資源簡介

(共46張PPT)
第2節 熱機的效率
目 錄
新課引入
2
新知學習
3
課堂小結
4
學習目標
1
隨堂練習
5
1. 從生活中體會不同的燃料釋放熱量的本領不同，建立熱值的概念.
2. 能簡單計算燃料完全燃燒放出的熱量.
3. 能說出熱機工作時燃料釋放能量的主要流向，知道什么是熱機效率.
學習目標
新課引入
我國長征五號運載火箭(簡稱“胖五”)是捆綁四個助推器的兩級半構型火箭，其芯級直徑為5米，采用液氫液氧發動機.
火箭發動機中為什么采用氫做燃料呢？
思考
一、燃料的熱值
固體燃料
液體燃料
氣體燃料
新知學習
你知道常見的燃料都有那些，它們分別屬于哪一類？
日常生活中，常見的燃料有煤、木柴、天然氣、液化氣、酒精、汽油、柴油，在農村還有農作物的秸稈，有些地區還用牛糞作為燃料.
燃料燃燒時的能量是如何轉化的？
化學能轉化為內能
思考
相同質量的酒精和干木柴，燃燒放出熱量是否相同？
用相同質量的干木柴和酒精分別對相同質量的水進行加熱，比較水升高的溫度.
如何比較它們燃燒放出的熱量？
思考
用電子秤稱出質量相同的水200 g
用同樣的方法量取5 g的酒精和干木柴
燃燒相同質量的酒精和干木柴，比較它們放出熱量的多少.
實 驗 1
水的初溫都是28 ℃
用相同質量的干木柴和酒精，加熱質量相同、初溫相同的兩杯水，這里面體現了什么思想呢？
控制變量法
思考
點燃酒精燈和干木材，直到干木柴燃盡，酒精完全燃燒.
點擊播放視頻
點擊播放視頻
比較水的末溫，你能得出什么結論？
燃燒干木材加熱
水末溫是62 ℃
燃燒酒精加熱
水末溫是83 ℃
加熱前的水溫t0/℃ 燃料燃盡后的水溫t/℃ 水溫的變化
t/℃
5 g 酒精 28 83 55
5 g 干木柴 28 62 34
溫度
燃料
用質量相同的酒精和干木柴分別給兩杯完全相同的水加熱，兩杯水升高的溫度不同，用酒精加熱的水升高的溫度多.
結合實驗結論，根據你的經驗，相同質量的不同燃料，燃燒釋放出的熱量是相同的嗎？
實驗結論：
燃燒相同質量的不同材料，放出的熱量是不同的.
例如：燃燒1 kg煤放出的熱量，是燃燒1 kg木柴放出熱量的兩倍多.
思考
燃料完全燃燒的放熱公式：
汽油質量
汽油完全燃燒放出的熱量
1 kg
2 kg
3 kg
1 kg×4.6×107 J/kg=4.6×107 J
2 kg×4.6×107 J/kg=9.2×107 J
3 kg×4.6×107 J/kg=1.38×108 J
質量為m的某種燃料完全燃燒放出的熱量是多少焦？
Q=mq
m表示質量，單位是kg.q表示熱值，單位是J/kg.Q表示燃料燃燒放出的熱量，單位是J.
思考
同理，如果某燃料的熱值單位是J/m3，則體積為V的這種燃料完全燃燒放出的熱量是多少焦？
Q=Vq
V表示體積，單位是m3.q表示熱值，單位是J/kg.Q表示燃料燃燒放出的熱量，單位是J.
怎么比較燃料燃燒放出熱量的能力呢
思考
類比：
比較燃料燃燒放出熱量的能力
把所有燃料都取1 kg，讓它們完全燃燒，比較它們放出熱量的多少
熱值
比較物體所含物質的多少
所有物體都取1 m3，比較它們質量的多少
比較燃料燃燒放出熱量的能力
1. 定義：
某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質量之比，叫作這種燃料的熱值.
