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第四節　跨學科：熱效率和環境保護
第十二章 內能與熱機
無論是燒菜做飯，還是奔馳的汽車與火車，乃至直入蒼穹的火箭等都離不開燃料。即從原始人類學會用火的那天起，至今，人們使用的能量絕大部分還是通過燃料燃燒獲得的。
那么燃料燃燒釋放的能量究竟有多少用來做了有用功？
以及燃料的燃燒對環境會造成那些影響呢？
新課導入
常見的燃料：
固體燃料
液體燃料
氣體燃料
煤、木材、桔梗等
汽油、酒精等
煤氣、天然氣等
燃料燃燒的過程是化學能轉變為內能的過程。
一、燃料
新知探究
根據生活實驗發現：1kg的煤燃燒釋放出的熱量比1kg木柴燃燒放出的熱量多。
新知探究
質量相同的不同燃料在完全燃燒時所放出的熱量是不同的。
不同燃料燃燒時放熱本領是不同的。
為比較質量相同的不同燃料完全燃燒放出的熱量是否相同
熱值
新知探究
二、燃料的熱值
定義：某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質量之比叫做這種燃料的熱值，用字母q表示。
單位：J/Kg
或 J/m3（氣體）
物理意義：表示“單位質量(體積)的某種燃料完全燃燒放出能量(熱量)的多少”。
因此，質量為m的燃料完全燃燒釋放的熱量
Q=mq
燃料完全燃燒放出的熱量
燃料的質量
燃料的熱值
新知探究
二、燃料的熱值
定義：某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質量之比叫做這種燃料的熱值，用字母q表示。
新知探究
注意：
（1）熱值定義中：注意“必須完全燃燒”；
（2）熱值是燃料的重要特性，反映燃料燃燒時化學能轉化為內能的本領的大小。只與燃料的種類有關，與質量和是否完全燃燒無關。
常見燃料的熱值
物質 熱值q/(J·kg-1)
干木柴 1.2×107
煙煤 2.9×107
無煙煤 3.4×107
焦炭 3.0×107
木炭 3.4×107
物質 熱值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
物質 熱值q/(J·kg-1)
氫氣 1.4×108
天然氣 3.3×107~4.5×
107
液化石 油氣 4.9×107
煤氣 1.8×107
說說“煙煤” 、“液化石油氣”的熱值表示的意義？
干木柴的熱值為1.2×107J/Kg，表示1千克的干木材完全燃燒放出的熱量為1.2×107J。
新知探究
熱值是燃料的一種特性，其大小只與燃料的種類有關，與燃料的質量（體積）、是否燃燒、是否完全燃燒無關。
1kg干木柴完全燃燒 放出的熱量為1.2×107J
干木柴熱值是1.2×107J/kg，物理意義是：
1kg柴油完全燃燒 放出的熱量為4.3×107J
柴油熱值是4.3×107J/kg，物理意義是：
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例題*：計算4kg的柴油完全燃燒釋放的熱量。
已知：q=4.3×107J/kg，m=4kg。
求：Q。
解：Q=mq
= 4kg×4.3×107J/kg
= 1.72×108J。
答：4kg的柴油完全燃燒釋放的熱量為1.72×108J。
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例題*：在1個標準大氣壓下，將5kg、40℃的水燒開，需要完全燃燒多少千克的干木柴？（已知干木柴的燃燒值為1.2×107J/kg，并且燃料完全燃燒放出的熱量全部被水吸收）
分析：利用吸熱公式Q吸=cm(t-t0)可以算出將水燒開要吸收多少熱量，（解題時應注意在1個標準大氣壓下，水的沸點是100℃，即水燒開時的溫度為100℃），再利用Q吸=Q放和燃料的燃燒值求干木柴的質量。
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解：Q吸=cm(t2－t1)
= 4.2×103J/(kg·℃)×5kg×(100℃－40℃)
= 1.26×106J。
因為Q吸=Q放=1.26×106J，
所以干木柴的質量
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熱機工作時，能不能將燃料所蘊藏的化學能全部用來對外做有用功呢？
熱機燃料的能量走向示意圖
部分燃料未
完全燃燒
克服摩擦
消耗能量
廢氣排出
帶走能量
機械傳熱
損失能量
轉化為對外做
有用功的能量
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三、熱機效率
熱機運轉中，對外做的有用功與燃料完全燃燒所釋放的能量的比值稱為熱機效率。
公式：
用來描述熱機的性能，是熱機性能的重要指標。由于熱機在工作過程中總有能量損失，熱機的效率總小于1。
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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%~40%
噴氣式飛機的效率為 50%~60%
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熱機的效率能達到100%嗎 為什么
