(共32张PPT)
第14章 内能的利用
14.2 热机的效率
导入新课
它们都离不开燃料。
燃料燃烧的过程是化学能转变为内能的过程.
1、你知道的燃料有哪些,它们分别属于哪一类？
常见的燃料有煤、石油（加工炼制成汽油、煤油、柴油和液化气等）、天燃气等，农村还用草木等植物的秸杆作燃料.
燃料可分为三种：
固体燃料、气体燃料、液体燃料
液体燃料
固体燃料
气体燃料
思考讨论
2、我们要烧开同一壶水，现有三种燃料：干草、木柴、煤炭，用哪种燃料用量最少？
(为什么提供相同的能量)不同燃料所需的量不同？
质量相等的不同燃料在完全燃烧时所放出能量的本领不同.
想一想
燃料的种类很多，固态燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、酒精等，气体燃料有煤气、天然气等.根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不是相同？要找出事实来支持你的观点，并进行分析.
相同质量的不同物质，燃烧时放出的热量是不同的.如，同样烧熟一餐饭，用煤气较少，用煤较多，用干木柴更多，农村用庄稼秸秆要一大堆.
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。相同质量的不同燃料燃烧放出的热量是不同的。
热值：指单位质量的某种物质完全燃
烧所放出的热量。其符号是 q 。
热值单位：J / kg ( 或 J / m3 )
一.燃料的热值
小资料
一些燃料的热值 燃料 热值 J/kg 燃料 热值 J/kg
干木柴 约1.2×107 柴油 4.3×107
烟煤 约2.9×107 煤油 4.6×107
无烟煤 约3.4×107 汽油 4.6×107
焦炭 3.0×107 氢 1.4×108
木炭 3.4×107 煤气 约3.9×107J/m3
酒精 3.0×107 沼气 约1.9×107J/m3
煤气: 3.9×107J/m3
物理意义: 1立方米煤气完全燃烧时放出的热量是3.9×107J
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。
固体或液体燃料： Q放 = mq
气体燃料： Q放 = Vq
木炭: 3.4×107J/kg
物理意义: 1千克木炭完全燃烧时放出的热量是3.4×107J
1.关于燃料的热值正确的是【 】
A.燃料的热值与燃料的燃烧程度有关
B.燃料的热值与燃料的种类有关
C.燃料的热值与燃料的多少有关
D.燃料的热值与上面三个因素都有关
B
2.小明某次用火炉烧水时，共消耗了1.5 kg的烟煤，试计算这些烟煤完全燃烧放出多少焦的热量（ 烟煤的热值 q = 2.7×107 J / kg )
解：∵ m＝ 1.5 kg q＝ 2.7 × 107 J / kg
∴ 由 Q ＝ mq 可得：
Q ＝ mq ＝ 1.5 kg × 2.7 × 107 J / kg
＝4.05 × 107 J
练一练
3. 用家用燃气热水器烧水洗澡，假如洗一次澡要用掉天然气 0.14 m3 .
问:完全燃烧这么多的天然气能放出多少焦的热量？( q ＝ 8 × 107 J / m3 )
解：∵ V＝ 0.14 m3 q＝ 8 × 107 J / m3
∴ 由 Q ＝ Vq 可得：
Q ＝ Vq ＝ 0.14 m3 × 8 × 107 J / m3
＝1.12 × 109 J
答：完全燃烧这么多的天然气能放出1.12 × 109 J的热量.
观 察
散热、克服摩擦损失
废气带走的能量
在内燃机中燃料不能完全燃烧。燃料燃烧释放的能量主要去向是：废气带走一部分热量；克服机械摩擦损失一部分能量；散热损失一部分热量；一部分转化为有用的机械能。
想想议议
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？
废气内能
散热损失
机械损失
有用机械能
高温高压 燃气
燃料完全燃烧放出的能量
1.燃料很难完全燃烧
实际放出热量 < 计算热量
2.有效利用热量 < 放出热量
二.热机的效率
化学能
（100﹪ ）
内能
机械能
燃烧不完全损失的能量
废气带走的能量
克服摩擦损失的能量
电流通过导线时发热损失的能量
散热损失的能量
发电机
蒸气轮机
锅炉
散热损失的能量
克服摩擦损失的能量
电能（30﹪）
火电站能流图
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。
蒸气机效率最低：6%~15%；
汽油机效率：20%~30%；
柴油机效率：30%~45%。
热机效率：
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。
用天然气灶烧水，燃烧1m3的天然气，使100kg的水从20℃升高到70℃.（天然气热值3.2×107J/m3）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.
