13.4 《热机效率和环境保护》课件2021—2022学年沪科版九年级物理全一册（40张ppt)

第十三章 内能与热机
13.4
热机效率和环境保护
学习目标
课时讲解
燃料
热值
热机效率
环境保护
课时导入
柴薪
石油
煤炭
天然气
课时导入
从身边的问题出发：
人类要生存，离不开能量。在现代社会中，人类使用的能量绝大部分都是从燃料燃烧中获得的内能。生活中你见过哪些燃料？燃料燃烧时放出热量的多少与什么有关？燃料燃烧放出的热量给人们的生活带来方便的同时，有没有危害？
感悟新知
知识点
燃料
1
1. 燃料的分类：
生活中常见的燃料有：煤炭、木柴、汽油、柴油、天然气、沼气等。依据燃料的形态不同，可以把燃料分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。
感悟新知
燃料的燃烧是一种化学反应，燃烧过程中，储存在燃料里的化学能转化为内能而释放热量。燃料放出热量的多少与什么因素有关？
思想方法
提出问题：如何反映燃料放出热量的多少？
答：在不考虑热量损失的情况下，Q吸=Q放，物体吸收的热量可以反映燃料放出的热量；当加热物质时，又可以通过物质温度的变化量反映吸收热量的多少。这里用到了转换的思想。
感悟新知
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}生活实例
用一捆木柴和一根木柴分别加热质量相同的水，水的温度变化量不同
用不同体积的天然气分别加热质量相同的水，水的温度变化量不同
用相同质量的木柴和煤炭分别加热质量相同的水，水的温度变化量不同
感悟新知
2. 分析以上情境，可以得出：
（1）固体（或液体）燃料放出热量的多少与该燃料的____________ 有关，质量越大，放出的热量越多。
（2）气体燃料放出热量的多少与该燃料的____________有关，体积越大，放出的热量越多。
质量
体积
感悟新知
思想方法
燃料完全燃烧放出热量的多少与多个因素有关，所以在探究燃料完全燃烧放出热量多少与燃料种类的关系时，需要控制燃料质量相同；实验中通过Q吸反映Q放，所以实验中也需要控制被加热的物质种类和质量相同。这里用到了控制变量法。
感悟新知
实验探究：质量相同的不同燃料完全燃烧放出热量的多少与燃料种类是否有关？
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}实验
目的
探究燃料完全燃烧放出热量多少跟燃料种类是否有关
实验
方法
用质量相同的不同燃料加热相同质量的同种液体，通过液体温度的变化量反映燃料放出热量的多少。这里用到了控制变量的思想
感悟新知
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}实验
器材
质量均为5 g 的酒精和煤油，
一只酒精灯，一只煤油灯，
两只相同的烧杯各装500 g
的水，两支温度计，天平和
砝码，两只搅拌器，两个铁
架台，石棉网，钟表，火柴
实验
操作
（1）按照由下往上的顺序组装实验器材；
（2）观察并记录加热前水的初温t1，燃料完全燃烧后水的末温t2
感悟新知
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}实验
数据
结论
相同质量的酒精和煤油加热相同质量的水，水升高的温度不同
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}燃料
燃烧情况
水的初温
水的末温
5 g 酒精
完全燃烧
20 ℃
30 ℃
5 g 煤油
完全燃烧
20 ℃
50 ℃
感悟新知
3. 分析以上数据可以看出：质量相同的不同燃料，放出热量不同。即：燃料完全燃烧放出热量的多少与 ___________ 有关。为了描述不同燃料的放热能力，物理学中引入了热值。
燃料种类
感悟新知
知识点
热值
2
1. 概念：某种燃料 __________ 放出的 __________ 与所用该燃料的质量（或体积）之比，叫做这种燃料的热值，符号是 “q”。
完全燃烧
热量
深度理解
“完全燃烧”指的是一定量的物质在一定条件下燃烧时化学能全部转化为内能的现象。但是这种燃烧状态只是一种理想状态，生活中很难满足燃料完全燃烧。燃料的燃烧属于化学变化，消耗了燃料的化学能，获得了内能，是化学能转化为内能。
感悟新知
2. 公式及单位
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}公式
适用情况
单位
固体燃料、液体燃料
J/kg，读作：焦耳每千克
气体燃料
J/m3，读作：焦耳每立方米
?
?
3. 物理意义：热值的大小反映燃料燃烧释放热量的能力。
感悟新知
4. 常见燃料的热值
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}燃料
热值q/（J·kg-1）
干木柴
1.2×107
烟煤
2.9×107
无烟煤
3.4×107
焦炭
3.0×107
木炭
3.4×107
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}燃料
热值q/（J·kg-1）
酒精
3.0×107
柴油
4.3×107
汽油
4.6×107
煤油
4.6×107
原油
4.4×107
感悟新知
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}燃料
热值q/（J·kg-3）
氢气
1.4×108
天然气
3.3×107~4.5×107
液化石油气
4.9×107
煤气
1.8×107
感悟新知
观察对比以上表格中常见燃料的热值，可以得出以下结论：
燃料的热值与燃料种类有关，不同燃料的热值一般不同，热值是燃料的一种特性，其大小与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧均无关系。
特别提醒
一般情况下，固体、液体燃料的热值单位用J/kg，气体燃料的热值单位有时也可以用J/kg。
当没有完全燃烧时，放出的热量虽然少了，
但对应燃烧掉的燃料也少了，故热值不变
感悟新知
例 1
根据下表提供的信息，回答下面的问题。
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}燃料的热值（J/kg）
燃料的热值（J/m3）
柴油4.3×107
天然气（3.3~4.5）×107
酒精3.0×107
氢气1.4×108
汽油4.6×107
煤气1.8×107
木炭3.4×107
沼气1.9×107
感悟新知
（1） [中考· 株洲] 木炭的热值为3.4×107 J/kg， 它表示1 kg 木炭（ ）
A. 具有3.4×107 J 的热量
B. 具有3.4×107 J 的内能
C. 完全燃烧对外做功3.4×107 J
D. 完全燃烧放出热量3.4×107 J
D
比值定义法定义的物理量与该计算式中其他物理量无关
和
热值q的大小是燃料的一种特性，反映燃料燃烧释放热量的能力，只和燃料种类有关，与质量m和体积V的大小都无关。
?