　　不能達到100%，因為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燃料條件的限制，這部分能量遠遠小于總能量，所以其與燃料完全燃燒所放出的總能量的比值必然小于1，即熱機效率小于100%。
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(1)使燃料盡可能充分燃燒;
(2)掌握好火花塞點火或噴油嘴噴油的最佳時間，以減少燃燒過程中的熱量損失;
(3)簡化機械傳動部分,選用優良的潤滑材料減小機械摩擦，以減少能量損失。
提高熱機效率的途徑:
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四、環境保護
熱機為人類的發展做出了重大貢獻，但也帶來了許多環境污染問題：
1.大氣污染
熱機工作時排放的大量氮氧化物、碳氧化物、鉛等是大氣污染的主要來源，直接危害人體健康，影響農作物的生長。
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酸雨對森林的破壞
酸雨對雕像的破壞
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2.噪聲污染
大量由熱機作動力的機器工作時產生的噪聲，影響人類的正常生活，甚至危害人體健康。
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3.熱污染
熱機排出的二氧化碳，引起“溫室效應”，熱機產生的廢氣和冷卻水帶走的熱量，成為“熱島效應”的元兇之一。
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保護環境的措施：
①研究和開發低能耗、污染小的高性能熱機；
②改進燃燒設備，消除煙塵；
③提高燃料的綜合利用率，采取集中供暖；
④在內燃機排氣管上安裝消聲器，以減少噪聲污染；
⑤節約能源和開發新能源，實現可持續發展。
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二、燃料的熱值
我們把某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質量之比叫做這種燃料的熱值
熱機運轉中，對外做的有用功的能量與燃料完全燃燒所釋放的能量的比值稱為熱機效率。
三、熱機效率
環境污染
四、環境保護
環境保護
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一、燃料
1.完全燃燒相同質量的甲、乙兩種燃料時，若甲放出的熱量多，則甲的熱值比乙的熱值_______。
2.在煤炭市場中，少數不法商販將矸石粉碎后摻在優質煤中銷售，客戶為了不上當，最恰當的方法是檢測下列物理量中的（ ）
A.熱值 B.比熱容 C.溫度 D.質量
大
A
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3.下列與火箭燃料有關的說法中，正確的是（ ）
A.火箭燃料燃燒越充分，其熱值越大
B.燃料燃燒釋放的熱量越多，熱機效率越高
C.燃料用了一部分后，質量變小，熱值變小
D.火箭發射升空時發動機內能量轉化與汽油機的做功沖程類似
D
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4.為了緩解能源緊缺問題，提高熱機的效率變得越來越重要。下列有關熱機效率的說法中，正確的是（ ）
A.盡量減少熱機內部各部件的摩擦可提高熱機效率
B.使用的燃料熱值越高，熱機的效率越高
C.目前有些新型燃料汽車實現了“零排放”，它們的熱機效率可達100%
D.柴油機的效率一般低于汽油機的效率
A
5.現代火箭用液態氫作燃料，是因為它具有（ ）
A.較大的比熱容 B.較低的沸點
C.較大的熱值 D.較高的凝固點
6.干木柴的熱值是1.2×107J/kg，它的物理意義是_ ________
___________________________________。完全燃燒4kg的干木柴，能放出_____________熱量。
C
完全燃燒時放出的熱量是1.2×107J
1kg的干木柴
4.8×107J
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7.熱機在能的轉化過程中不可避免地要損失一部分能量，并且會對環境造成一定程度的污染。請指出熱機工作過程中存在的各種形式的能量損失，同時指出可能造成哪些環境污染。
解：能量損失的形式：
(1)燃料不能完全燃燒會浪費一部分能量；
(2)高溫廢氣帶走很大一部分能量；
(3)一部分能量消耗在散熱上；
(4)克服摩擦消耗一部分能量。
熱機造成的污染主要包括兩個方面：(1)大氣污染；(2)噪聲污染。
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8.全球汽車保有量在迅速增長，截至2011年，全球處于使用狀態的汽車數量已突破10億輛。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%，全球每年可以節約多少燃油？
解：效率提高前后每輛汽車需要消耗的有用能量相等，所以30%Q總前=（30%+1%）Q總后，則30%·m前q=31％·m后q，
10億輛汽車節省的汽油質量為109×（1.8-1.742）t=5.8×107t。
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