/ 让教学更有效 精品试卷 | 物理学科
第十四章 内能的利用
第3节 热机的效率
新课导入
方式一 【问题引入】
导入语: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
热机跟所有机械一样,也存在一个效率问题,这节课我们就来讨论一下热机的效率。(板书课题)
方式二 【情境引入】
导入语:为什么最早的人类利用木柴取暖、生火做饭;而后来发现煤炭后,采用煤炭代替了木柴(图14-3-1) 二者燃烧时释放热量的能力一样吗
图14-3-1
电子视频 (详见电子资源)
教材知识处理
教学片段:理解热机效率
过渡:我们使用煤炭烧水,燃料能否完全燃烧 燃烧释放的热量又有多少会被水吸收 普通的家用煤炉燃烧无烟煤(图14-3-2),燃烧效率只有15%;普通燃煤锅炉,燃烧效率约为30%;现代化的锅炉,燃烧效率可达90%左右。
图14-3-2
多媒体展示:燃料的利用。
讨论:在实际利用燃料时,燃料很难完全燃烧,而且放出的内能不能被完全利用,有效利用的只是其中一部分。怎样才能提高燃料的利用率呢
引导点拨:改善燃烧的条件,使燃料尽可能充分燃烧;尽可能减少各种热量损失。
燃料的利用效率:有效利用的热量与燃料完全燃烧时放出的热量的比值。η=
过渡:热机是将内能转化为机械能的机器,它跟所有机械一样,也有效率的问题。
思考:热机并不能把燃料燃烧放出的能量全部用来做功,其中相当一部分能量散失了,散失的能量去了哪里
本节教材链中考
[考点小说] 热机效率是热机性能的重要指标,尤其在人们的环保意识越来越强、环保压力越来越大的今天,更具有重大的社会意义,所以热机效率也是中考经常涉及的高频考点,多以填空题、选择题、计算题的形式出现。
[考点对接] 1.热值
[源起教材P30] 想想议议
燃油的种类很多,固体燃料有木柴、煤等,液体燃料有汽油、酒精等,气体燃料有煤气、天然气等(图14.3-1)。根据你的经验,相同质量的不同燃料,燃烧时放出的热量是否相同 要找出事实来支持你的观点,并进行分析。
图14.3-1 几种燃料
例1 (连云港中考)下列关于燃料的热值说法正确的是 ( )
A.燃料燃烧越充分,其热值越大
B.燃料的热值越小,完全燃烧放出的热量越少
C.一瓶酒精用去三分之一,剩余酒精的热值将减小
D.焦炭的热值是3.0×107 J/kg,完全燃烧1 kg焦炭能放出3.0×107 J的热量
[解析] D 热值是燃料的特性,其大小仅与燃料的种类有关,而与燃料的质量和燃烧程度无关,故A、C错误;根据Q放=mq知,在质量相同时,燃料的热值越小,完全燃烧放出的热量越少,故B错误;1 kg焦炭完全燃烧放出的热量:Q放=mq=1 kg×3.0×107 J/kg=3.0×107 J,故D正确。
例2 (广元中考)随着科技发展,人们已经开始将氢能作为一种新能源加以利用。已知氢燃料的热值为1.4×108 J/kg,水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)。如果一辆汽车平均每月消耗氢燃料30 kg,这些氢燃料完全燃烧释放的热量为 J,若这些热量完全被水吸收,可使 kg水的温度从20 ℃升高到100 ℃。
[答案] 4.2×109 1.25×104
[解析] 氢燃料完全燃烧释放的热量:Q=mq=30 kg×1.4×108 J/kg=4.2×109 J;根据热量的计算公式可得水的质量:m'====1.25×104 kg。
[考点对接] 2.热机效率
[源起教材P32]插图
图14.3-2 燃料化学能的转化
例3 (苏州中考)如图14-3-3所示为某折叠卡式炉,采用丁烷气体作为燃料。水壶装入2 L、初温为25 ℃的水,用卡式炉加热至100 ℃,消耗了25 g丁烷气体。求:[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),丁烷的热值为4.8×107 J/kg]
图14-3-3
(1)壶中水的质量。
(2)水吸收的热量。
(3)卡式炉的加热效率。
[答案] (1)壶中水的质量:m水=ρ水V水=1.0×103 kg/m3×2×10-3 m3=2 kg。
(2)水吸收的热量:Q水=c水m水Δt水=4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×(100 ℃-25 ℃)=6.3×105 J。
(3)丁烷气体完全燃烧放出的热量:Q丁烷=m丁烷q丁烷=0.025 kg×4.8×107 J/kg=1.2×106 J;
卡式炉的加热效率:η=×100%=×100%=52.5%。
