10.4 热机的效率 课件 --2025-2026学年沪科版（五四学制）物理九年级上学期

第10章 内能 九年级上册•沪教版 （五四•学制） 第4节 热机的效率 18 世纪初到19世纪中叶，热机的出现和广泛使用促进了工业的迅速发展。热机的工作过程涉及内能及其转化。本章我们将学习热机所涉及的物理学基础知识。 通过本章内容的学习，你将了解热量、比热容、内能和热值等基本概念，知道热机的工作原理；感受热机的发明对提升社会生产力的作用和影响，增强节能和环保的意识；初步形成能量观念。 导入新课 第4节 热机的效率 热机广泛应用在社会生活的各个方面，推动了社会的发展。常见的热机如汽车发动机、发电用的汽轮机、飞机上的航空发动机使用不同类型的燃料工作，它们利用燃料的效率有什么不同呢？ 燃料的热值 01 热机的效率 02 课堂总结 03 提升训练 04 第4节 热机的效率 一、燃料的热值 第4节 热机的效率 一、燃料的热值 1. 人类使用燃料的进程 （1）木柴和煤炭：在历史上很长一段时期，木柴和煤炭是人类的主要生活燃料。 人类在原始社会 用燃料柴薪取暖 天然气燃烧烧饭 汽油燃烧，释放内能， 转化为车的机械能 （2）煤气：20 世纪末，煤气成为城市居民日常使用的生活燃料，煤气生产出来后储存在巨大的“煤气包”中，并通过管道输送到千家万户。 “煤气包” 一、燃料的热值 （3）天然气 进入21世纪以后，更清洁环保的天然气逐步替代煤气成为居民的主要生活燃料，遍布城市各处的“煤气包”也陆续退出历史舞台。 天然气厂 天然气燃烧烧饭 一、燃料的热值 2. 燃料的热值 （1）探究相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同？ 【提出问题】根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不是相同？有哪些事实来支持你的观点，并进行分析。 日常生活中，常见的燃料有煤、木柴、天然气、液化气、酒精、汽油、柴油，在农村还有农作物的秸秆，有些地区还用牛粪作为燃料。 若一个四口之家使用不同的燃料供家庭使用，如烧水、做饭等，请你估计，一个月如果使用木柴需要多少千克？如果使用蜂窝煤需要多少千克？如果使用液化气需要多少千克？如果使用秸秆需要多少千克？ 一、燃料的热值 【实验结果】约需要木柴200kg，煤90kg，液化气30kg，秸秆400kg。使用不同的燃料，消耗量是不同的，这是什么道理？ 【分析论证】 ①不同的燃料燃烧释放热量的能力是不一样的。 根据实验发现1kg的煤燃烧释放出的热量是1kg木柴燃烧释放出的热量的两倍多。 怎么比较燃料燃烧放出热量的能力呢？ ②比较燃料燃烧放热能力的方法（类比密度概念的建立方法） 比较密度大小的方法：不同物体体积都取1m³，比较它们的质量。 同理，把所有燃料都取1kg，让它们完全燃烧，比较它们放出的热量。 一、燃料的热值 （2）燃料的热值 由于燃料的成分不同，质量或体积相等的不同燃料，在完全燃烧时所放出的热量一般不同，在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。 ①定义：把某种燃料完全燃烧时放出的热量与燃料质量之比，叫做这种燃料的热值，用字母q表示。 ②公式：q= Q表示放出的热量，单位是焦，符号为 J； m表示固、液体燃料的质量，单位是千克，符号为kg； q表示热值，单位是焦/千克，符号为 J/kg。 一、燃料的热值 ③热值的物理意义： 热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。如木炭的热值为3.4×107J/kg，它表示1kg木炭完全燃烧时放出的热量是3.4×107J。 同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。 ④燃料燃烧放出热量的计算： 一、燃料的热值 ⑤气体燃料的热值： 气态燃料的热值也可以用 1个标准大气压、0℃时，气体完全燃烧时放出的热量与其体积之比来表示： q= V 表示气体燃料的体积，单位是米3 ，符号为m3 Q 表示放出的热量，单位是焦，符号为 J q 表示气体燃料的热值，单位使用焦/米3，符号为J/m3 一、燃料的热值 （3）一些常见燃料的热值 一、燃料的热值 【想一想】 ①热值表中，热值最大的是哪种燃料？热值最小的是哪种燃料？ ②火箭上为什么用液态氢作燃料？ ③热值反映了燃料的什么性质？不同燃料的热值一定不同吗？ 【解答】 ①表中热值最大的是氢，热值1.4×108J/kg，热值最小的是干木柴，热值1.2×107J/kg。 ②火箭上用液态氢作燃料是因为氢的热值大。 ③热值是燃料的一种属性，不同的燃料有不同的热值。 一、燃料的热值 2022 年，北京冬季奥运会将火炬变为“微火”，与往届奥运会大量使用液化天然气或丙烷等作为火炬燃料不同，北京冬季奥运会首次使用氢作为火炬燃料。氢燃烧时，只生成水而不产生二氧化碳，几乎实现零碳排放，真正体现北京冬季奥运会的低碳、可持续的“绿色环保”理念。 北京冬季奥运会主火炬 一、燃料的热值 【例题1】关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（　　） A．没有燃烧的燃料，热值等于零 B．燃料完全燃烧时，它的热值最大 C．