資源簡介

(共26張PPT)
第十四章 內能的利用
九上物理 RJ
第3節 熱機的效率
3. 了解熱機中能量走向及熱散失的途徑，知道什么是熱機效率，能提出提高熱機效率的方法。
1. 從生活中體會不同燃料燃燒釋放熱的本領不同，建立熱值的概念。
2. 能計算燃料完全燃燒放出的熱量。
學習目標
課堂導入
熱機工作時需要消耗煤、汽油、柴油等燃料，對外做功的目的是將燃料中的化學能轉化為機械能。熱機中燃料燃燒釋放的熱量能被完全利用嗎
新知探究
知識點1 燃料的熱值
人類在原始社會時就知道燃燒柴薪來取暖、燒飯。在現代社會，人類所用能量的很大一部分依然是從燃料的燃燒中獲得的。
天然氣
石油
木炭
干木柴
酒精
氫氣
新知探究
知識點1 燃料的熱值
燃料的燃燒是一種化學變化，在燃燒過程中，燃料的化學能轉化為內能。
噴氣式飛機發動機用航空煤油作為燃料
火箭發動機用液氫作為燃料
火箭大多用液氫作為燃料，你知道這樣做的好處嗎？
燃料的種類很多，固體燃料有木柴、煤等，液體燃料有汽油、酒精等，氣體燃料有煤氣、天然氣等。根據你的經驗，相同質量的不同燃料，燃燒時放出的熱量是否相同 要找出事實來支持你的觀點，并進行分析。
想想議議
新知探究
知識點1 燃料的熱值
用木柴燒水
用煤燒水
用天然氣燒水
知識點1 燃料的熱值
新知探究
在生活中，我們會發現，同樣是將一壺水燒開，需要干木柴、煤和天然氣的質量不一樣多（干木柴最多，天然氣最少）。
相同質量的干木柴、煤和天然氣燃燒，天然氣放出的熱量比煤和干木柴多。
燃料燃燒，放出熱量的多少與燃料的種類有關。
燃燒1 kg煤放出的熱量，是燃燒1 kg干木柴放出熱量的兩倍多。
煤
知識點1 燃料的熱值
新知探究
干木柴
把不同的燃料質量都取1 kg，讓它們完全燃燒，比較它們放出熱量的多少
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.單位：焦每千克（J/kg）
2.表達式：
Q放
m
q =
知識點1 燃料的熱值
新知探究
指燃料燃燒后，全部變成不可燃燒物的過程
氣體燃料的熱值單位：焦每立方米（J/m3）
燃料 熱值 燃料 熱值
干木柴 約1.2×107 J/kg 柴油 4.3×107 J/kg
煙煤 約2.9×107 J/kg 煤油 4.6×107 J/kg
無煙煤 約3.4×107 J/kg 汽油 4.6×107 J/kg
焦炭 3.0×107 J/kg 氫氣 1.4×108 J/kg
木炭 3.4×107 J/kg 焦爐煤氣 約1.7×107 J/m3
酒精 3.0×107 J/kg 沼氣 約1.9×107 J/m3
知識點1 燃料的熱值
新知探究
1 kg的干木柴完全燃燒，放出熱量是1.2×107 J
熱值在數值上等于1 kg某種燃料完全燃燒放出的熱量。
1 m3的沼氣完全燃燒，放出熱量是1.9×107 J
一些燃料的熱值
燃料 熱值 燃料 熱值
干木柴 約1.2×107 J/kg 柴油 4.3×107 J/kg
煙煤 約2.9×107 J/kg 煤油 4.6×107 J/kg
無煙煤 約3.4×107 J/kg 汽油 4.6×107 J/kg
焦炭 3.0×107 J/kg 氫氣 1.4×108 J/kg
木炭 3.4×107 J/kg 焦爐煤氣 約1.7×107 J/m3
酒精 3.0×107 J/kg 沼氣 約1.9×107 J/m3
知識點1 燃料的熱值
新知探究
火箭發射使用氫燃料，是因為它熱值大。
一些燃料的熱值
自帶燃料和
氧化劑的火箭
熱值是燃料本身的一種特性，只與燃料的種類有關，與燃料的質量、形態、體積、是否完全燃燒、放出熱量的多少無關。
知識點1 燃料的熱值
新知探究
4.燃料完全燃燒放出的熱量：
Q放=qm
或 Q放=qV（適用于氣體燃料）
物理量 Q放 q m V
單位 J J/kg或J/m3 kg m3
例1.某同學家自來水的溫度為15 ℃，他洗澡時把燃氣熱水器的溫度設定為40 ℃，通過查看水表得知自己洗澡用了0.02 m3的水。查看燃氣表發現他這次洗澡消耗了0.06 m3天然氣。（天然氣的熱值取q=4.0×107 J/m3）
求：（1）這次洗澡所用水吸收的熱量。
（2）天然氣完全燃燒放出的熱量。
解析：
（1）水的質量：m=ρV水=1.0×103 kg/m3×0.02 m3=20 kg
水吸收的熱量：Q吸=cm（t－t0）
=4.2×103 J/（kg ℃）×20 kg×（40 ℃－15 ℃）
=2.1×106 J
（2）天然氣釋放的能量：Q放=qV=4.0×107 J/m3×0.06 m3=2.4×106 J
典型例題
有效利用的能量比放出的熱量要小
燃料很難完全燃燒，放出的熱量往往比按熱值計算出的要小。
思考：燒水時，水能否吸收燃氣燃燒放出的全部熱量？
知識點2 熱機的效率
新知探究
高溫煙氣
加熱水
加熱空氣
未完全燃燒
加熱水管
加熱灶頭
燃氣熱水器燒水時的能量走向
說明：水吸收的熱量只占燃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。
