第3节 热机的效率（培优教学课件）物理人教版2024九年级全一册

第十四章 内能的利用 九年级全一册•人教版 火能驱散寒冷和黑暗，带来温暖和光明。摩擦生火第一次使人支配了一种自然力量，而蒸汽机的发明则给人类带来了巨大的动力。 将内能转化为机械能的各种热机广泛使用在汽车、火车、轮船、飞机和火箭上。热机是怎样将内能转化成我们需要的能量的？学习完这一章，你就会清楚了。 第3节 热机的效率 1. 热机工作时需要消耗煤、汽油、柴油等燃料，对外做功的目的是将燃料中的化学能转化为机械能。 热机中燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗? 导入新课 发射人造卫星、宇宙飞船所用的火箭要用液态氢、氧做燃料。你知道这是为什么？用汽油、柴油做火箭燃料可以吗？ 液态氢、氧存储罐 导入新课 学习目标 物理观念 建立热值概念，知道热值是燃料的一种特性；能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热机的效率。 科学思维 知道可以怎样提高热机效率以及提高热机效率的意义所在；能简单计算燃料燃烧放出的热量。 科学探究 通过社会调查、分组交流合作，了解热机效率及热机带来的影响。 科学态度 与责任 了解热机的利用与人类社会发展的关系；培养环保意识，激发社会责任感。 教学重点 燃料的热值和热机的效率。 教学难点 对热机效率的理解。 重点难点 1. 燃料的热值 2. 热机的效率 3. 课堂总结 4. 练习与应用 5. 提升训练 学习内容 一、燃料的热值 第3节 热机的效率 一、燃料的热值 1. 燃料 想一想，你见过的燃料有哪些？ （1）燃料的种类：固体燃料有木柴、煤炭等；液体燃料有汽油、柴油、酒精灯；气体燃料有煤气、天然气等。 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 一、燃料的热值 （2）燃料燃烧时能量的转化 燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能。 喷气式飞机发动机用航空煤油做燃料。靠燃料燃烧时产生的气体向后高速喷射的反冲作用使飞机向前飞行。 火箭升空靠液态氢与液氧的燃烧获取内能。 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 经实验得出：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，相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出的热量不同，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放出的热量与其质量之比，叫作这种燃料的热值，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： 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）常见燃料的热值表 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 【例题1】关于燃料的热值，下列说法正确的是（ ） A. 热值在数值上等于1kg某种燃料燃烧放出的热量 B. 10kg木炭比1kg木炭的热值大 C. 热值大的燃料比热值小的燃料燃烧时放出的热量多 D. 燃料燃烧时放出热量的多少与是否完全燃烧有关 D 【解析】热值是燃料的一种属性，同种燃料的热值相同。燃料燃烧时放出的热量与是否完全燃烧、燃料的热值和质量都有关系，因此热值大的燃料燃烧时放出的热量不一定多。故选D。 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。 二、热机的效率 第2节 热机的效率 二、热机的效率 1. 日常生活中的热效率 【提出问题】用煤气灶烧水时，煤气能完全燃烧吗？煤气燃烧放出的热量能全部被水吸收吗? 【分析讨论】煤气不能完全燃烧，损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量，煤气灶本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，等等。水吸收的热量只占煤气完全燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是被有效利用的。 二、热机的效率 （1）热效率的概念（炉子、燃气灶的热效率等） 吸收的热量占燃料完全燃烧放出热量的比值叫作热效率。 热效率η = （2）提高锅炉中燃料热效率的方法 把煤磨成煤粉，增大与氧气的接触面积；把空气吹进炉膛增大送氧量。 二、热机的效率 2. 