例 题
解：(1)∵ V＝ 1m3 q＝ 3.2 × 107 J / m3
∴ 由 Q ＝ Vq 可得：
Q放 ＝ Vq ＝ 1m3 × 3.2 × 107 J / m3
＝3.2 × 107 J
(2) ∵ C＝ 4.2×103J/(kg·℃) m＝ 100kg
Δt＝70℃－20℃＝50℃
∴ 由 Q吸 ＝ Cm Δt可得：
Q吸 ＝ 4.2×103J/(kg·℃) × 100kg × 50℃
＝2.1 × 107 J
(3)
答：（略）
1.热机的效率是热机性能的一个重要指标.如：两辆排量相同的小汽车，以相同的速度行驶相同的路程，耗油少的那辆，汽油机的效率高，性能好.
2.能量损失、热机效率不高的原因:
⑴ 燃料的不完全燃烧
⑵ 气缸部件吸热后的热量散失
⑶ 废气带走的热量
⑷ 克服摩擦做功而消耗的能量
注 意
3.提高热机效率的途径和节能方法：
⑴ 尽量使燃料充分燃烧（把煤磨成煤粉或煤粒，加大与氧气的接触面积）
⑵ 保证良好润滑减少摩擦；
⑶ 尽量降低各种热损失；（尾气、缸体等）
⑷ 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。（热电站）
煤、石油、天然气等燃料的利用，使人们获得大量内能，给人类文明带来进步.同时也造成环境污染，给人们带来危害.
造成污染的主要物质有：燃料里含有杂质，致使燃烧生成的气体中含有二氧化硫、氮氧化物等，燃烧不完全还会产生一氧化碳和粉尘.
工业企业、交通运输工具，家庭炉灶和取暖设备，它们排放的烟尘是大气污染的主要来源.
保护环境的有效方法：改进燃烧设备，加装消烟除尘装置，采取集中供热，普及煤气和天然气的使用.
内能的利用和环境保护
1.下列提高热机效率的方法中，不可行的是【 】
A.减少各种热损失
B.加润滑油减少机器各部件之间的摩擦
C.充分利用废气的能量，如建热电站
D.采取少消耗总能量的办法
2.要提高热机效率，下列哪种做法在理论上是不正确的？【 】
A.尽量保持机件之间良好的润滑
B.尽量减少机器的散热损失
C.尽量减少废气带走的内能
D.尽量减少曲轴传给飞轮的机械能
D
C
练一练
动手动脑学物理
1. 汽油的热值为4.6×107J/kg.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60kg的人，从大厦的1楼步行到第11楼（走了10层楼），每层楼的层高为3m，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？这大约相当于生活中什么物体的质量？
解：∵ m＝ 60kg g＝ 10 N / kg
∴ 由 G＝ mg 可得：
G ＝ 60kg × 10 N / kg ＝600N
∵ h＝ 3m×10＝ 30m
∴ 由 W＝ Gh 可得：
W ＝ 600N × 30m＝1.8×104J
∴ Q放＝ W ＝1.8×104J
∵ q＝ 4.6×107J/kg
∴ 由Q放＝ mq可得：
答：他克服重力做了1.8×104J的功，大约需要汽油的质量是0.39g，这大约相当于生活中一粒药片的质量
2. 如果燃烧干木柴跟燃烧煤油放出的热量相等，干木柴的质量应该等于煤油质量的几倍？请列出相关计算式来说明理由.
解：∵ Q木柴放＝ Q煤油放
∴ 由Q放＝ mq可得：
m木柴q 木柴＝ m煤油q煤油
答：木柴的质量约等于煤油质量的4倍.
3. 全球汽车保有量在迅速增长，截至2011年，全球处于使用状态的汽车数量已突破10亿辆.每辆汽车每年耗油1.8t，汽车内燃机的效率平均值取30%.如果能把内燃机效率提高1%，全球每年可以节约多少燃油？
解：∵ m1＝ 1.8t ＝ 1.8×103kg q＝ 4.6×107J/kg
∴ 由Q放＝ mq可得：
Q放1＝ 1.8×103kg×4.6×107J/kg
＝ 8.28×1010J
∵ η 1＝ 30%
∴ W有用＝ Q放η1 ＝ 8.28×1010J× 30%
＝ 2.484×1010J
∵ η 2＝ 31%
∴
∴
∴m总＝ (1.8×103kg －1.74×103kg)×109
＝6 ×1010kg ＝6 ×107t
答：（略）
4. 提高热机的效率具有哪些积极意义？请你列出一个回答问题的提纲，不必展开陈述.
节约燃料，减少燃料过快的消耗；减少对大气的污染；减慢温室效应，有利于可持续发展等.