燃料的热值与质量和燃烧状态无关 D．燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多 C 【解析】ABC．热值是燃料自身的一种属性，大小与燃料的质量、温度、燃烧情况无关，故AB错误，C正确； D．根据公式Q=mq可知，燃料燃烧放出的热量多少与燃料的热值、燃料的质量有关，与燃烧时的温度无关，故D错误。故选C。 一、燃料的热值 【例题2】在标准大气压下，使用煤气灶将2kg的水从20℃加热到100℃，水吸收的热量是 J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧 kg的煤气，这是通过 的方式增加了水的内能。未使用完的煤气的热值 （选填“变大”“变小”或“不变”）。 ［水的比热容c水=4.2×103J/（kg℃），煤气的热值 q煤气=4.8×107J/kg］ 不变 热传递 6.72×105 1.6×10-2 一、燃料的热值 【解析】将2kg水从20℃加热到100℃，水吸收的热量为 Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×2kg×(100℃-20℃)=6.72×105J 由题意可知，若不计热量损失，则Q放=Q吸=6.72×105J 由Q放=mq可得，需要完全燃烧的煤气质量为 水变热，水吸收热量、内能增大，是通过热传递改变物体的内能。 燃料的热值是燃料自身的一种性质，与它是否完全燃烧没有关系，若煤气燃烧不充分，其热值不变。 一、燃料的热值 二、热机的效率 第4节 热机的效率 二、热机的效率 1. 热机的效率 （1）热机能量流向示意图 热机工作时对外做功的能量只是从高温物体吸收的一部分能量；高温物体的相当一部分能量散失了。对于内燃机而言，由于其排出的废气温度较高，带走很大一部分能量；此外，还有一部分能量损耗在散热及克服摩擦做功上。 图为某汽车发动机的能量分配图。 （2）热机的效率 ①定义：用来做功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率。 ②公式： η 或 η ③物理意义：热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，可以节约能源。 二、热机的效率 （3）一些热机的效率 瓦特蒸汽机的效率 6% ~ 15% 汽油机的效率 20～30% 喷气发动机的效率 50～60% 二、热机的效率 3. 提高热机效率的主要途径 （1）尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量 大型发电机常常用蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。热电站既供电又供热，比起一般的火电站，燃料的利用率大大提高。 供电 供热 蒸汽轮机 二、热机的效率 （2）在热机的设计和制造上，采用先进的技术。 （3）减小摩擦。 使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整各零件之间的间隙，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。 二、热机的效率 动画讲解——《热机的效率 》 二、热机的效率 4. 热机的使用对环境的影响 （1）热机的使用对环境的影响 第一次工业革命以来，热机的大量使用使人类摆脱了繁重的体力劳动，促进了生产力的发展。但是热机工作时所排放的废气中含有二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等多种气体，会对环境产生一定程度的破坏。二氧化硫与氮氧化物排放在大气中形成酸雨。 二氧化碳及大量热量通过废气排入空气中，导致温室效应加剧、全球气候变暖。 二、热机的效率 （2）减少热机对环境影响的方法 为此，我国不断提升机动车污染物排放标准，促进热机技术升级。 与此同时，大力发展公共交通系统，鼓励公众绿色环保出行，倡导节能减排的生活方式。 二、热机的效率 【例题3】汽车是现代生活中最常见的一种交通工具，如图甲、乙分别是某汽油机的某冲程及能量流向图。下列有关说法不正确的是（ ） A．甲图是压缩冲程，机械能转化为内能 B．由乙图可知该汽油机的效率是28％ C．汽车尾气中的“汽油味”越浓，说明燃料燃烧得越不充分，这会降低燃料的热值 C D．冬天，有些汽车会利用尾气中的余热给车内供暖，这是利用热传递的方法改变内能 二、热机的效率 【解析】A．根据图甲可知，两个气门关闭，活塞向上运动，为压缩冲程，活塞对汽缸内的气体做功，机械能转化为内能，故A正确，不符合题意； B．热机效率是指有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量的比值，由图可知，输出有用功所占比例为η=100%-36%-30%-6%=28% 即该汽油机的效率为28%，故B正确，不符合题意； C．热值是燃料本身的一种特性，只与燃料种类有关，和燃料的质量、放出热量的多少、燃烧是否充分、温度高低无关，汽车尾气中的“汽油味”越浓燃料燃烧得越不充分，燃料的热值不变，故C错误，符合题意； D．