3. 物理意義：
熱值在數值上等于1 kg某種燃料完全燃燒放出的熱量.
2. 燃燒時的能量轉化:
化學能轉化為內能
熱值
指燃料燃燒后，全部變成不可燃燒物的過程.
4. 計算公式：
固體或液體：
5. 國際單位：
氣體：
焦每立方米；符號：J/m3
焦每千克，符號：J/kg
q =
m
Q
q =
V
Q
觀察燃料的熱值表，你有哪些發現
熱值的大小只與燃料種類有關；
氫的熱值最大.
不同燃料的熱值一般不同；
物理意義是：表示1 kg的干木柴完全燃燒所放出的熱量約為1.2×107 J
說一說下列物質的物理意義
物理意義是：表示1 m3的焦爐煤氣完全燃燒所放出的熱量約為1.7×107 J
(1)認識熱值定義時，不要漏掉“完全”這一條件.
(2)熱值反映了燃料在燃燒過程中，化學能轉化為內能本領的大小.
(3)熱值是燃料本身的一種特性，它與燃料的種類有關，與燃料的質量、體積、是否完全燃燒等沒有關系.
6. 熱值的理解要點：
7. 注意區別熱值和比熱容：
熱值 比熱容
定義 某種燃料完全燃燒放出的熱量與質量之比 某種物質溫度升高時吸收的熱量與它的質量和升高的溫度乘積之比
單位 J/kg(J/m3) J/(kg·℃)
對象 燃料 所有物質
根據熱值表，計算一下10 噸氫完全燃燒放出多少焦耳的熱量？
若用汽油完全燃燒來獲得這些熱量，需要多少噸汽油？
氫的熱值是1.4×108 J/kg
汽油的熱值4.6×107 J/kg
10噸氫完全燃燒放出 Q = qm =1.4×108 J/kg× 10×103 kg =1.4×1012 J
需要汽油
30 噸汽油完全燃燒放出的熱量約等于10 噸氫完全燃燒放出的熱量.
現在，你知道為什么發射火箭要用氫做燃料了嗎？
發射衛星的火箭燃料要體積小、重量輕，但放出的熱量要大，這樣才能減輕火箭的重量，使衛星快速地被送上軌道.
根據前面的計算結果可知，選擇氫作為火箭的燃料滿足體積小、質量輕、熱值大的條件.
釋 疑
例 關于q＝ 的理解，下列說法中正確的是( )
A. 熱值與燃料完全燃燒放出的熱量成正比
B. 若燃料燃燒不充分時，熱值將減小
C. 當燃料未燃燒時，其熱值為零
D. 某種燃料的熱值大小與是否充分燃燒無關
Q
____
m
×
熱值是質量為1 kg的燃料完全燃燒時所釋放出的熱量，熱值是燃料本身的特性，其大小只與燃料的種類有關，與熱量、是否燃燒、是否充分燃燒無關.
×
×
√
D
用煤氣灶燒水時，煤氣能完全燃燒嗎？煤氣燃燒放出的熱量全部能被水吸收嗎？
思考
(1)煤氣不能完全燃燒，會損失一部分能量.
(2)裝水容器、煤氣灶本身都會吸收一部分能量.
高溫的煙氣帶走一部分能量.
一部分能量直接散失掉了.
煤氣燃燒放出的熱量不能全部被水吸收
由此可知：水吸收的熱量只占煤氣完全燃燒放出熱量的一部分，只有水吸收的熱量才是被有效利用的.
熱效率
1. 概念:
吸收的能量占燃料完全燃燒放出能量的比值.
2. 公式:
1. 讓燃料更加充分地燃燒，如增加供氧量.
2. 增大燒水時水和爐子的接觸面積，從而減少熱量的散失.
3. 爐壁選用隔熱材料，減少熱量的散失.