1.熱效率：有效利用的熱量與理想情況下放出的熱量之比。
知識點2 熱機的效率
新知探究
η=
Q有用
Q總
例1中燃氣熱水器燒水的效率為：
Q有用
Q總
η=
2.1×106 J
2.4×106 J
=
= 87.5%
小型鍋爐的效率70%~85%
×100%
×100%
×100%
燃料的化學能
有用機械能
2.熱機的效率：用來做有用功的這部分能量，與燃料完全
燃燒放出的能量之比。
知識點2 熱機的效率
新知探究
η=
W有用
Q總
廢氣排出帶走能量
自身消耗能量
熱機能量流向示意圖
×100%
蒸汽機的效率為6%~15%
汽油機的效率為20%~40%
柴油機的效率為30%~45%
噴氣式發動機的效率為50%~60%
知識點2 熱機的效率
新知探究
熱機的效率是熱機性能的重要指標。在做功同樣多的情況下，效率高的熱機消耗的燃料少，從而節約能源、減少污染。
知識點2 熱機的效率
新知探究
3.提高熱機的效率
（1）在設計和制造熱機時，要不斷改進和創新，以減少各種能量損失；
（2）使用時，注意保養，保證良好的潤滑，合理調整各零件之間的間隙，減小因克服
摩擦阻力而額外消耗的能量；
知識點2 熱機的效率
新知探究
3.提高熱機的效率
熱電站
（3）盡量減少各種熱量損失，設法利用廢氣的能量。
蒸汽輪機
推動發電機供電
用廢氣來供熱
熱電站既供電又供熱，比起一般的
火電站，燃料的利用率大大提高。
例2.如圖所示的是我國自行設計研制的AG600“鯤龍”水陸兩棲飛機。飛機使用四臺相同的發動機，每臺發動機的輸出功率可達4120 kW，效率可達60%。在這種情況下，飛機飛行1 h需要完全燃燒燃油多少噸 （已知燃油的熱值為4.3×107 J/kg。）
典型例題
解析：
由題意知，飛機飛行1 h所做的功為：
W=P總t=4×4120×103 W×3600 s=5.9328×1010 J
則需要完全燃燒燃油放出的熱量為：
W有
η
Q放=
5.9328×1010J60%
=
=9.888×1010 J
所以，需要燃油質量為：
Q放
q
m=
9.888×1010 J
4.3×107 J/kg
=
=2.3t
熱機的
效率
熱機的效率
燃料的熱值
課堂小結
提高的途徑
定義
單位
定義
W有用
Q總
η=
×100%
科學·技術·社會·環境
從火車到火箭
往復式蒸汽機
內燃機（汽油、柴油機）
空氣噴氣發動機
1782年
1883年
1892年
20世紀40年代
火箭噴氣發動機
（自帶燃料和氧化劑）
1.下列關于熱值和熱機效率說法，正確的是（ ）
A. 使燃料燃燒更充分，可以增大熱值
B. 使燃料燃燒更充分，可以提高熱機效率
C. 柴油機的熱機效率通常為100%
D. 燃料燃燒釋放的熱量越大，熱值越大
B
隨堂練習
熱值是燃料的特性，與燃燒情況、放出熱量的多少無關
任何機器在使用時都不可避免的存在沒有有效利用的能量，效率不可能達到100%
2.如圖所示是某汽車汽油機的能量流向圖，對照此圖，下列說法不正確的是（ ）
A.廢氣的排放所占比例最大，減少該部分能量損失是提高熱機效率的有效手段
B.冷卻水能量的二次利用可以提高
能量利用率
C.該汽油機的熱機效率為67%
D.熱機效率可以達到100%
隨堂練習
熱機效率是用來做有用功的那部分能量，與燃料完全燃燒釋放的能量之比。所以該汽車的熱機效率為：
η =1－33%－30%－7%=30%
C
3.某學習小組想研究酒精燈燒水時的熱效率。他們用酒精燈給初溫為20 ℃，質量為100 g的水加熱，經過一段時間測得水溫升高了60 ℃（水未沸騰），共消耗了4.2 g酒精。
［酒精的熱值q=3.0×107 J/kg3，水的比熱容c水=4.2×103 J/(kg ℃)]
求：（1）此過程中水吸收的熱量；
（2）酒精燈燒水時的熱效率。
解：（1）水吸收的熱量：
Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg ℃)×100×10-3kg×60℃=2.52×104J
（2）酒精完全燃燒放出的熱量為：
Q放=qm=3.0×107J/kg×4.2×10-3kg=1.26×105J
所以燒水的效率為：
Q吸
Q放
η=
=20%
2.52×104J
1.26×105J
=
隨堂練習
隨堂練習
4. 全球汽車保有量在迅速增長，截至2022年底，我國燃油汽車保有量約為3億輛。假設每輛汽車每年耗油1.8t，汽車內燃機的效率平均值取30%。如果能把內燃機效率提高1%，我國每年可以節約多少燃油
解析：
每輛汽車每年可以節約燃油：Δm=m1－m2=1.8t－1.74t = 0.06t ，
所以，3億輛汽車每年可以節約燃油：M =0.06t×3×108=1.8×107t 。
因為 ，每輛汽車所做有用功：W有=mqη 一定，
設內燃機效率提升為η2時，需燃油為m2，有 m1qη1=m2qη2
W有
Q總
η=
W有
mq
=
η1m1
η2
可得 m2=
30%×1.8t
30%+1%
=
=1.74t

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