小 结
一.燃料的热值
热值：指单位质量的某种物质完全燃
烧所放出的热量。其符号是 q 。
热值单位：J / kg ( 或 J / m3 )
二.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。
蒸气机效率最低：6%~15%；
汽油机效率：20%~30%；
柴油机效率：30%~45%。
保护环境的有效方法：改进燃烧设备，加装消烟除尘装置，采取集中供热，普及煤气和天然气的使用.
内能的利用和环境保护
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《14.2 热机的效率》同步练习
一.选择题：(每小题给出的四个选项中，只有一个选项符合题意， 请把符合题意的选项序号填入题后的括号内. )21教育网
1.现代火箭利用液态氢作燃料，是因为它具有（ ）
A.较大的比热容 B.较低的沸点
C.较高的凝固点 D.较大的热值
2.关于热机，下列说法正确的是（ ）
A.汽油机顶部有喷油嘴，柴油机顶部有火花塞
B.柴油机在吸气冲程中，将柴油和空气的混合气吸入汽缸
C.汽油机在做功冲程中，进气门关闭，排气门打开
D.汽油机在做功冲程中，是把内能转化为机械能
3.关于燃料的热值，下列说法中正确的是（ ）
A.燃料的热值与燃烧情况无关
B.容易燃烧的燃料，热值一定大
C.煤的热值大于干木柴的热值，则燃烧煤放出的热量一定大于燃烧干木柴放出的热量
D.为了提高锅炉的效率，一定要用热值高的燃料
4.关于热机效率，下列说法正确的是（ ）
A.热机做的有用功多，效率就一定高
B.热机的功率大，效率就一定高
C.热机正常工作时，在单位时间里消耗的燃料少，热机的效率就一定高
D.以上说法都不对
5.为了提高热机效率，应尽可能（ ）
A.采用优质燃料 B.提高热机的效率
C.减少热机的质量 D.减少各种热损失，保证机器的良好润滑
6.下列有关热机的说法中不正确的是（ ）
A.热机工作的过程是将燃料燃烧获得的内能转化成机械能的过程
B.为了防止热机过热，通常用水来降温，是利用水的比热容大的特性
C.可以采用增大热机效率的方法来增大热机的效率
D.热机的大量使用会造成环境污染
二.填空题：(将答案直接写在横线上，不必写出解题过程.)
7.普光气田是我国川东第一大气田，随着该 ( http: / / www.21cnjy.com )气田的开发和利用，大大改善了我们的生活环境。在一个标准大气压下，小李想把一壶盛有质量为 2 kg 温度为 20℃ 的水烧开，不计热损失，则需完全燃烧__________m3 的天然气。这是通过___________的方式使水的内能增加.[天然气的热值为 3.0×107 J/m3 ，水的比热容为 4.2×103 J/(kg·℃) ].
8.天然气是一种清洁燃料，南宁市有的出租车 ( http: / / www.21cnjy.com )开始使用天然气代替柴油或汽油。一种天然气的热值是 7×107 J/m3 ，当出租车消耗 0.2 m3 天然气时，所释放的热量为__________J（假设天然气完全燃烧）。若天然气所释放热量的 84％ 被水吸收，能使 100 kg 的水温度升高___________℃.[ 水的比热容为 4.2×103 J/(kg·℃) ].21世纪教育网版权所有
9.现代生活中最重要的交通工具——汽车与我们的生活走得越来越近了.
⑴ 某单缸汽油发动机气缸的活塞面积为 12 ( http: / / www.21cnjy.com )0cm2，做功冲程中活塞移动的距离是30 cm ，气体的平均压强是 5×105 Pa，汽油的热值为 4.6×107 J/kg，每次做功耗油 0.2 g ，气体一次膨胀对活塞做的功是_________J ；若每次做功过程中汽油的 90％ 完全燃烧，每次汽油燃烧放出的热量是__________J；排气过程中，废气温度___________，内能_____________.21cnjy.com
⑵ 汽油机的效率很低，主要 ( http: / / www.21cnjy.com )原因之一是___________带走了大量的能量.电动汽车是未来汽车的发展方向，它的发动机是利用通电线圈在磁场中受力而转动原理制成的.