如何提高燃料的利用率
思考
例 用天然氣將1 kg的水燒開(從25 ℃加熱到100 ℃)，共使用0.0236 m3的天然氣.(q天然氣=4.0×107 J/m3)
(1)這些天然氣完全燃燒放出熱量是多少J？
(2)水吸收的熱量是多少J？
(3)用于加熱水的熱量占天然氣燃燒時釋放熱量的多少？
= 9.44×105 J
解：(1)天然氣完全燃燒放出熱量Q放=qV
(100 25 )
(2)水吸收的熱量Q吸=cm(t-t0)
Q＝qV
Q＝cmΔt
(3)用于加熱水的熱量占天然氣燃燒時釋放熱量的百分比為：
Q放
Q吸
=
≈ 33.4%
η=
例 用天然氣將1 kg的水燒開(從25 ℃加熱到100 ℃)，共使用0.0236 m3的天然氣.(q天然氣=4.0×107 J/m3)
(3)用于加熱水的熱量占天然氣燃燒時釋放熱量的多少？
以燃油汽車為例：
廢氣帶走的能量最多
少部分能量轉變為有用機械能
大部分能量損耗
在內燃機中燃料是否能夠完全燃燒？燃料燃燒釋放的能量都到哪里去了？
思考
2. 定義式：
3. 物理意義：
熱機的效率表示使用熱機時對燃料的利用率的高低，是熱機性能的重要指標，熱機的效率高，在做功同樣多的情況下，就消耗更少的燃料，從而節約能源，減少污染.
用來做有用功的那部分能量，與燃燒完全燃燒放出的能量之比，叫做熱機的效率.
1. 定義：
二、熱機的效率
蒸汽機的效率只有6%~15%
汽油機的效率為20%~30%
柴油機的效率為30%~45%
如何提高熱機效率，節約能源，減少污染
1. 提高燃料利用率，使燃料充分燃燒；
2. 改進熱機，減少各種能量損失；
3. 保證良好的潤滑，減少因摩擦額外消耗的能量；
4. 設法利用廢氣中的能量.
思考
不能，熱機中可用于做有用功的能量只是燃料完全燃燒所放出的能量的一部分，因為各種熱量損失以及燃燒條件的限制，這部分能量遠遠小于燃料完全燃燒所放出的總能量，所以與總能量的比值必然小于1，即熱機效率總小于100%.
想一想：熱機的效率能達到100%嗎？為什么？
科學·技術·社會
從火車到火箭
生產的發展需要強大的動力.17世紀，人類發明了熱機.最早的熱機是蒸汽機.
交通運輸的發展迫切需要比較輕便的熱機.于是，內燃機應運而生.內燃機有柴油機、汽油機兩大類.
電力工業的發展需要功率巨大的熱機來帶動大型發電機.1884年出現的蒸汽輪機滿足了這個需求.
早期的飛機是由內燃機提供動力的.從上世紀40年代開始，飛機上越來越多地使用噴氣式發動機.
......
更多內容詳見教材P25~P26
例 關于熱機效率，下列說法正確的是( )
A. 熱機消耗的燃料越多，效率就越低
B. 減少熱機的工作時間，可以提高熱機的效率
C. 利用內能做的有用功多，熱機效率不一定高
D. 增加機械傳動的摩擦可以提高熱機效率
提高熱機效率的主要途徑：
(1)使燃料充分燃燒；(2)利用廢氣的能量；(3)保證良好潤滑，減少摩擦；(4)改進熱機，減少各種能量的損失.
減少熱機的工作時間，并不能減少熱量的損失，所以不能提高熱機的效率
當燃燒相同的燃料，有用功多的效率高，未說明燃料是否相同，熱機效率不一定高
增加機械傳動的摩擦，增加了熱量的損失，降低了熱機效率
×
×
√
C
消耗的燃料越多，總能量越大，但有用的能量未知，故效率不一定越低
×
熱機的
效率
燃料的利用率
燃料的熱值
定義：
物理意義：
計算公式：
單位：
某種燃料__________________與其__________之比.
