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第二节 热机的效率
教学目标
知识与技能
1、知道在燃烧过程中燃料的化学能转化为内能;
2、知道什么是燃料的热值和单位，会查燃料热值表.
过程与方法
1、从生活中体会不同燃料燃烧释放热的本领不同，建立热值的概念。
2、能简单计算某种燃料完全燃烧放出的热量。
3、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。
情感态度与价值观
结合有效利用燃料的途径，使学生懂得节约和充分利用能源的重要意义.
教学重难点
重点是燃料热值的概念和理解，热机的效率。
难点是对热机的效率的理解。
教学过程
内容 教师活动 学生活动 设计意图
一、燃料的热值燃料的分类2、燃料燃烧放出的热量与什么因素有关？二、燃料的热值：三、热机的效率 一、活动情景设置1、请同学观察插图，说说燃料的燃烧时能量的转化过程。 燃料的燃烧说说生活中你知道的燃料有哪些？思考，燃料可分为哪几类？4、根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧放出的热量是不是相同？要找出事实来支持你的论点，并进行分析。 二、燃料及其热值相同质量的不同燃料燃烧放出的热量是不同的。请同学认真学习自主学习课本热值的知识，并回答下列问题：1.什么叫燃料的热值？热值用什么符号表示？2.热值的单位是什么？3.木炭热值是3.4×107J/kg，表示的物理意义是什么？4.煤气的热值是3.9×107J/m3，表示的物理意义是什么？5.计算燃料完全燃烧放出热量公式是什么？体积为V的某种燃料完全燃烧放出的热量是多少焦？6.燃料燃烧放热计算：小明某次用火炉烧水时，共消耗了1.5kg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=2.7×107J/kg) 交流总结：（1）热值反映了燃料本身的一种特性,只与燃料的种类有关,与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧均无关系。（2）热值的单位：J／ｋｇ（3）不同燃料的热值一般不同；不同燃料的热值有时还可能相同。（4）氢气的热值最大。（5）气体的热值单位：J/m3练一练500g汽油完全燃烧时可以放出多少热量？计算时注意的问题1、公式计算的是燃料完全燃烧时放出的热量2、公式中m必须用Kg为单位，V必须用m3为单位。 3、热值q与燃料质量和放热的多少没有关系，它是反映燃料优劣的物理属性三、热机的效率提出问题：用煤气灶烧水时，煤气能完全燃烧吗？煤气燃烧放出的热量能全部被水吸收吗？分析讨论：煤气燃烧放出的热量：1、煤气不能完全燃烧，损失了一部分能量2、煤气灶本身也会吸收一部分能量3、高温的烟气带走了一部分能量4、还有一部分直接损失掉了5、水吸收的热量只占煤气放出热量的一部分所以，在烧水的过程中，被水吸收的热量与燃料完全燃烧放出能量的比值，称为热效率。热机也有类似的情况：在内燃机中，燃料燃烧产生的能量到哪里去了呢？热机是将内能转化为机械能的装置，在这个情景中，真正转变为对外做有用功的能量只占燃料燃烧时所释放能量的一部分。所以：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。理解热机的效率:（1) 热机效率是指热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧所择放的能量的比值,它反映了能量的利用率,热机性能的一个重要标志.(2) 由于热机在工作过程中,总有能量损失,所以热机的效率总小于1。练一练某中学为学生供应开水，用锅炉将200kg的水从25 ℃加热到100 ℃ ，燃烧了6kg的无烟煤。试求(1) 锅炉内200kg的水吸收了多少热量？(2) 6kg无烟煤完全燃烧放出的热量是多少？(3) 此锅炉的效率是多少？（无烟煤的热值是3.4×107J/kg议一议为了合理利用能源，人们一直都在努力提高热机的效率，汽油机的效率：20～30%，柴油机的效率：30～45%，都比蒸汽机的效率高，那么怎样提高热机的效率？引导学生从节能和环保角度分析有效利用燃料的方法，探讨提高热机效率的途径。总结：1、使燃料充分燃烧2、尽量减少各种热量损失；3、在热机的设计和制造上采用先进的技术；注意保养，保证良好的润滑，减少因克服摩擦阻力而额外消耗的能量燃料的利用使人类得到大量内能,但同时造成环境污染,尤其是热机的使用.因此,保护环境,控制和消除大气污染是必须重视的问题,请同学们课下收集如何控制和消除大气污染。 学生观察、思考、回答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。燃料的种类很多，可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。柴火、液化气、蜡烛……固体燃料：木柴、煤等，液体燃料：汽油、柴油等，气体燃料：煤气、天然气等。