+20℃≈52℃。
答：（1）1m3可燃冰释放出的天然气完全燃烧，放出的热量约是5.4×109J；
（2）若上述热量全部被水吸收，可将2×104kg的水从20℃加热至52℃。
【课后反思】