1 kg(1 m )某種燃料完全燃燒放出的熱量.
固液——______，氣體——______
固液——________ ，氣體——__________
定義：
提高燃料利用率的途徑
公式：_______________
_________的能量與燃料__________釋放的總能量的比值.
①讓燃料盡可能______燃燒.如將煤炭研磨成粉狀，吹入爐內燃燒.
②減少熱量的______.如加大受熱面積.
完全燃燒放出的熱量
質量(體積)
J/kg
J/m
充分
課堂小結
有效利用
完全燃燒
散失
熱機的
效率
熱機的效率
定義：
提高熱機
效率的途徑
公式：______________
用來做________的那部分能量，與燃料_________
___________之比.
①使燃料_____燃燒.
②盡量_____各種熱量損失.
③保證良好的潤滑，減少因_________而額外消耗的能量.
④采用先進技術，改變機械結構.
有用功
完全燃燒
放出的能量
充分
減少
克服摩擦
課堂小結
1. 關于燃料的熱值，下列說法正確的是( )
隨堂練習
A. 容易燃燒的燃料，熱值一定大
B. 煤的熱值大于干木柴的熱值，煤燃燒放出的熱量一定比木柴燃燒放出
的熱量多
C. 燃料的熱值與燃料是否完全燃燒無關
D. 為了提高鍋爐的效率，一定要用熱值高的燃料
C
熱值與燃料是否完全燃燒、是否容易燃燒無關
燃料燃燒放出的熱量，除與熱值有關外，還與燃料的質量有關
×
√
×
提高鍋爐的效率應減小熱量的損失，并且讓燃料燃燒更完全，增大燃料的熱值不會提高鍋爐的效率
×
2. 小亮使用干木柴燒水.若完全燃燒420 g干木柴放出的熱量能使質量為10 kg、初溫為15 ℃的水升高到75 ℃，則干木柴完全燃燒放出的熱量為________J.此次使用干木柴燒水的效率為______.干木柴放出的熱量若由天然氣來提供，需要________m3的天然氣. [已知c水=4.2×103 J/(kg·℃)，q干木柴=1.2×107 J/kg，q天然氣=4.0×107 J/m3]
420 g干木柴完全燃燒放出的熱量
Q放干木柴=m干木柴q干木柴=0.42 kg×1.2×107 J/kg=5.04×106 J
5.04×106
2. 小亮使用干木柴燒水.若完全燃燒420 g干木柴放出的熱量能使質量為10 kg、初溫為15 ℃的水升高到75 ℃，則干木柴完全燃燒放出的熱量為________J.此次使用干木柴燒水的效率為______.干木柴放出的熱量若由天然氣來提供，需要________m3的天然氣. [已知c水=4.2×103 J/(kg·℃)，q干木柴=1.2×107 J/kg，q天然氣=4.0×107 J/m3]
5.04×106
此次使用干木柴燒水的效率
η=
Q吸
Q放干木柴
_______
×100%=
2.52×106 J
———————
5.04×106 J
×100%=
50%
50%
此過程中水吸收的熱量Q吸=c水m水 t水=4.2×103 J/(kg·℃)×10 kg
×(75 ℃-15 ℃)=2.52×106 J
2. 小亮使用干木柴燒水.若完全燃燒420 g干木柴放出的熱量能使質量為10 kg、初溫為15 ℃的水升高到75 ℃，則干木柴完全燃燒放出的熱量為________J.此次使用干木柴燒水的效率為______.干木柴放出的熱量若由天然氣來提供，需要________m3的天然氣. [已知c水=4.2×103 J/(kg·℃)，q干木柴=1.2×107 J/kg，q天然氣=4.0×107 J/m3]
5.04×106
50%
干木柴放出的熱量若由天然氣來提供，則
Q放天然氣=Q放干木柴=5.04×106 J
由Q=Vq得，需要天然氣的體積
0.126
解：(1)由題意可知消耗航空燃油的質量為1.35 t
航空燃油完全燃燒放出的熱量
Q放=mq=1.35×103 kg×4×107 J/kg=5.4×1010 J
3. 如圖所示是我國自行設計研制的AG600全狀態新構型滅火飛機.若該飛機以270 km/h的速度勻速直線航行了90 km，消耗航空燃油1.35 t，飛機發動機的輸出功率為2.25×107 W(航空燃油的熱值為4×107 J/kg).求：
(1)航空燃油完全燃燒放出的熱量；
Q=mq(固體或液體)
3. 如圖所示是我國自行設計研制的AG600全狀態新構型滅火飛機.若該飛機以270 km/h的速度勻速直線航行了90 km，消耗航空燃油1.35 t，飛機發動機的輸出功率為2.25×107 W(航空燃油的熱值為4×107 J/kg).求：
(2)發動機的效率.