学生自主学习，思考回答燃烧相同质量的不同燃料，放出的热量不同。 如：1千克木柴、1千克煤和1千克的液化石油气完全燃烧时放出热量不同（烧同一壶水时升高的温度不一样1、某种燃料完全燃烧所放出的热量与其质量之比。其符号是q2、J/kg J/m33、1千克木炭完全燃烧时放出的热量是3.4×107J4、1立方米煤气完全燃烧时放出的热量是3.9×107J5、Q放= mq Q = Vq其中m表示质量，单位是kg，q表示热值，单位是J/kg，Q表示燃料燃烧放出的热量，单位是J。6、Q= mq =1.5kg×2.7×107J/kg =4.05×107J解：查表可知，汽油的热值q=4.6×107J/kg m=500g=0.5kgQ=qm=4.6×107J/kg×0.5kg=2.3×107J学生讨论，分析煤气燃烧放出能量的几种去向，然后个别回答。学生通过分析理解热效率根据生活经验进行回答。学生通过类比分析理解热机的效率学生练习学生通过计算加深对热效率的理解。学生讨论有效利用燃料的方法，探讨提高热机效率的途径。 通过具体的事例，说说能量的转化过程。能量在物理教学过程中贯穿始终。与生活密切联系，并学会深层次的思考。培养学生阅读能力、思考能力根据热值的物理意义，去推倒燃料燃烧放热的公式，符合学生的认知规律。提高生的计算能力，同时纠正在练习时的错误。培养学生们透过现象，进行思考的能力。学生在机械效率的基础上建立热效率的概念，进而建立热机的效率，可以使学生认知更有条理性，更深刻，加深对热机效率的理解。增强学生的环保意识，增强学生为提高热机效率，加强环保的责任心和使命感。也体现了从物理到生活的理念。
三、课堂小结 回顾本节课“你学到了什么？” 学生讨论发言，梳理本节知识要点
四、布置作业 课内作业：动手动脑学物理1、3课外作业：动手动脑学物理2、4 课后完成
定义：某种燃料完全燃烧所放出的热量与其质量之比
单位：J/kg, (J/m3)
公式：Q=mq
热值
14.2热机的效率
1.定义：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
2.如何提高热机的效率
热机的效率
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第十四章 内能的利用
二 热机的效率
*
*
生活中常见的燃料
*
*
2、燃料的燃烧是一种什么变化？
生活中常见的燃料
3、从能量转化的角度来看，燃料燃烧的
实质是什么？
1、生活中常见的可以分为几类？
*
*
一、燃料的热值
1、定义：我们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q表示。
2、单位是焦耳每千克，符号是J/kg.
3、热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量
q木炭= 3.4×107J/kg ，表示的物理意义：
1kg氢完全燃烧放出的热量是3.4×107J/kg 。
*
*
燃料 热值（J/kg） 燃料 热值（J/kg）
干木柴
烟煤
无烟煤
焦炭
木炭
酒精 1.2×107
2.9×107
3.4×107
3.0×107
3.4×107
3.0×107 柴油
煤油
氢
煤气(J/m3)
天然气 (J/m3) 3.3×107
4.6×107
1.4×108
3.9×107
(7.1-8.8)×107
热值是燃料的一种特性，只跟燃料种类有关跟质量大小、是否燃烧等因素无关。
一、燃料的热值
*
*
一、燃料的热值
小明某次用火炉烧水时，共消耗了1.5kg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=2.7×107J/kg)
Q= mq =1.5kg×2.7×107J/kg =4.05×107J
*
*
把50kg 40℃的水烧开，需要完全燃烧多少kg的干木柴？
（已知干木柴的热值为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，水的比热容是4.2×103J/kg.°C）
一、燃料的热值
*
*
解：Q吸=Cm(t –t0)
=4.2×103J/(kg·℃)×50kg×(100℃- 40℃)
= 1.26×107J
因为Q吸=Q放=1.26×107J
所以干木柴质量
m=Q/q=1.26×107J/1.2×107J/kg=1.05kg
思考：
上例中小明烧水用了1.05kg的烟煤，这些煤完全燃烧放出的热量为1.26×107J，实际放出的热量是1.26×107J吗？为什么？水实际吸收的热量呢？
水实际吸收的热量，称为有效利用的热量。
二、热机的效率
1、炉子的效率：
有效利用的热量（水吸收的热量）与燃料完
全燃烧放出的热量之比。
公式：η=
Q吸
Q放
=
cm△t
mq
二、热机的效率
2、提高燃料利用率，节约能源
(1)使煤充分燃烧：将煤磨成煤粒，加大送风量。
(2)加大受热面积，减少烟气带走的热量.