例4 (山西中考)山西拥有丰富的历史文化遗产。暑假期间小明一家从平遥古城自驾前往五台山,进行古建筑研学旅行。平遥古城到五台山全程约360 km,驾车前往大约需要4 h。(汽油的热值q取4.5×107 J/kg,汽油的密度ρ取0.8×103 kg/m3)
(1)求汽车的平均速度。
(2)汽车全程消耗汽油25 L,求汽油完全燃烧放出的热量Q。
(3)若汽车发动机全程的平均功率为25 kW,求汽车发动机的效率。
[答案] (1)汽车的平均速度为v===90 km/h。
(2)全程消耗汽油的体积为V=25 L=0.025 m3,
汽油的质量为m=ρV=0.8×103 kg/m3×0.025 m3=20 kg,
汽油完全燃烧放出的热量为Q=mq=20 kg×4.5×107 J/kg=9×108 J。
(3)汽车全程所做的有用功为W=Pt=25×103 W×4×3600 s=3.6×108 J,
则汽车发动机的效率为η=×100%=×100%=40%。
拓展材料
材料——53.09%!潍柴动力再次刷新全球行业纪录
2024年4月20日,世界内燃机大会在天津开幕。大会重磅发布行业最新技术成果——由山东重工集团旗下潍柴动力研发的全球首款本体热效率53.09%柴油机,标志着中国内燃机行业又一次走向了全球科技巅峰,引领中国高端装备制造业迈向世界一流。
长期以来,柴油机热效率持续提升是国际难题。柴油机问世127年来,全球行业科技工作者始终把热效率的提升作为毕生追求的梦想,这也是衡量一个国家内燃机综合实力的标志。
——详见电子资源
能力培优题 (详见电子资源)
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第十四章 内能的利用
第3节 热机的效率
教材 解读 本节阐述了有关燃料的热值、热机效率等物理概念。通过具体分析,使学生认识到在利用燃料内能方面,也不可避免地会有一部分内能转化或转移到其他地方,因此要建立热机效率的概念,并与机械效率进行联系和类比。使学生了解内燃机的发展对人类进步起到的作用,同时也要使学生认识到它给环境带来的污染。《初中物理新课程标准》对本节内容的要求是:“从能量转化的角度认识燃料的热值,通过能量的转化和转移认识效率。”
学 习 目 标 物理观念 1.从能量转化的角度认识燃料的热值。 2.了解内能的利用在人类发展史上的重要意义。 3.通过能量的转化和转移,认识热机效率。
科学思维 通过热机效率的学习,初步形成能量守恒的思想。
科学态度 与责任 培养学生节约能源与保护自然的意识。
教学 重、 难点 重点:从能量转化的角度认识燃料的热值,能利用热值表进行有关燃料燃烧放热的简单计算。 难点:热机中的能量转化及损失,热机效率的计算。
教学 建议 “燃料及其热值”这部分内容的教学,应在学生从生活中体会到不同燃料燃烧释放内能的本领不同的基础上进行,要求学生知道热值的单位,会查热值表,并知道热机的物理意义。 “热机效率”这部分内容安排了燃料燃烧能量流向示意图并得出热机的效率。通过引导学生讨论“如何提高热机的效率”结论的得出,体现物理知识来源于实践的思想。 本节课教学中,建议向学生提供一些关于热机效率、节能、燃料燃烧排放物污染与治理方面的资料,或指导学生从有关的科普读物、电影、电视、新闻媒体及网络查寻,让学生通过阅读、调查,总结与热机有关的物理规律。
教学设计① (对应ppt见电子资源)
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 情境导入: 发射人造卫星、宇宙飞船所用的火箭要用液态氢作为燃料。你知道这是为什么吗 用汽油、柴油作为火箭燃料可以吗 学习了这一节,你就明白了。 观察、思考、交流 从学生熟知的情境切入课题,符合学生的认知特点,使学生有亲切感,乐于探究。
【探究新知】 一、燃料的热值 探究活动1 什么是燃料 日常生活中常用的燃料有哪些 分析燃料燃烧过程中的能量转化。 燃料:人类在原始社会就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭。在现代社会,人类所用的能量很大一部分依然是从燃料的燃烧中获得的。能够燃烧的物质叫作燃料。 燃料的分类:固体燃料,如木材、煤、秸秆等;液体燃料,如汽油、柴油、酒精等;气体燃料,如煤气、天然气、氢气等。(展示教材图片) 燃料燃烧时的能量转化:在燃烧过程中,燃料的化学能转化为内能。 探究活动2 提出问题,让学生讨论:如何比较燃料释放热量的能力呢 分析:(1)取质量相同的不同燃料,让它们完全燃烧,比较释放热量的多少。 (2)让不同燃料燃烧,释放出相同的热量,比较它们燃烧质量的多少。 (3)取1 kg的不同燃料,比较它们完全燃烧放出的热量,从而得出燃料热值的概念。 总结归纳: 1.燃料的热值 (1)定义:某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比,叫作这种燃料的热值。 定义式:q=。 (2)物理意义:干木柴的热值是1.2×107 J/kg,其物理意义为1 kg干木柴完全燃烧放出的热量是1.2×107 J。 (3)热值的单位:焦每千克(J/kg)。 (4)说明——气体燃料的热值 气体燃料完全燃烧放出的热量与其体积之比,叫作这种气体燃料的热值,其定义式为q=。对某些气体燃料,热值在数值上等于在标准状态下1 m3的燃料完全燃烧放出的热量,单位为焦每立方米,符号是J/m3。 观察、交流、回答 思考、交流 思考、归纳、总结 思考、归纳、总结 通过问题设置,进一步激发学生的学习兴趣。 引导学生归纳总结。 建立热值概念,使学生知道热值是燃料的重要特性。
2.计算公式 (1)固体、液体燃料的燃烧放热公式:Q=mq; (2)气体燃料的燃烧放热公式:Q=Vq。 二、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:煤气不能完全燃烧,损失了一部分能量,装水的容器吸收了一部分能量,煤气灶本身也会吸收一部分能量,高温的烟气带走了一部分能量,还有一部分能量直接散失掉了,等等。水吸收的热量只占煤气完全燃烧放出热量的一部分,只有水吸收的热量才是被有效利用的。 引出概念:引导学生总结得出燃料利用率的概念,即有效利用的能量占燃料完全燃烧放出能量的比值。 ①燃料的利用率(炉子、燃气灶的热效率等): η==。 ②提高锅炉中燃料利用率的方法:把煤磨成煤粉,增大与氧气的接触面积;把空气吹进炉膛增大送氧量。 探究活动3 1.讨论交流:在内燃机中燃料燃烧释放的能量都到哪里去了 (展示如下图片) 结论:热机工作时,并不能将燃料燃烧释放的内能全部用来对外做有用功,有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。 2.分析能流图 结论: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所释放能量的一部分。 热机工作时能量的损失由以下几部分构成: ①燃料没有完全燃烧; ②排出废气带走部分能量; ③克服摩擦消耗能量(由于机械传动等要克服摩擦消耗能量); ④热机本身发热带走一部分能量。 思考、交流 让学生在思考热值概念的基础上,推导归纳燃料完全燃烧的放热公式。 知道热机工作时燃料燃烧释放能量的主要流向。
图示如下: 归纳总结: (1)热机效率 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公式:η=×100%。 (2)说明 ①热机的效率是热机性能的重要指标。 ②各种热机的效率: 蒸汽机:6%~15%; 汽油机:20%~30%; 柴油机:30%~45%; 飞机上的喷气式发动机:50%~60%。 (3)提高热机效率的途径: ①提高燃料利用率,使燃料充分燃烧; ②改进热机,减少各种能量损失; ③充分利用废气的能量; 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。 课堂小结(略) 课堂练习(略) 布置作业(略) 思考、交流、总结 知道怎样提高热机效率以及提高热机效率的意义所在。
教学设计② (详见电子资源)
温馨提示:为满足广大一线教师的不同教学需求,特新增“典案二 教学设计②”,
内含多种授课方式不同的教学设计案例,word排版,可编辑加工,方便使用。
内容详见电子资源。
导学设计
学点1 燃料的热值
1.燃料
[想一想]你能说出常用的一些燃料吗 燃料燃烧时能量发生怎样的转化
[分析总结](1)燃料的种类:固体燃料有木柴、 煤炭 等;液体燃料有 汽油 、柴油、酒精等;气体燃料有煤气、 天然气 等。
(2)燃料的燃烧是一种化学变化,在燃烧过程中,燃料的 化学 能转化为 内 能。
2.燃料的热值
(1)研究相同质量的不同燃料,燃烧时放出的热量是否相同
[交流讨论]根据你的经验,相同质量的不同燃料,燃烧时放出的热量相同吗 有哪些事实来支持你的观点 进行交流列举。
[分析论证]
①不同燃料燃烧释放热量的能力是 不同 (选填“相同”或“不同”)的。实验发现1 kg的煤燃烧释出的热量是1 kg木柴燃烧放出热量的两倍多。
②怎么比较燃料燃烧放出热量的能力呢 可以采取比较物体密度大小的方法(所有物体都取 1 m3 ,比较它们质量的多少),把所有燃料都取1 kg,让它们完全燃烧,比较它们放出热量的多少。
