12.4热机效率和环境保护教案

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第四节 热机效率和环境保护
一、教学目标
【知识与技能】
1．从能量转化的角度认识燃料的热值。
2．通过能量的转化和转移，认识效率。
3．能说出热机工作时燃料释放的能量的主要流向。对热机效率有初步认识。
【过程与方法】
1．从生活中体会不同燃料燃烧释放热能的本领不同，建立燃料热值的概念。
2．会查燃料的热值表。能根据燃料的热值计算一定质量的燃料完全燃烧所释放的热量。
【情感、态度与价值观】
能举例说明燃料燃烧产生的排放物对环境的影响，能从科学角度读懂媒体对与热机有关的环境方面的报道，培养自觉的环保意识。
二、教学重点难点
重点：建立燃料热值的概念及有关计算；通过能量的转化和转移，认识效率。
难点：认识热机效率。
三、课时安排
1课时
四、教与学互动设计
（一）创设情境，导入新课
【导语一】同学们，你们家里炒菜做饭都用什么燃料？你们知道发射“神舟六号”飞船的“长征2F”火箭用的是什么燃料吗？这些燃料有什么不同？
【导语二】同学们，你们知道洛杉矶光化学烟雾事件吗？这是怎样的一种环境污染？是怎样形成的？
（二）合作交流，解读探究
一、燃料的热值
【讨论交流】人类在原始社会就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭．燃料的燃烧是一种化学反应，燃烧过程中，储藏在燃料中的化学能被释放，转变成周围物体的内能．在现代社会，人类所用能量的绝大部分依然是从燃料的燃烧中获得的。人类能使用的燃料有哪些？这些燃料有什么不同？
【点拨】不同燃料燃烧释放能量的能力是不同的，1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值。热值用q表示，单位是J/kg。气体燃料的热值单位通常用J/m3。
【想一想】热值的物理意义
【点拨】查燃料热值表，柴油的热值是3.3×107J/kg，其物理意义是：1kg柴油完全燃烧释放出3.3×107J的热量。
计算4kg柴油完全燃烧释放的热量。
Q=mq=4kg×3.3×107J/kg=1.32×108J。
【拓展】计算燃料的质量：m=Q/q
【注意】热值是反映相同质量的不同燃料燃烧，放出的热量是不同的这一特性的物理量，不同燃料的热值不同，同种燃料的热值与燃料的质量无关。热值也是反映燃料燃烧时化学能转化为内能的本领大小的物理量．
【想一想】提高燃料利用率的途径。
【点拨】①改善燃烧条件，使燃料尽可能燃烧充分；②尽可能减少各种热量损失。
③城市集中供热：城市集中供热，是指在城市的一个较大的区域内，利用集中的热源，向该区域内的工厂及民用建筑供应生产、生活用热。由于用大型或较大型的高效锅炉取代分散的小锅炉，使锅炉的热效率达80％～90％以上。
　　④热电联产：热电联产，是指在同一电厂中将供热和发电联合在一起，简称CHP。热电联产将普通电厂本来废弃的热量加以利用，为工业和家庭提供廉价的取暖用热，这样可大大提高热效率。
　　通常的火力发电，其效率约为30％～35％。这意味着每产出1×106J的电能，就有2×106J的热量白白浪费掉。将这部分热量重新用来加热水，完全可以满足电厂附近区域的工厂和住宅区的取暖需要。
热电联产通常采用蒸汽轮机驱动发电机发电，而将废气用来对现有的锅炉装置补充加热，其总效率可达80％。
二、热机效率
【讨论交流】热机工作时，能不能将燃料所蕴藏的化学能全部用来对外做有用功呢？
【投影】热机工作时能量走向图
【点拨】由图可知，真正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。热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧释放的能量的比值称为热机效率，即η=W有/(mq)．
【议一议】提高热机效率的主要途径
【点拨】使燃料充分燃烧；尽量减少各种热量损失；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，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。
【想一想】热机的效率能达到100%吗？为什么？
【点拨】不能达到100%。因为热机中可用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的能量的一部分，因为各种热量损失以及燃烧条件的限制，这部分能量远远小于总能量，所以其与燃料完全燃烧所放出的总能量的比值必然小于1，即热机效率总小于100%。
三、环境保护