*
*
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
废气排出带走的能量
热机真正转变为对外做功的部分
二、热机的效率
热机在工作过程中能量的分配
*
*
热机效率：用来做功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比
W有
Q放
×100%
η=
*
*
1、使燃料充分燃烧;
2、尽量减少各种热量损失；
3、在热机的设计和制造上采用先进的技术；
4、注意保养，保证良好的润滑，减少因克服
摩擦阻力而额外消耗的能量。
提高热机效率的途径
*
*
除了提高热机效率的方法外，我们还能
用什么方法来保护环境
改进燃烧设备，加装消烟除尘装置;
集中供热；
改用气体燃料，普及煤气和天然气；
充分开发利用污染少和无污染的新能源。
*
*
“温室效应”将导致全球气候逐渐变暖，从而造成海
平面上升、热带风暴频发等一系列气象灾害。人类
已认识到“温室效应”加剧的危害，正在制定国际公约
以限制“温室气体”的排放。请你至少提出一个减少二
氧化碳气体排放合理化的建议：＿＿＿＿＿＿＿＿＿
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
植树造林、少开车多走路、研发新型能源……
*
*
一、燃料的热值：
1、定义：我们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q表示
2、单位是焦每千克，符号是J/kg
3、意义
4、热值是燃料的一种特性，只跟燃料本身有关，跟质量、是否燃烧等因素无关
5、计算：q=Q/m（Q=mq或者Q=Vq）
二、热机的效率：η=W有/Q放
2. 燃料的热值
1千克某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值。
（2）单位：
J/kg（或 J/m3）
焦耳每千克
（1）定义：
Q放 = qm
（3）公式：
质量
热值
汽油机的效率：20~30%
柴油机的效率：30~45%
你认为它们的效率比你想象的高？还是低？
猜猜看：
汽油机、柴油机的效率大约是多少？
思 考：
如何提高热机的效率？
1、尽量使燃料充分燃烧
2、尽量减少热机部件间的摩擦
3、机件间保持良好的润滑以减小摩擦。
热机的效率：
用来做有用功的能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比
巩固练习：
3、为节约能源，需提高热机的效率。下列措施中不能提高热机效率的是 （ ）
A 尽量使燃料充分燃烧
B 尽量增加热机的工作时间
C 尽量减少废气带走的热量
D 尽量减少热机部件间的摩擦
B
5、下面说法不正确的是（ ）
A．燃料燃烧时，将化学能转化为内能
B．人类使用的能量绝大部分是从燃料的燃烧中获得的
C．l kg的某种燃料燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值
D．提高燃料的利用率是节约能源的重要措施
解析：选C. l kg的某种燃料完全燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值，必须加上“完全”两个字，故C错.
C
6、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
解析：选D.提高热机效率的方法是减少各种能量损失，充分利用燃料放出的能量，减小摩擦尽量少做额外功等.