热机的效率 （1）热机能量流向示意图 热机也有类似的情况，汽油在汽缸内不能完全燃烧，损失了一部分能量，机械装置吸收了一部分能量，废气带走了一部分能量，由于机械传动等克服摩擦消耗了一部分能量，等等。真正转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧所释放能量的一部分。只有对外做有用功的能量是被有效利用的。 燃料的 内能 二、热机的效率 （2）热机的效率 ①定义：用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫作热机的效率。 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 20～40% 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 【例题3】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。 二、热机的效率 【例题4】用烟煤烧水时，将10kg的水从20℃加热到100℃，燃烧了1.4kg的烟煤。水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），烟煤的热值约为3×107J/kg。试求： （1）水吸收的热量是多少？ （2）1.4 kg的烟煤完全燃烧放出的热量是多少？ （3）热效率是多少? （4）分析热效率不高的两种原因。 二、热机的效率 【解析】 （1）Q吸=cm△t =4.2×103J/（kg·℃）×10kg×（100-20）℃ =3.36×106J （2）Q放＝mq＝1.4kg×3×107J/kg＝4.2×107J （3） η = = 8% （4）热效率不高的原因有： 烟煤没有完全燃烧，热传递的过程中有热量损失等。 三、科学•技术•社会•环境 第3节 热机的效率 三、科学•技术•社会•环境 1. 蒸汽机 生产的发展需要强大的动力。17世纪，人类发明了热机。最早的热机是蒸汽机。在锅炉里把水烧成水蒸气，水蒸气在汽缸里推动活塞做功。原始的蒸汽机不便于使用，后来许多人对它不断改进，其中贡献最大的是英国人瓦特，他在1782年发明了往复式蒸汽机，使蒸汽机成为可以广泛使用的动力机。 这种蒸汽机在之后的一百多年里对工业的发展起了极其重要的作用。斯蒂芬森以此为基础最先研制了的“火箭号”蒸汽机车。 “火箭号”蒸汽机车 从火车到火箭 2. 蒸汽轮机 电力工业的发展需要功率巨大的热机来带动大型发电机。1884年出现的蒸汽轮机满足了这个需要。大型锅炉产生的高温高压水蒸气直接喷射到汽轮机的叶片上，使蒸汽轮机转动。 蒸汽轮机 三、科学•技术•社会•环境 3. 内燃机 交通运输的发展迫切需要比较轻便的热机。于是，内燃机应运而生。内燃机有汽油机、柴油机两大类。 汽油机是1876年发明的，柴油机是1892年发明的。内燃机运行时不需要携带很多水和煤，不但轻便，效率也提高了很多。内燃机的出现和不断改进，对交通运输事业的现代化起到了决定性的作用。 内燃机——摩托车使用汽油机，挖土机使用柴油机，货船使用大型柴油机。 三、科学•技术•社会•环境 4. 空气喷气发动机 早期的飞机是由内燃机提供动力的。从上世纪40年代开始，飞机上越来越多地使用空气喷气发动机，它需要用大气中的氧气来助燃，向后喷出高速气体，从而获得前进的动力。 火箭上使用的喷气发动机自带燃料和氧化剂，工作时不需要空气，可以在大气层外工作。 自带燃料和氧化剂的火箭。目前最常用的是液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固-液混合推进剂火箭。 三、科学•技术•社会•环境 空气喷气发动机 在“中国航天之父”钱学森的带领下，一代代中国航天人不断发展火箭技术，将人造卫星、宇宙飞船、空间站等送入太空，使我国成为航天强国。 长征五号火箭发射 钱学森（1911—2009） 三、科学•技术•社会•环境 【例题5】2024年9月19日09时14分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭与远征一号上面级，成功发射第五十九颗、六十颗北斗导航卫星（如图）。火箭的发动机______（选填“属于”或“不属于”）热机。火箭采用液态氢做燃料，是因为它的______大，燃料燃烧时将______能转化为内能。 化学 【解析】 热机是指各种利用内能做功的机械，火箭发动机工作时，将燃料燃烧放出的内能转化为机械能，所以火箭发动机属于热机。 用液氢作为燃料，是因为液氢的热值较大，与其它燃料相比，燃烧相同质量的液氢放出的热量更多。 液态氢燃烧过程中，消耗燃料，放出热量，将燃料的化学能转化为内能。 