冬天，有些汽车会利用尾气中的余热给车内供暖，车内的空气吸收热量温度升高，因此这是利用热传递的方法改变内能，故D正确，不符合题意。故选C。 二、热机的效率 三、课堂总结 第4节 热机的效率 课堂总结（1） 热机的效率 ①常见的燃料：木柴、煤炭、煤气、天然气等. ②燃料燃烧过程中化学能转化为内能. ①定义：某种燃料完全燃烧时放出的热量与燃料质量之比. ②公式：固体q 气体q ③单位：焦/千克（J/kg）、焦/米3（J/m3 ） ①热机的效率：用来做功的能量与燃料完全燃烧放出的 能量之比. ② 公式：η ③提高热机效率的方法：利用废气的能量、减少机械摩擦、 尽量使燃料充分燃烧等. ④热机的使用对环境的影响：废气、酸雨、温室效应等. 燃 料 热 值 热机的效率 31 课堂总结（2） 32 四、提升训练 第4节 热机的效率 提升训练 【解析】ABC. 1kg某种燃料完全燃烧放出的能量，叫做这种燃料的热值，热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等均无关，故AC错误，B正确； D.由Q=mq可知，燃料燃烧放出的热量与热值和质量有关，与温度无关，故D错误。故选B. 1. 关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（　　） A．没有燃烧的燃料，其热值等于零 B．燃料的热值与其质量和燃烧状态无关 C．燃料完全燃烧时，它的热值最大 D．燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多 B 提升训练 2. 2022年11月，神舟十五号载人火箭将了名航天员送入中国空间站。下列关于神舟十五号升空过程中分析正确的是（　　） A．神舟十五号火箭的发动机不是热机 B．神舟十五号火箭利用氢做燃料是因为氢的热值大 C．神舟十五号火箭对氢能的利用效率可以达到100% D．神舟十五号火箭加速升空过程中机械能守恒 B 提升训练 【解析】A．神舟十五号火箭的发动机工作时把燃烧燃料时产生的内能转化为机械能，因此属于热机，故A错误； B．火箭选用液态作氢燃料是因为氢的热值大，与质量相同的其它热值小的燃料相比，氢燃烧能放出更多的热量，故B正确； C．氢燃烧产生的热量并不能被火箭完全利用，一部分转化成火箭的内能，使火箭温度升高，还有一部分散失在周围环境，因此火箭对氢能的利用效率小干100%，故C错误； D．神舟十五号火箭加速升空的过程中，质量不变（忽略燃料质量的变化），速度增大，动能增大，高度增大，重力势能增大，机械能等于动能与势能之和，因此机械能增大，故D错误。故选B。 提升训练 【解析】 干木柴的热值为 = = = 1.2×107J/kg 热值是燃料的特性，其大小只与燃料的种类有关，而与燃料的质量无关，用掉一半后，干木柴的热值仍为1.2×107J/kg. 3. 小越参加一次长跑，身体消耗的能量为6.6×106J，这些能量相当于完全燃烧0.55kg的干木柴才能得到，则干木柴的热值为___________J/kg，如果用掉一半后，干木柴的热值将_______（选填“变大”“变小”或“不变”）。 1.2×107 不变 4. 如图是某内燃机的能量流向图。 下列有关说法正确的是（　　） A．①是废气带走的热量 B．该内燃机是在压缩冲程获得动力 C．该内燃机的效率为28% D．改进构造减小摩擦可提高③所占百分比 B 【解析】A．内燃机的能量流向中，废气带走的能量占比最大，所以③是废气带走的热量，故A错误； B．内燃机是在做功冲程获得动力，内能转化为机械能，故B错误； C．该内燃机的效率为100%-6%-30%-36%=28%，故C正确； D．改进构造减小摩擦可提高机械效率，即提高有用机械能的占比，故D错误。 提升训练 提升训练 【解析】由题意知消耗汽油的质量m=10g=0.01kg 汽油完全燃烧产生的热量Q=mq=0.01kg×4.6×107J/kg=4.6×105J 根据热机效率η ，汽油机输出的有用机械能 = η= 4.6×105J×30%=1.38×105J 5. 有一台汽油机在一个工作循环中消耗了10g汽油（热值为4.6×107J/kg），这些汽油完全燃烧产生的热量是________J。若这台汽油机的效率为30%，则一个工作循环中输出的有用机械能为__________J。 1.38×105 4.6×105     提升训练 6. 如图所示是一款远程无人驾驶清扫车，自动驾驶时使用雷达传感器，以及激光测距等技术来收集周围的交通状况。某次，清扫车在公路上匀速直线行驶了15min，消耗了汽油0.3kg，清扫车匀速直线行驶过程中牵引力做功的功率恒为4.6×103W。问：（汽油的热值为4.6×107J/kg） （1）汽油机的______冲程为清扫车提供动力。 （2）0.3kg的汽油完全燃烧放出的热量是多少？ （3）清扫车汽油机的效率是多少？ 做功 1.38×107J 30% 提升训练 【解析】 （1）清扫车工作时，做功冲程中将内能转化为机械能，为清扫车提供动力。 （2）0.3kg的汽油完全燃烧放出的热量为 Q放=mq=0.3kg×4.6×107J/kg=1.38×107J （3）牵引力做的机械功为 W=Pt=4.6×103W×15×60s=4.14×106J 清扫车汽油机的效率为 Lavf58.45.100 Lavf58.45.100 $$