【讨论交流】燃料燃烧以及热机工作时对环境的影响
【点拨】①燃料燃烧排放的烟尘使大气十分浑浊；②排放的二氧化硫会形成酸雨；③排放大量二氧化碳会加剧温室效应；④汽车尾气中的氮氧化物还会造成光化学污染；⑤热机工作时还会产生噪声污染。
【讨论交流】环境保护措施
【点拨】①改进燃烧设备，加装消烟除尘装置；②集中供热；③改用气体燃料，普及煤气和天然气；④充分开发利用污染少和无污染的新能源．
（三）应用迁移，巩固提高
类型之一：热值
【例1】干木材的热值是1.2×107J/kg，它的物理意义是____________________．要放出3.6 × 107J的热量，需要完全燃烧__________kg的干木材．
解析：其物理意义是：1kg干木柴完全燃烧放出1.2×107的热量。由Q放=qm得：
变式题：已知酒精的热值为q，质量为m的酒精完全燃烧一半放出的热量为 ，剩余酒精的热值为 。
解析：同中燃料的热值相同，不同燃料的热值一般不同．它反映的是燃料的特性，其大小和燃料质量多少、是否完全燃烧、放出的热量大小无关。
答案：qm/2；q
类型之二：热效率
【例2】学习了电学和热学知识后，小华通过实验得知：用电热壶将20℃、15kg的水加热到100℃，需要1.05元电费。用煤气灶做同样的实验，则需要消耗0.42元的煤气。已知水的比热容为4.2×103J/（kg ．℃）。
（1）如果使用煤炉做同样的实验，已知煤炉燃烧所用无烟煤的热值为3.4×107J/kg，假设煤炉的热能利用率为20%，无烟煤的价格是0.34元/kg。则需花费多少钱？
（2）如果某地区可以同时提供电、煤气和煤，从经济和环保等角度综合分析，你会建议使用哪种燃料？请阐明理由。
解析：(1)Q吸= cmΔt=4.2×103 J/ kg·℃×15×103kg×80℃=5.04×107J
Q=Q吸/20%=2.52×107J m=Q/q=5.04×107J/3.4×107＝0.741kg
n=0.741×0.34=0.252(元)
(2)建议选择煤气，因为煤气价格适中，且污染小。
点评：无烟煤烧水的价钱，涉及到热量计算和热值的概念的理解。面对第二问的问题，不可能只是从经济角度考虑，还要综合考虑是否方便、卫生、安全、环保等。本题要求用科学知识来进行决策和判断，渗透了节约能源和保护环境的思想。
类型之三：热机效率及环保
【例3】内燃机的大量使用，促进了社会的进步，使人们享受了现代文明，但在使用内燃机的同时又给人类带来了污染，这主要是指________污染和________污染．在内燃机工作过程中，由图3所示的内燃机能流图可以看出，它的能量损失所占的百分比是：废气内能35％，散热损失30％，机械损失10％，则内燃机的热机效率是________．我们在高效利用能源的同时，也必须重视保护环境．
解析：内燃机排放的废气和烟尘造成了大气污染；工作时还会产生噪声污染。热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧释放的能量的比值称为热机效率，即η=W有/(mq)．即1-35%-30%-10%=25%。
答案：大气；噪声；25%
（四）总结反思，拓展延伸
【总结】
1．燃料的热值：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值。热值用q表示，的单位是J/kg。气体燃料的热值单位通常用J/m3。
2．热机效率：热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧释放的能量的比值称为热机效率，即η=W有/(mq)．
3．环境保护
【拓展】一辆轿车在平直的高速公路上匀速行驶1.8km，轿车上的速度表如图所示，在此过程中
（1）轿车速度为多少km/h？合多少m/s？
（2）若轿车行驶过程中发动机的功率为40kW，则该车行驶中
所受阻力多大？
（3）这段过程中轿车消耗汽油0.25kg，其发动机的效率多
大？（q汽油＝4.6×107J/kg）
解析：这是一道力学与热学的综合试题，涉及了速度、平衡力、功、功率、热量、热值、效率等许多知识点．计算发动机的效率可根据热机的效率公式，W有即为发动机牵引力对汽车所做的功，mq等于汽油完全燃烧放出的热量．
（1）轿车的速度为90km/h
（2）由 得：
因轿车匀速运动，受力平衡
所以阻力f=F=1600N
⑶汽油燃烧释放的热量为：
牵引力做功为：
∴发动机效率为：
（五）当堂检测反馈
1．四口之家分别单独使用不同种类的燃料时的平均月消耗量分别为：木柴约200 kg，烟煤约80kg，液化石油气约30kg；煤气约60kg．这四种燃料中哪一种燃料的热值最高 （ ）