D
巩固练习：
7、以下交通工具中，常用汽油机作为动力的是 （ ）
A 轻型轿车 B 重型运载卡车
C 手扶拖拉机 D 磁悬浮列车
A
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。
蒸气机效率最低：6%~15%；
汽油机效率：20%~30%；
柴油机效率：30%~45%。
提高热机效率的途径和方法： （l）尽可能减少各种热损失，保证良好的润滑，减少因克服摩擦所消耗的能量； (2)充分利用废气的能量，提高燃料的利用率，如利用热电站废气来供热。这种既供电又供热的热电站，比起一般火电站来，燃料的利用率大大提高。
6.热机对环境的影响
1.热机对大气的影响。
（1）产生有毒气体。
（2）产生大量二氧化碳，造成温室效应。
（3) 产生粉尘。
2.热机产生噪音。登陆21世纪教育 助您教考全无忧
14.2热机的效率
一、选择题
1．关于热机错误的说法是（ ）
A.利用内能来做功的机器叫热机
B.蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机都叫热机
C.一切热机的工作过程都包括四个冲程
D.用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率
2．甲乙两台柴油机，甲的效率低于乙的效率，意义是 （ ）
A．甲的功率大于乙的功率
B．甲消耗的燃料多于乙消耗的燃料
C．乙将燃料燃烧放出的能变成有用功的那部分能的比例比甲大
D．工作相同时间甲消耗的燃料一定比乙少
3．对于燃料的热值，下列说法中，属于正确理解的是（ ）
A.燃料的热值与燃料的燃烧情况无关
B.容易燃烧的燃料热值一定大
C.使用热值高的燃料可以放出更多的热量
D.煤的热值大于干木材的热值，燃烧煤放出的热量比燃烧干木材放出的热量一定多
4．某摩托车的效率为34％，某汽车的效率为29％，这说明了（ ）
A.摩托车比汽车的功率大
B.摩托车比汽车做的有用功多
C.使用摩托车比使用汽车做功多
D.燃烧相同的燃料，摩托车将内能转化为机械能比汽车多
5．小明家冬天烧煤，当煤烧掉一半后，以下的说法正确的是（ ）
A．煤的热值变小 B．煤的密度不变
C．煤的热值不变 D．煤的质量不变
6．关于热机的效率下列说法中正确的是（ ）
A．热机做的有用功越多，效率就越高
B．相同的两辆汽车，装满一箱油，最多能开的路程越大的效率越高
C．汽车开的速度越大，发动机的效率越高
D．热机的效率越高，做的额外功就越少
7．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1kg乙种燃料，刚好烧开一壶水，那么用1kg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
8．不属于大气污染主要来源的是( )
A、家庭炉灶和取暖设备
B、大型水利发电站
C、工业企业(包括火电站、钢铁厂、化工厂等)
D、汽车、摩托车等交通工具
9．如图所示是内燃机的能流图，则内燃机的效率可以表示为（ ）
A.η=［(E1+E2+E3+E4)/E］×100％ B.η=(E2/E)×100％
C.η=［(E1－E3+E4)/E］×100％ D.η=(E1/E)×100％
二、填空题
10．汽车在行驶过程中，燃烧汽油，用来跑路。把汽油的 能转变为 能，然后再对外做功，转变为 能。
11．酒精的热值是3.0×107J/kg，表示__________________________________。完全燃烧500g酒精，能放出___________J的热量。
12．下表列出了几种燃料的热值，单位是J/kg。
干木柴 无烟煤 酒精 煤油 氢气
那么完全燃烧1g的酒精可放出热量____ _____J。放出相同的热量，需要完全燃烧干木柴_________克。
13．现代社会中汽车是一种重要的交通工具，很多汽车使用的发动机是四冲程汽油机，在它工作的过程中，________冲程将内能转化为机械能。焦炭的热值是3×107J/kg，完全燃烧1kg的焦炭放出的热量为________J。
三、计算题
14．已知干木柴的热值是1.2×107 J/kg，完全燃烧0.7 kg干木柴能放出多少热量？假设这些热量全部被水吸收，能使多少千克水的温度由20 ℃升高到70 ℃？水的比热容为4.2×103 J/(kg ℃).
