14.3 热机的效率（教学设计） 人教版（2024）九年级全册

人教版九年级物理 第十四章内能的利用
第3节 热机的效率 （教学设计）
【课题】第3节 热机的效率
【学习目标】
1.利用生活经验体会不同燃料燃烧放出热量的本领不同，建立热值的概念。
2.从能量转化的角度认识燃料的热值。
3.能简单计算燃料燃烧释放出的热量。
4.了解内燃机中燃料燃烧放出热量的去向；知道什么是热机的效率并能进行简单计算；知道如何提高热机效率。
【学习重点】燃料的热值和热机的效率。
【学习难点】对热机的效率的理解。
【新课导入】问题：热机工作时需要消耗煤、汽油、柴油等燃料，对外做功的目的是将燃料中的化学能转化为机械能。热机中燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗
【新课学习】知识点一 燃料的热值
1人类从燃料的燃烧获取内能。
2.燃料的种类：①固体燃料：煤炭、木材等；
②液体燃料：酒精、汽油等；
③气体燃料：天然气、煤气等。
3.燃料的燃烧是一种化学反应（化学变化）.燃料燃烧过程中，将燃料储存的化学能转化为燃气（火焰）的内能。燃料燃烧放出热量（Q）。
【想想议议】相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同
经验事实：燃烧1kg煤放出的热量是燃烧1kg干木柴放出热量的两倍多。
得出结论：燃烧相同质量的不同燃料，放出的热量不同。燃料燃烧放热能力不同。
4.燃料的热值：某种燃料完全燃烧放出的热量（Q)与其质量(m)之比，叫作这种燃料的热值（q）。
（1）意义：燃料的热值反映燃料的燃烧放热能力（本领）。热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
（2）热值的单位：:焦每千克（J/kg）
（3燃料的热值：某种燃料完全燃烧放出的热量（Q)与其体积(V)之比，叫作这种燃料的热值（q）。
热值的单位：焦每立方米（J/m3）
指导学生阅读教材：一些燃料的热值
分析归纳得出结论：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）、燃料燃烧放出的热量、燃料是否燃烧、是否完全燃烧无关。
5.燃料完全燃烧放出的热量：Q=qm (热值单位为焦每千克）或 Q=qV（热值单位为焦每立方米）
【想一想】为什么发射火箭用液态氢作燃料？
解释：发射卫星的火箭采用液态氢作为燃料，原因是液态氢具有较大的热值，发射卫星需要的能量一定，液体氢燃烧放出一定热量，需要完全燃烧的燃料质量小（或完全燃烧相同质量的氢时，可以释放出更多的热量）。
【例题1】有人认为，无烟煤的热值比干木柴大、完全燃烧时无烟煤放出的热量比干木柴多，你认为呢 说说理由。
【解答】这说法不对。燃料完全燃烧时放出的热量和燃料的热值、 质量都有关系，只知道燃科的热值，不知道燃料的质量， 无法比较两种燃料放出热量的多少。
【例题2】如果干木柴跟煤油完全燃烧时放出的热量相等，那么干木柴的质量应该是煤油质量的几倍 请列出相关计算式来说明理由。
【解答】Q干木柴放=Q煤油放
由Q=qm得，q干木柴m干木柴=q煤油m煤
干木柴质量
干木柴的质量应该是煤油质量的3.83倍。
【例题3】（2025年四川广安中考题）2025年5月21日，我国“力箭一号”遥七运载火箭将6颗卫星顺利送入预定轨道，此次任务是该型号运载火箭第7次飞行。如图是火箭发射时的情景，下列说法正确的是【 】
A. 火箭加速升空过程中，力改变了火箭的运动状态
B. 火箭加速升空过程中，卫星相对于火箭是运动的
C. 火箭以氢为燃料，是因为氢的热值小
D.火箭加速升空过程中，卫星的动能不变，重力势能增大
【答案】A
【解析】A．火箭点火升空，向后喷出尾气，推动火箭高速运动，是力改变了火箭的运动状态；
B．火箭加速升空过程中，卫星相对于火箭位置没有发生变化，卫星是静止的；
C．火箭以氢为燃料，是因为氢的热值大，完全燃烧相同质量的燃料，热值大的燃料可以放出更多的热量；
D．火箭加速升空过程中，卫星的质量不变，速度增大，动能增大，高度增大，重力势能增大。
知识点二 加热效率（燃料的利用率）
用炉火加热物体，物体吸收的热量小于消耗的燃料完全燃烧放出的热量的原因：
【讨论】（1）消耗的燃料由于燃烧条件限制而没有完全燃烧，一部分以烟（雾）的形式排放到大气中；
（2）燃料燃烧放出的热量没有被物体全部吸收，一部分被炉具、盛装物体的容器吸收，一部分散失到空气中
1.加热效率（燃料的利用率）
利用内能加热物体时，有效利用的热量（Q吸 ）跟消耗的燃料完全燃烧放出的热量（Q）之比，叫做加热效率（燃料的利用率或炉子的效率）η
2.炉子的效率小于1的原因: （1）燃料没有完全燃烧；（2）燃料燃烧放出的热量没有被被加热物体全部吸收，有一部分散失了。
3.提高炉子效率的方法途径：