A．液化石油气 B．煤气 C．烟煤 D．木柴
答案：A
2．航天工业中的火箭是用液态氢作为燃料的．这是因为液态氢具有( )
A．较小的质量 B．较小的密度 C．较大的比热容 D．较大的热值
答案：D
3．柴油机是工农业生产中常用的热机，已知某型号柴油机的效率是30%，在柴油机内完全燃烧2kg柴油能放热 J，这些热通过该柴油机的转化能对外做有用功 J．（柴油的热值为3.3×107J/kg）
答案：1.98×107
4．焚烧生活垃圾放出的热量用来发电，是综合利用垃圾的一种方法，据资料显示，仅2001年全国城市生活垃圾就达 1.5×108t．若焚烧1t垃圾可放出1.5×1010J的热量，如果将 2001年我国的城市生活垃圾全部焚烧，则放出的热量是___________J，它相当于________kg煤炭完全燃烧放出的热量（煤炭的热值为3.0×107J/kg）．
答案：2.25×1018；7.5×1010
5．完全燃烧140 g焦炭(焦炭的热值为3.0 ×107J/kg)能放出多少热量 若这些热量的30％被水吸收，则能使30kg、20℃的水温升高到多少度
五、资料链接
温室效应
有的科学家预言，21世纪末，地球上将没有冬天．真会这样吗 现在还不好说，但地球越来越热却是事实．那么地球为什么会越来越热呢 这得从温室效应说起．大气中的水蒸气、二氧化碳和其他微量气体，如甲烷、氟里昂等，能够吸收地球的长波辐射，阻碍地球向外空散发热量。就像在地球周围形成一个温室一样，于是科学家们把这类气体称作“温室气体”．温室气体吸收地球的长波辐射再反射回地球，从而减少地球向外层空间的能量净排放，大气层和地球表面将变热，这就是温室效应．大气中能产生温室效应的气体已经发现约30种，其中二氧化碳起主要作用．甲烷、氟里昂和氧化亚氮也起相当重要的作用．本世纪以来所进行的一些科学观测表明，大气中的各种温室气体都在增加．1775年之前，大气中二氧化碳含量基本维持在280 ppm．工业革命后，每年大约上升1.8 ppm，到目前，大气中二氧化碳的浓度已接近360 ppm．按一些专家的测算。地球表面温度已经上升了0.3～O.6摄氏度，导致全球海平面上升1O～25厘米．许多学者的预测表明，到下个世纪中叶前，世界能源的格局如果不发生根本性的转变．大气中二氧化碳的浓度将达到560 ppm，地球表面温度将进一步上升．
温室效应的危害主要有以下几个方面：
海平面上升 全世界大约有1/3的人口生活在沿海岸线60千米的范围内，经济发达，城市密集．全球气候变暖导致的海洋水体膨胀和两极冰雪融化．可能在2100年后使海平面上升50厘米，危及全球沿海地区，这些地区可能会遭受淹没或海水浸入．
影响农业和自然生态系统 随着二氧化碳增加和气候变暖，可能会增加植物的光合作用，延长生长季节。使世界上一些地区更加适合农业生产．但全球气温和降雨的迅速变化，可能使世界更多地区的农业和自然生态环境无法适应或不能很快适应这种变化．因而又可能遭受严重的破坏性影响．
加剧洪涝、干旱及其他气象灾害 气候变暖导致的气候灾害增多可能是一个更为突出的问题，厄尔尼诺现象就是一例．厄尔尼诺出现时．东南太平洋高压明显减弱，印度尼西亚和澳大利亚的气压升高，同时，赤道太平洋上空的信风减弱，因此有时候人们也把厄尔尼诺称为暖信风．目前对厄尔尼诺的认识还很不够．要彻底解开这个谜尚待时日．但很明显，厄尔尼诺给人类带来的灾难是严重的，最主要的就是使全球气候失调．
影响人类健康 气候变暖有可能增加疾病发生的危险和死亡率。增加传染病．
气候变暖已经在我国显现，多年来的暖冬就是明显的证据．从中外专家的一些研究结果来看，总体上我国的变暖趋势冬季将强于夏季，在北方和西部的温暖地区以及沿海地区，降雨量将会增加，长江、黄河等流域的洪水暴发频率可能会更高，东南沿海地区的台风和暴雨也将更为频繁。春季和初夏许多地区干旱会加剧，干热风频繁，土壤蒸发量上升．
为了控制温室气体排放和气候变暖危害，1992年联合国环发大会通过《气候变化框架公约》，提出到90年代末使发达国家温室气体的排放量控制在1990年的水平．1997年在日本的京都召开了此公约缔约国的第二次会议，通过了《京都议定书》，规定了6种受控温室气体，明确了发达国家削减温室气体排放量的比例，并且允许发达国家采取联合履约的行动．发展中国家的温室气体排放量尚不受到限制．
从当前温室气体产生的原因和人类掌握的科学技术手段来看．控制温室效应及其影响的主要选径是制定适当的能源发展战略，逐步稳定和削减排放量，增加吸收量，并采取必要的适应气候变化的措施．
摘自《三人行初中物理网》
0
20
40
60
80
100
120
km/h
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