?
感悟新知
（2）下面关于热值的说法，正确的是（ ）
A. 热值大的燃料燃烧时放出的热量多
B. 1 kg 的汽油燃烧时放出的热量是4.6×107 J
C. 木炭燃烧不充分时其热值会变小
D. 2 m3 的沼气完全燃烧时放出的热量是3.8×107 J
D
感悟新知
（3） 现有柴油2 kg，其中一半完全燃烧放出的热量是 __________J，剩余柴油的热值是 __________J/kg。
4.3×107
4.3×107
感悟新知
思路导引：根据q= 可得：Q=mq=1kg×4.3×107 J/kg=4.3×107 J。热值是燃料的一种特性，所以剩余柴油的热值不变。
?
易错提醒
热值反映的是所有能燃烧的物质的一种性质，反映了不同燃料在燃烧过程中，化学能转化为内能的本领的大小，即热值是燃料本身的一种特性，它与燃料的种类和状态有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧等均没有关系。
感悟新知
[ 中考·淄博] 一杯酒精倒出一半，剩余酒精的质量、密度、比热容和热值的变化情况是（　　）
A. 质量、密度、比热容和热值不变
B. 质量变为原来的一半，密度、比热容和热值不变
C. 质量和密度变为原来的一半，比热容和热值不变
D. 质量和热值变为原来的一半，密度和比热容不变
B
密度、比热容和热值都是物质的特性，都与物质种类和状态有关。
感悟新知
知识点
热机效率
3
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？
感悟新知
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。
感悟新知
热机在工作时将燃料释放的内能转化为机械能。但是热机运转时，燃料释放的热量有很大一部分损耗了，真正转变为对外做有用功的能量只占总能量的一部分。物理学中用热机效率表示热机把内能转化成有用功的能力大小。
感悟新知
1. 概念： 热机运转中， 对外做的 _________与燃料完全燃烧所释放的_________的比值称为热机效率，用η 表示。
2. 公式：η = ×100%。
?
有用功
热量
深度理解
热机的效率只跟燃料完全燃烧程度、机器之间摩擦大小、机械散热多少、废气带走能量的多少等因素有关。
感悟新知
3. 提高热机效率的途径：
（1）改善燃烧条件，使燃料尽可能充分燃烧；
（2） 减少热机工作过程中与外界的热传递损失；
（3） 简化机械传动部分，选用优良的润滑材料减小机械摩擦，以减少能量损失。
（4）想方设法对废气进行再利用。
感悟新知
4. 常见热机的效率
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}热机种类
蒸汽机
汽油机
柴油机
喷气式飞机的发动机
热机效率
6%~15%
20%~30%
30%~40%
50%~60%
热机效率是热机性能的重要指标。不断提高热机的效率，减少能源消耗，是人类在制造热机技术方面孜孜不倦的追求。
感悟新知
延伸拓展
能研发热机效率达到100% 的理想热机吗？
答：热机效率反映的是热机对能量的利用率。实际生活中，永远不可避免能量的耗散，不可能利用全部热量，所以热机效率一定小于100%。
感悟新知
例2
用炉具烧水时，将10 kg 的水从20 ℃加热到100 ℃，燃烧了0.5 kg 的焦炭。水的比热容是4.2×103 J/（kg·℃），焦炭的热值是3.0×107 J/kg。试求：
（1）水吸收的热量是多少？
（2）0.5 kg 焦炭完全燃烧释放的热量是多少？
（3）该炉具烧水的热效率是多少？
感悟新知
炉具热效率类问题模型建立
炉具的能流图
炉具热效率
η = ×100%
可得：Q吸=η×Q放，Q放= 。
?
?
感悟新知
思路导引：
水的比热容c
水的质量m
水温升高Δ t
燃料质量m′
燃料热值q
Q吸
Q放
炉具热效率η= ×100%
?
感悟新知
解：（1）水吸收的热量
Q 吸=cmΔt=4.2×103 J/（kg· ℃）×10 kg×（100 ℃ -20 ℃）=3.36×106 J。
（2）焦炭释放的热量
Q 放=qm′=3.0×107 J/kg×0.5 kg=1.5×107 J。
（3）该炉具烧水的热效率
η =× 100%= ×100% =22.4%。
?
?
感悟新知
知识点
环境保护
4
热机为人类的发展做出了重大贡献，但也带来了许
多环境污染问题。
感悟新知
以热机为动力的各种交通工具为人类的发展做出了重大贡献，但同时热机排出的废气含有大量有害物质，影响人们的身体健康和动植物的生存。废气中的二氧化硫、二氧化碳和氮氧化合物还会形成酸雨，危害植物，污染环境等。
课堂小结
热机效率和
环境保护
燃烧
热值
机械能
燃料
内能
(化学能)
热机效率
有效利用
热量 散失
环境污染
课堂小结
热机效率和
环境保护
1. 热值与热量的综合计算：
在这一题型中，都要利用等量关系式：
Q吸＝Q放或Q吸＝η Q放。
课堂小结
热机效率和
环境保护
2. 解决能量转化类计算题的一般规律：
首先找到能量转化关系式，再利用相应公式展开来
列方程，最后代入已知量求解；或在这个等量关系
的基础上，利用相应的公式分步解答。