（1）改善燃烧条件，使燃料尽可能充分燃烧；（2）减少各种热散失。
归纳总结
利用内能加热物体
燃料燃烧放出热量 Q = qm 或Q = qV
通过热传递内能从燃气转移（传递）到被加热物体，被加热物体吸收热量（增加的内能）
Q吸=cm(t - t0 )
若热传递中无热散失 Q =Q吸；若热传递中有热散失 Q > Q吸
【例题4】（2025年江苏苏州中考题）用煤气炉将4kg水从20℃加热到70℃，消耗煤气0.05kg，已知煤气的热值为4.2×107J/kg，水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）.求：
（1）水吸收的热量；
（2）煤气完全燃烧放出的热量；
（3）煤气炉加热的效率。
【解答】（1）水吸收的热量
Q吸=c水m水（t-t0）=4.2×103J/（kg·℃）×4kg×（70℃-20℃ ） =8.4×105J
煤气完全燃烧放出的热量
煤气炉加热的效率
知识点三 热机的效率
想一想：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？
燃料储存的化学能，（1）燃料不能完全燃烧；（2）克服摩擦消耗的能量；（3）散热损失的能量；（4）废气带走的能量。真正能转变为对外做有用功的能量只是燃料完全燃烧所释放能量的一部分，很多能量都损失了。
1.热机的效率 η
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。
②公式：
③热机的效率都小于1.
2.提高热机效率的方法
①尽量使燃料充分燃烧；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； ③尽量减少各种热散失。
提高燃料（能量）利用率的方法：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。
【例题5】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。毎辆汽车每年耗油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
【解答】由η=W/Q得，W=ηQ
每辆汽车每年做的有用机械功一定。W=W'，即ηQ=η'Q'
由Q=qm可得，ηqm=η'qm'
效率提高后，
毎辆汽车每年耗油
毎辆汽车每年节约燃油m节约=m-m'=1.8t-1.742t=0.058t
10亿辆车每年节约燃油109×0.058t=5.8×107t
【例题6】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。
【解答】提高热机的效率的意义：
(1)节约能源，缓解能源压力；(2)减少碳的排放， 减少大气污染。
【课时知识总结】
【阅读教材】科学·技术·社会·环境 从火车到火箭
【课堂练习】
1. 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
【解答】人克服重力做功 W=Gh=mgh=60 kg× 10N/kg × 30m=18000J
汽油完全燃烧获得热量Q=W=18000J
由q=Q/m得，需要汽油质量
m汽油=Q/q=18000J/（4.6×107J/kg）=0.00039kg=0.39g
生活中，相当于一粒药片的质量（几粒米的质量）。
2.（2025年江西中考题）用燃气灶给一定质量的水加热，完全燃烧体积为V的燃气（燃气的热值为q），水吸收的热量为Q，则此燃烧过程中燃气放出的热量为______，该燃气灶的热效率为___________×100%.（本小题用题中字母表示）
【答案】qV
【解析】已知燃气的热值为q，完全燃烧燃气的体积为V，燃烧过程中燃气放出的热量为Q放=qV;
该燃气灶的热效率为
3. (2025年四川成都中考题）2025年4月24日在酒泉卫星发射中心，搭载神舟二十号载人飞船的长征二号F遥二十运载火箭发射升空。关于火箭发动机，下列说法正确的是【 】
A. 火箭发动机使用比热容大的燃料 B. 火箭燃料燃烧越充分，热值越大
C. 火箭发动机主要通过热传递获得机械能 D. 火箭发动机属于热机
【答案】D
【解析】A．火箭发动机需要燃料释放大量能量，因此应选择热值大的燃料，而不是比热容大的燃料，比热容大与燃料释放的能量无关；
B．热值是燃料的固有属性，与是否充分燃烧无关，燃烧充分只能提高燃料的利用率，但不会改变燃料的热值；
C．火箭发动机通过燃料燃烧产生高温高压气体，喷出时对外做功，将内能转化为机械能，属于通过做功获得机械能，而不是通过热传递获得机械能；
D．热机是将内能转化为机械能的装置，火箭发动机通过燃烧燃料获得内能，并转化为机械能。
【课后作业】练习与应用： 1、2、3、4、5题