代入數據求解
發動機的有用功W有用=____
發動機的效率η=
___________
Pt
3. 如圖所示是我國自行設計研制的AG600全狀態新構型滅火飛機.若該飛機以270 km/h的速度勻速直線航行了90 km，消耗航空燃油1.35 t，飛機發動機的輸出功率為2.25×107 W(航空燃油的熱值為4×107 J/kg).求：
(2)發動機的效率.
(2)由題意可知飛機航行的速度為270 km/h，路程為90 km，由 得飛機航行的時間為
飛機發動機的輸出功率為2.25×107 W，此過程發動機的有用功為W有用=Pt=2.25×107 W×1 200 s=2.7×1010 J
飛機發動機的效率為
4. 太陽能熱水器是吸收太陽輻射能將水加熱的裝置，某熱水器接收太陽能的光照面積為2.5 m2，其每平方米接收太陽能的輻射功率為700 W，某天陽光照射該熱水器4 h，使熱水器內裝滿水(儲水箱額定容量為80 L)的溫度升高了30 ℃，求：[c水=4.2×103 J/(kg·℃)，ρ水=1.0×103 kg/m3]
(1)熱水器內裝滿水時水的質量；
m=ρV
解：(1)熱水器內裝滿水時水的體積為V=80 L=8×10-2 m3
由 得，熱水器內裝滿水時水的質量為
m=ρ水V=1.0×103 kg/m3×8×10-2 m3=80 kg
4. 太陽能熱水器是吸收太陽輻射能將水加熱的裝置，某熱水器接收太陽能的光照面積為2.5 m2，其每平方米接收太陽能的輻射功率為700 W，某天陽光照射該熱水器4 h，使熱水器內裝滿水(儲水箱額定容量為80 L)的溫度升高了30 ℃，求：[c水=4.2×103 J/(kg·℃)，ρ水=1.0×103 kg/m3]
(2)水吸收的熱量；
Q＝cmΔt
Δt＝30 ℃
(2)水的溫度變化量為30℃，則水吸收的熱量
Q吸＝c水mΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×80 kg×30 ℃=1.008×107 J
4. 太陽能熱水器是吸收太陽輻射能將水加熱的裝置，某熱水器接收太陽能的光照面積為2.5 m2，其每平方米接收太陽能的輻射功率為700 W，某天陽光照射該熱水器4 h，使熱水器內裝滿水(儲水箱額定容量為80 L)的溫度升高了30 ℃，求：[c水=4.2×103 J/(kg·℃)，ρ水=1.0×103 kg/m3]
(3)太陽能熱水器效率.
W=Pt
(3)P=2.5 m2×700 W/m2 ；
熱水器接收太陽能Q總=W=Pt=2.5 m2×700 W/m2×4×3 600 s=2.52×107 J
熱水器的效率

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