由于燃料的成分不同,相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出的热量不同,在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。
(2)燃料的热值
①热值的定义:某种燃料 完全燃烧 放出的热量与其 质量 之比,叫作这种燃料的热值,用字母q表示。
②热值的计算公式:q=。
Q放表示放出的热量,单位是焦(J);
m表示固、液体燃料的质量,单位是千克(kg);
q表示热值,单位是 焦/千克(J/kg) 。
③热值的物理意义:热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量。如木炭的热值为3.4×107 J/kg,它表示:1 kg木炭完全燃烧放出的热量是3.4×107 J。同种燃料的热值 相同 ,不同种燃料的热值一般 不同 。
④燃料燃烧放出热量的计算: Q放=qm 。
⑤气体燃料的热值:q=。
V表示气体燃料的体积,单位是米3(m3);
Q放表示放出的热量,单位是焦(J);
q表示气体燃料的热值,单位是 焦/米3(J/m3) 。
(3)观察常见燃料的热值表
燃料 热值 燃料 热值
干木柴 约1.2×107 J/kg 柴油 4.3×107 J/kg
烟煤 约2.9×107 J/kg 煤油 4.6×107 J/kg
无烟煤 约3.4×107 J/kg 汽油 4.6×107 J/kg
焦炭 约3.0×107 J/kg 氢气 1.4×108 J/kg
木炭 3.4×107 J/kg 焦炉煤气 约1.7×107 J/m3
酒精 3.0×107 J/kg 沼气 约1.9×107 J/m3
[思考]①热值表中,热值最大的是哪种燃料 热值最小的是哪种燃料
②火箭上为什么用液态氢作为燃料
③热值反映了燃料的什么性质 不同燃料的热值一定不同吗
[回答]①表中热值最大的是 氢气 ,热值约为 1.4×108 J/kg ,热值最小的是 干木柴 ,热值约为1.2×107 J/kg。
②火箭上用液态氢作为燃料是因为 氢的热值大 。
③热值是燃料的一种特性,不同的燃料一般有 不同 (选填“不同”或“相同”)的热值。
学点2 热机的效率
1.日常生活中的热效率
[想一想]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 不能 完全燃烧,损失了一部分能量;装水的 容器 吸收了一部分能量; 煤气灶 本身也会吸收一部分能量;高温的 烟气 带走了一部分能量;还有一部分能量直接散失掉了;等等。水吸收的热量只占煤气完全燃烧放出热量的 一部分 ,只有水吸收的热量才是被有效利用的。
热效率的概念:吸收的能量占燃料完全燃烧放出能量的 比值 。
①热效率(炉子、燃气灶的热效率等)
η==。
②提高锅炉中燃料热效率的方法
把煤磨成煤粉,增大与氧气的接触面积;把空气吹进炉膛增大送氧量。
2.热机的效率
(1)如图14-3-4所示为热机能量流向示意图。
图14-3-4
分析能量的流向:汽油在气缸内 不能 (选填“能”或“不能”)完全燃烧,损失了一部分能量; 废气 带走了一部分能量;热机自身对外 散热 ,带走了一部分能量;由于机械传动等克服 摩擦 要消耗一部分能量; 热机 自身吸收一部分能量;等等。
所以真正转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧所释放能量的一部分。只有对外做 有用功 的能量是被有效利用的。
(2)热机的效率
①定义:用来做有用功的那部分能量,与燃料完全燃烧释放的能量 之比 ,叫作热机的效率。
②公式:η=或η=。
③物理意义:热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的 利用率 的高低,热机的效率高,在做功同样多的情况下,就消耗更 少 的燃料,节约能源。
3.提高热机效率的主要途径
(1)尽量减少各种热量损失,设法利用 废气 的能量。大型发电机常用蒸汽轮机推动,为了提高燃料的利用率,热电站常利用蒸汽轮机排出的废气来供热。
(2)在热机的设计和制造上采用先进的技术。
(3)使用时,注意保养,保证良好的润滑,合理调整各零件之间的间隙,减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。
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