三.实验题：
10.某校师生在学习了能量的转化与守恒 ( http: / / www.21cnjy.com )以后，组织兴趣小组调差学校几种炉灶的能量利用效率。他们发现学校的一个老式锅炉烧水时，经常冒出大量的黑烟，且烧水时锅炉周围的温度很高，锅炉的效率很低. 21·cn·jy·com
⑴请你根据调查中发现的现象分析此锅炉效率低的原因，斌提出相应的改进措施。
锅炉效率低的原因：________________________________________________________
______________________________________________________________________.
改进措施：________________________________________________________________
______________________________________________________________________.
⑵要减少烟气带走的热量，可以采用什么办法？
________________________________________________________________________.
四.计算题：
11.500 g 木炭完全 ( http: / / www.21cnjy.com )燃烧放出的热量被 100 kg 温度为 20 ℃ 的水吸收，可使水的温度升高多少？[ 不计热量损失，木炭的热值 q 为 3.4×107 J/kg ，水的比热容是 4.2××103 J/(kg·℃) ] www.21-cn-jy.com
12.某汽车总质量为 1 ( http: / / www.21cnjy.com )150 kg ，以 72 km/h 的速度匀速行驶 10 km ，若汽车所受阻力位汽车重力的 0.1 倍，每个轮胎与路面的接触面积为 0.05 m2.（ g＝10 N/kg ），求：
(1)汽车对路面的压强为多少？
(2)汽车行驶过程中克服阻力做了多少功？其功率为多少？
(3)若该汽车热机的效率为 25％，如 ( http: / / www.21cnjy.com )果不考虑热机其他的热量损失，汽油热值为 4.6×107 J/kg ，则该汽车行驶 10 km 过程中需要的汽油质量为多少千克？
13.我省今年再次出现大面积干旱，各地 ( http: / / www.21cnjy.com )都在使用抽水机引水灌溉.某抽水机在2 h内把1.8×106 kg 的水抬升了 6 m 流入沟渠，再去灌溉农田.（ g 取 10 N/kg ）问：
(1)此抽水机 2 h 做了多少有用功？
(2)此抽水机的有用功率是多少？
(3)带动抽水机的动力装置为柴油机 ( http: / / www.21cnjy.com )，2 小时燃烧的柴油为 5 L .则整个机械装置的效率为多少？（ ρ柴油＝ 0.8×103 kg/m3 ，q柴油＝4.0×107 J/kg ）
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《14.2热机的效率》同步练习——答案与解析
一.选择题：(每小题给出的四个选项中，只有一个选项符合题意， 请把符合题意的选项序号填入题后的括号内. )【出处：21教育名师】
1.D
【解析】运载火箭采用液态氢作为火箭的燃料， ( http: / / www.21cnjy.com )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．氢气燃烧后的产物是无污染的水．所以氢气作为燃料有优点：燃烧放热多、产物是无污染的水；可用水制取，燃烧又生成水，可再生.故选D. 21*cnjy*com
2.D
【解析】汽油机顶部有火花塞， ( http: / / www.21cnjy.com )柴油机顶部有喷油嘴，故A选项错误；柴油机在吸气冲程中，将空气吸入汽缸，故B选项错误；汽油机在做功冲程中，进气门、排气门都关闭，故C选项错误；汽油机在做功冲程中，是把内能转化为机械能，D选项正确.故选D．【版权所有：21教育】
3.A
【解析】燃料的热值是燃料的一种特性，与 ( http: / / www.21cnjy.com )燃料的种类有关，与燃料的质量或是否完全燃烧无关，故A项对，B项错；燃料燃烧时放出的热量与燃料的热值、质量和是否完全燃烧有关，故C项错；提高锅炉的效率应减小热量的损失，并且让燃料燃烧更完全，故D项错.故选A.21cnjy.com
4.D
【解析】热机工作时，真正能转变为对外做 ( http: / / www.21cnjy.com )有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分，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，就叫做热机效率. 热机做的有用功多，效率不一定高，故A选项错误；热机的功率大，效率也不一定高，故B选项错误；热机正常工作时，在单位时间里消耗的燃料少，热机的效率不一定高，故C选项错误.故选D．www.21-cn-jy.com
5.D
【解析】提高热机效率的途径和节能 ( http: / / www.21cnjy.com )方法：(1)尽量使燃料充分燃烧；(2)保证良好润滑减少摩擦；(3)尽量降低各种热损失；(4)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．故选D.2-1-c-n-j-y
6.C
【解析】热机工作的过程是将燃料燃烧获得的内能 ( http: / / www.21cnjy.com )转化成机械能的过程，故A选项正确；为了防止热机过热，通常用水来降温，是利用水的比热容大的特性，故B选项正确；可以采用(1)尽量使燃料充分燃烧；(2)保证良好润滑减少摩擦；(3)尽量降低各种热损失；(4)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等方法来增大热机的效率，故C选项错误；热机工作时会排放大量的尾气，所以热机的大量使用会造成环境污染，故D选项正确. 故选C.