属于 热值 三、科学•技术•社会•环境 四、课堂总结 第3节 热机的效率 四、课堂总结 热机的效率 ①分类：固体燃料、液体燃料、气体燃料. ②燃料燃烧过程中化学能转化为内能. ①定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比. 是燃料的一种特性. 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：用来做有用功的这部分能量， 与燃料完全燃烧放出的热量之比. 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. 燃 料 热 值 热机的效率 五、练习与应用 第3节 热机的效率 五、练习与应用 【解析】燃料燃烧放出的热量为Q放=mq，可见与燃料的热值和质量有关。 因为不知道无烟煤与干木柴的质量大小，所以无法比较它们完全燃烧时放出的热量多少。 1. 有人认为，无烟煤的热值比干木柴大，完全燃烧时无烟煤放出的热量比干木柴多。你认为呢?说说理由。 五、练习与应用 【解析】汽油的热值为4.6×107J/kg。 人对这袋大米做的功W=Gh=mgh=5kg×10N/kg×12m=600J Q油放=W=600J 由Q油放=mq 得m= = = 1.3×10-5kg=13mg 2. 某人提着一袋质量为5kg的大米，从1层步行至5层，每层楼的层高为3m，他对这袋大米做了多少功?要使一定量的汽油完全燃烧放出的热量和他所做的功数值相等，则需要多少汽油?（g取10N/kg） 五、练习与应用 【解析】 q油=4.6×107J/kg q柴=1.2×107J/kg 因为Q柴放=Q油放 即 m柴q柴= m油q油 = = = 3.8倍 3. 如果干木柴跟煤油完全燃烧放出的热量相等，那么干木柴的质量应该是煤油质量的几倍？请列出相关计算式来说明理由。 五、练习与应用 【解析】每辆汽车每年做有用功所需燃油1.8t×30%=0.54t 内燃机效率提高后为30%+1%=31% 效率提高后每年所需燃油量 = 1.74t 每辆车每年节约燃油1.8t-1.74t=0.06t 3亿辆车每年节约燃油 0.06t×3×108=1.8×107t 4. 全球汽车保有量在迅速增长，截至2022年底，我国燃油汽车保有量约为3亿辆。假设每辆汽车每年耗油1.8t，汽车内燃机的效率平均值取30%。如果能把内燃机效率提高1%，我国每年可以节约多少燃油？ 五、练习与应用 【解析】 （1）减少有害气体的排放量； （2）降低对空气的污染； （3）减少燃料的消耗，节约能源。 5. 提高热机的效率具有哪些积极意义？请列出回答这个问题的提纲。 六、提升训练 第3节 热机的效率 六、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 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 六、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。 六、提升训练 六、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 六、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 4. 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     六、提升训练 5. 如图所示，是汽车能量转化示意图，关于汽车的效率其中正确的是（ 　） A．33% B．30% C．37% D．40% B 【解析】 用总功减去各种能量的损失即得到汽车的效率为 η＝1-33%-30%-7%＝30% 故B符合题意，ACD不符合题意。故选B. 六、提升训练 6. 如图所示是我国自行设计研制的AG600全状态新构型灭火飞机。若该飞机以270km/h的速度匀速直线航行20min，消耗航空燃油1.35t，飞机发动机的功率为2.25×107W。（航空燃油的热值为4×107J/kg）求： （1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量是多少？ （2）飞机在航行过程中的阻力是多少？ （3）发动机的效率是多少？ 【解析】（1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量 Q放=mq=1.35×103kg×4×107J/kg=5.4×1010J （2）飞机航行20min牵引力做功 W=Pt=2.25×107W×20×60s=2.7×1010J 飞机运动的路程 s=vt=270km/h×20h/60=90km=9×104 m 飞机受到的牵引力 因为飞机做匀速直线运动，受到牵引力和阻力是平衡力，所以飞机受到的阻力f=F=3×105N （3）发动机的效率 六、提升训练 $$