15．小明学习了热学的有关知识后，知道水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃)，他想估算一下自己家每天烧水做饭需要的热量。于是小明仔细记录了他家每天烧水、煮饭、炒菜需要的时间，并把它折算成烧水时间，相当于每天将30 kg 20 ℃的水烧开。
（1）小明家每天烧水做饭需要多少热量？
（2）如果普通煤的热值为3×107 J/kg，从理论上讲小明家每天烧水做饭需要多少千克普通煤？
（3）小明家实际平均每天需要烧4块蜂窝煤，按每块蜂窝煤含煤0.5 kg算，他家每天实际用煤2 kg，由此小明计算出他家煤炉的效率只有16.5％。你认为小明家煤炉效率低的原因是什么？
（4）从大的方面讲，家用煤除了热效率低、浪费能源的缺点外，另一个主要缺点是什么？
参考答案
1.答案：C
解析：热机是把内能转换成机械能的装置，A对；蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机都属于热机的一种，B对； 用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率，D对；一般热机的工作过程都包括四个冲程，而不是一切，C错。
2. 答案：C
解析：效率指的是机械将燃料燃烧放出的热量转化为有用功的多少，与机械功率的大小无关A错，与燃料的热值和多少无关，B错。D属于机械做功多少的范畴，与效率无关。
3.答案：A
解析：燃料的热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，而与燃料的质量、是否完全燃烧无关，因此，A对，B错。燃料燃烧放出的热量与燃料的热值、燃料的质量以及燃料是否完全燃烧有关，只根据其中一个因素做出判断是错误的，所以C、D错。
4.答案：D
解析：热机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，它与功率无关，所以A不对。热机的效率高，表明相同的燃料燃烧，转化成的机械能多，或得到相同的机械能，消耗的燃料少，所以D对。单独比较有用功或总功都是不全面的，所以B、C不对。
5. 答案：C
解析：密度、热值是物质的特性，只与物质的种类有关，与物质的体积和质量无关，所以选C。
6. 答案：B
解析：热机的效率是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，可以利用进行计算，由公式可知，热机的效率与有用功与燃料燃烧放出的能量有关，在燃料燃烧放出的热量一定时，做的有用功越多，热机的效率就越高；反之，做相同的有用功，消耗的总能量越小，热机的效率也越高。在分析热机效率时，要注意采用控制变量的思想。相同的两辆汽车，装满一箱油，燃料完全燃烧放出的能量相同，最多能开的路程越大，能做的有用功越多，其效率越高。
7.答案：C
解析：燃烧的热值反映了单位质量的某种燃料完全燃烧放出的热量，热值是燃料的一种物理属性，其大小与燃料的质量、体积、是否完全燃烧等因素无关。甲种燃料的热值小于乙种燃料的热值，说明相同质量的甲、乙两种燃料，完全燃烧后甲放出的热量小于乙放出的热量。如果需要获得相同的热量，所消耗甲燃料的质量大于乙燃料的质量。
8.答案：B
解析：在使用燃料燃烧释放的内能时，会产生一些废气和废渣，对环境有较大的影响，要注重内能的利用与环境保护间的关系。
9.答案：B
解析：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。由能流图可以看出：燃料完全燃烧放出的能量应该是总能量——燃气的内能E，而用来做有用功的那部分能量应该是有用机械能E2，所以应选B。
10. 答案：化学、内、机械
汽车在行驶过程中，燃烧汽油，用来跑路。把汽油的化学能转变为内能，然后再对外做功，转变为机械能。
11. 答案：质量为1kg的酒精完全燃烧放出的热量为3.0×107J 1..5×107
解析：燃料的热值是指单位质量的某种燃料完全燃烧放出的热量。燃料燃烧放出热量可以利用Q=mq进行计算，在计算时要注意单位统一，质量的单位为kg，热值的单位用J/kg。
12. 答案：3×104 2.5
解析：燃料燃烧放出热量可以利用Q=mq进行计算，在计算中要注意单位统一，质量的单位用kg，热值的单位用J/kg。可以利用此公式来算质量，还可以用来算热值。由于不同燃料的热值一般不同，放出相同的热量需要燃料的质量也不相同。
13. 答案：做功 3×107J
解析：内燃机的四个冲程中有两个冲程有能量的转化，压缩冲程把机械能转化为内能，做功冲程把内能转变为机械能。
14. 答案：8.4×106 J 40 kg
解析：Q=mq=1.2×107 J/kg×0.7 kg=8.4×106 J
m=Q/c△t=8.4×106 J ÷[4.2×103 J/(kg ℃)×（70 ℃-20 ℃）]= 40 kg
15. 答案：（1）1.008×107 J （2）0.336 kg（3）小明家煤炉效率低的原因是：一方面煤不能完全燃烧，另一方面煤燃烧放出的热量不能被水完全吸收，大部分的热量散失掉了。（4）煤在燃烧过程中产生废渣、废气，造成环境污染。
解析：（1）小明家每天烧水做饭需要的热量即是水升温吸收的热量Q吸= c水m水(t－t0)
=4.2×103 J/(kg·℃)×30 kg×（100 ℃－20 ℃）=1.008×107 J。
（2）小明家每天烧水做饭需要的能量需要煤燃烧放出，即Q放= Q吸=1.008×107 J则需要的煤的质量为m=Q放/q=1.008×107 J/3×107 J/kg=0.336 kg。
（3）小明家煤炉效率低的原因是：一方面煤不能完全燃烧，另一方面煤燃烧放出的热量不能被水完全吸收，大部分的热量散失掉了。
（4）煤在燃烧过程中产生废渣、废气，造成环境污染。
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