二.填空题：(将答案直接写在横线上，不必写出解题过程.)
7.2.24×10－2 热传递
【解析】Q吸＝cmΔt＝4.2×103 J/(kg·℃)×2kg×(100℃－20℃)＝6.72×105J，所以Q放＝Q吸＝6.72×105J，由Q放＝qV可得，V＝m3.用水壶烧开水，是通过热传递的方式使水的内能增加.21世纪教育网版权所有
8.1.4×107 28
【解析】Q放＝Vq＝7×107 J/m3×0.2m3＝1.4×107 J，所以Q吸＝Q放×84％＝1.4×107 J×84％＝1.176×107 J，所以由Q吸＝cmΔt可得，Δt＝℃.21·世纪*教育网
9.(1)1800 8.28×103 降低 减少 (2)废气
【解析】(1)由p＝可得，F＝ps＝5×105 Pa×120cm2＝5×105 Pa×120×10－4m2＝6000N，所以W＝Fs＝6000N×30cm＝6000N×0.30m＝1800J；Q放＝mq＝0.2g×4.6×107 J/kg＝0.2×10－3kg×4.6×107 J/kg＝9.2×103 J，所以W＝Q放×90％＝9.2×103J×90％＝8.28×103J；排气过程中，废气温度降低，内能减少；(2) 汽油机的效率很低，主要原因之一是废气带走了大量的能量.【来源：21·世纪·教育·网】
三.实验题：
10.(1) 锅炉效率低的原因：① ( http: / / www.21cnjy.com )锅炉冒出大量的黑烟说明煤燃烧不完全；② 锅炉周围的温度很高说明向周围散失的热量太多. 改进措施：① 加大送风量，将煤块磨成煤粉，使煤在炉膛内尽可能燃烧完全；② 在锅炉的外围包裹一层不易散热的材料，减少热量散失.www-2-1-cnjy-com
(2)可以加大受热面积。如：将煤块磨成煤粉，加大送风量，使煤粉在炉膛内吹起来燃烧等.
【解析】(1)锅炉热效率是指单位时间内 ( http: / / www.21cnjy.com )锅炉有效利用热量占锅炉输入热量的百分比，或相应于每千克燃料(固体和液体燃料)，或每标准立方米(气体燃料)所对应的输入热量中有效利用热量所占百分比；提高锅炉热效率就是增加有效利用热量，减少锅炉各项热损失，其中重点是降低锅炉排烟热损失和机械未完全燃烧损失；因而锅炉效率低的原因：① 锅炉冒出大量的黑烟说明煤燃烧不完全；② 锅炉周围的温度很高说明向周围散失的热量太多.改进措施：① 加大送风量，将煤块磨成煤粉，使煤在炉膛内尽可能燃烧完全；② 在锅炉的外围包裹一层不易散热的材料，减少热量散失.(2)要减少烟气带走的热量，可以采用加大受热面积.21·cn·jy·com
四.计算题：
11.解：≈40.5℃
【解析】 Q放＝mq＝500g×3.4×107 J/kg＝500×10－3kg×3.4×107 J/kg＝1.7×107 J， 所以Q吸＝Q放＝1.7×107J，由Q吸＝cmΔt，可得Δt＝＝＝℃.【来源：21cnj*y.co*m】
12.⑴ 5.75×104 Pa ⑵ 1.15×107 J 2.3×104 W ⑶ 1 kg
【解析】(1)F＝G＝mg＝1150 kg ×10 N/kg＝1.15×104 N，所以p＝＝＝5.75×104 Pa； (2) f＝0.1G＝0.1 ×1.15×104 N＝1.15×103N，所以W＝fs＝1.15×103N ×10km＝1.15×103N ×10×103m＝1.15×107J， P＝fv＝1.15×103N ×72 km/h＝1.15×103N ×20m/s＝2.3×104 W； (3) Q放＝＝＝4.6×107 J，由Q放＝mq可得m＝＝＝1kg.21教育网
13.(1) 1.08×108 J (2) 1.5×104 W (3) 67.5％2·1·c·n·j·y
【解析】(1) F＝G＝mg＝1.8×106 kg ×10 N/kg＝1.8×107 N，所以W＝Fs＝1.8×107 N ×6m＝1.08×108 J ；(2) P＝＝＝＝1.5×104 W；(3) m＝ρV＝0.8×103 kg/m3×5 L＝0.8×103 kg/m3×5×10－3m3＝4kg， Q放＝mq＝4kg×4.0×107 J/kg＝1.6×108 J，所以η＝×100%＝×100%＝67.5％.
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