第四节 跨学科：热机效率和环境保护（培优教学课件）物理沪科版2024九年级全一册

义务教育教科书 第十四章  内能与热机 第四节 跨学科： 热机效率和环境保护 上海科学技术出版社 致老师、同学 说明 ppt使用高质量视频，资源比较大，约40MB. ppt共有56张、1段视频，可根据需要选择点播. 视频 资源 视频讲解—《热值的概念》 免责 声明 视频版权归原作者，如涉及版权问题，请联系删除。 ppt版权归本工作室，如涉及侵权问题，将追究责任。 导入新课 想一想： 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 学习目标 能从跨学科视角认识燃料的热值、热机效率和环境保护的意义等；能认识热机对社会发展所起的作用和对环境的影响。 1. 燃料的热值 2. 热机效率 3. 环境保护 4. 课堂总结 5. 作业 6. 综合提升训练 目录导航 一、燃料的热值 第四节 跨学科：热机效率和环境保护 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释放的热量与所用燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值，用字母q表示。 ②公式：q= Q表示燃料完全燃烧释放的热量，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表示燃料的热值，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 对气体燃料而言，其热值也可以采用在标准状态下某种气体燃料完全燃烧放出的热量与所用该种气体燃料的体积之比。 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。例如，天然气的热值为3.3×107~4.5×107J/m3 。 一、燃料的热值 （3）常见燃料的热值表 【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？ 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。 动画讲解——《热值的概念 》 一、燃料的热值 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、热机效率 第四节 跨学科：热机效率和环境保护 二、热机效率 热机工作时，燃料不能完全燃烧，且燃烧释放的能量也不能全部用来对外做有用功，有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。图是热机燃料能量的主要走向示意图。可见，真正能转化为对外做有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分。 二、热机效率 1. 热机效率 ①定义 做有用功与燃料完全燃烧所释放能量的比值称为热机效率。 ②公式 η ③物理意义：热机效率是热机性能的重要指标。热机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、热机效率 2. 一些热机的效率 各种热机的效率是不同的。如推动世界上第一次工业革命的蒸汽机，其效率只有 6%～15%，汽油机的效率为 20%～30%，柴油机的效率为 30%～40%，而喷气式飞机上的发动机的效率能达到50%～60%。 蒸汽机效率 6%～15% 汽油机效率为20%～30% 喷气式飞机发动机效率 能达50%～60% 二、热机效率 3. 提高热机效率的主要途径 为合理利用能源，人们一直在努力提高热机效率，其主要途径是减少热机工作中的各种能量损失。 （1）首先要减少燃烧过程中的热量损失。 如内燃机要掌握火花塞点火或喷油嘴喷油的最佳时间；蒸汽类热机，常将煤研磨成粉状，用风吹入锅炉内燃烧。这些措施都可使燃料燃烧得更充分。 （2）其次要尽量简化机械传动部分。并选用优良的润滑材料减小摩擦，以减少能量损失。 给汽车发动机加润滑油 二、热机效率 【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。下列有关说法正确的是（　　） A．甲图是压缩冲程，气缸内的气体对活塞做功，气体的温度升高 B．由乙图可知该汽油机的效率是30% C．汽车尾气中的“汽油味”越浓燃料燃烧得越不充分，这会减小燃料的热值 D．为节能冬天汽车都会利用尾气中的余热给车内供暖，该举措大大提高了燃料的利用率 D 二、热机效率 【解析】 A．如图甲所示，进气孔和排气孔都关闭，活塞向上运动，压缩气体，对气体做功，气体温度升高，这是汽油机的压缩冲程，故A错误； B．由乙图可知汽油机的效率 η=100%-6%-30%-36%=28%，故B错误； CD．热值是燃料完全燃烧时的放出的热量和质量之比，燃料的热值只与燃料的种类和状态有关，与燃料是否完全燃烧无关，燃料燃烧得越不充分，这会降低燃料的利用率，不会降低燃料的热值；冬天汽车利用尾气中的余热给车内供暖，使燃料充分被利用，提高了燃料的利用率，节约了能源，故C错误，D正确。 故选D. 二、热机效率 【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。 1. 能量守恒定律 机械工作时，其工作效率能否无限提高?不少人曾经设想制造出一种不需要消耗能量就可以不断对外做功的机器。但是大量的研究表明，自然界的能量是守恒的，科学家们将研究的结果概括为能量守恒定律，即: “永动机”能实现吗? 拓展一步 能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而能的总量保持不变。 2. “永动机”的失败 从能量守恒定律看，机械并不能创生能量，我们无法制造出既不消耗能量又能对外做功的装置。图是有人设想的一种能永远运动的装置——“永动机”。想一想，它真的能一直不停地运动下去吗? 永动机是一种幻想，永远不可能成功，因为它违反了自然界最普遍的一个规律，这就是能量转化与守恒定律。 “永动机”能实现吗? 拓展一步 一种“永动机”的设想 三、环境保护 第四节 跨学科：热机效率和环境保护 三、环境保护 1. 热机造成的环境污染 热机使用加快了人类文明的进程，但也带来了环境污染问题。现代工业大量燃烧煤炭、石油和天然气排放的烟尘使大气十分浑浊，排放的二氧化硫和氮氧化合物会形成酸雨，危害植物，污染环境等。 燃料燃烧对环境的影响 三、环境保护 2. 环境保护 如何在保持工业发展、交通发达的同时，减少废气与粉尘的污染，提高空气质量，保护我们生存的家园，已引起科学工作者和世界各国政府的关注。1992年联合国专门制定了《联合国气候变化框架公约》，并于同年在巴西城市里约热内卢签署生效。截至2023年7月，该公约共有198个缔约方。 我国坚持走绿色、低碳、可持续发展道路，在应对全球气候变化上做出了积极的贡献。 三、环境保护 三、环境保护 【例题5】关于热机与环境，下列说法正确的是（　　） A．现代热机的出现，极大地改变了人类的工作方式和生存条件 B．热机虽然促进人类的文明进程，但同时对环境造成了极大的污染和破坏，我们应该禁止热机的使用 C．随着新材料，新工艺不断涌现，我们现在应该用新动力取代所有传统热机 D．我们要利用热机来改善人类工作条件和生活方式，一点点污染不算啥 A 三、环境保护 【解析】 A．现代热机的出现，改变了人类的工作方式和生存条件，故A正确； B．热机的使用虽然对环境造成了极大的污染和破坏，但促进人类的文明进程，应更加合理地使用热机，故B错误，不符合题意； C．用新动力取代热机需要我们开发出经济环保的可持续利用的新能源，现在的技术水平传统钓热机无法被全部取代，故C错误，不符合题意； D．现在大气污染的主要途径就是利用化石能源的结果，我们应尽量减少热机的使用带来的污染，故D错误，不符合题意。 故选A. 四、课堂总结 第四节 跨学科：热机效率和环境保护 课堂总结 热机效率和环境保护 ①定义：燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比。 ②燃料燃烧放出热量的计算： （固、液燃料） （气体燃料） ③单位：J/kg（固、液体）、J/m3 （气体） ①定义：做有用功与燃料完全燃烧所释放能量的比值。 ②公式：η ③提高热机效率的方法：减少热量损失、减少能量损失。 ①热机造成的环境污染：主要是大气污染。 ②环境保护。 热 值 热机效率 环境保护 五、作业 第四节 跨学科：热机效率和环境保护 作业 【解析】 （1）1kg煤完全燃烧释放的热量约为3.0×107J；煤的热值约为3.0×107J/kg。 （2）1kg汽油完全燃烧释放的热量约为4.6×107J；汽油的热值约为4.6×107J/kg。 ‌ （3）1kg木炭完全燃烧释放的热量约为1.2×107J/kg；木炭的热值约1.2×107J/kg. ‌ ‌比较结果‌：‌汽油‌的热值最高；‌煤‌的热值次之；‌木炭‌的热值最低。 1．查阅资料并比较，质量为1kg的煤、汽油和木炭完全燃烧，释放的热量分别是多少?谁的热值更大? 作业 【解析】 掺入矸石的煤的热值减小，因此相同质量的煤燃烧时放出的热量就少，故可用检测热值的方法检验优质煤中是否掺入了矸石。 2．为区分优质煤粉与掺杂了矸石粉末的劣质煤粉，最恰当的方法是检测下列物理量中的哪个?请说明理由。 A．热值 B．比热容 C．温度 D．质量 A 作业 【解析】 现代火箭用液态氢作燃料，是因为它具有较大的热值，在相同质量的情况下，它放出的热量多。故选C。 3．现代火箭用液态氢作燃料，是因为它具有（   ） A．较大的比热容 B．较低的沸点 C．较大的热值 D．较高的凝固点 C 作业 【解析】A. 热值与火箭的燃料燃烧的充分程度无关，故A错误。 B. 热机效率指的是用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，燃料燃烧释放的热量越多，热机效率不一定越高，故B错误。 C. 燃料热值大小是燃料的属性，与燃料的质量无关，故C错误。 D. 火箭发射升空时内能转化为机械能，汽油机的做功冲程也是将内能转化为机械能，因此能量转化相同，故D正确，符合题意。 4．下列与火箭燃料有关的说法中，正确的是（ ） A. 火箭燃料燃烧越充分，其热值越大 B. 燃料燃烧释放的热量越多，热机效率越高 C. 燃料用了一部分后，质量变小，热值变小 D. 火箭发射升空时发动机内的能量转化与汽油机的做功冲程类似 D 作业 【解析】A．减少热机内部各部件间的摩擦，可减少能量损失，提高热机效率，A正确； 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，比值越大，效率越高，与燃料的热值无关，故B错误； C．目前有些新型燃料汽车实现了“零排放”，但是热机工作过程中不可避免地由于机件间的摩擦而产生额外功，因此热机效率不能达到100%，故C错误； D．一般柴油机的压缩比比汽油机大得多，且汽缸内柴油燃烧要比汽油燃烧更充分，所以柴油机的效率一般高于汽油机的效率，故D错误。故选A。 5．为了缓解能源紧缺问题，提高热机的效率变得越来越重要。下列有关热机效率的说法中，正确的是（ ） A. 尽量减少热机内部各部件间的摩擦可提高热机效率 B. 使用的燃料热值越高，热机的效率越高 C. 目前有些新型燃料汽车实现了“零排放”，它们的热机效率可达到100% D. 柴油机的效率一般低于汽油机的效率 D 作业 【解析】 干木柴的热值是 1.2×107J/kg，它的物理意义是 1kg千木柴完全燃烧时放出的热量是1.2×107J. 完全燃烧4kg干木柴放出的热量 Q=mq=4kg×1.2×107J/kg=×107J 6．干木柴的热值是 1.2×107J/kg，它的物理意义是 ____________________________________。4 kg 的干木柴完全燃烧 ，能放出 __________ J的热量。 1kg 千木柴完全燃烧时放出的热量是1.2×107J 4.8×107 作业 【解析】热机工作过程中能量损失的形式：①燃料很难完全燃烧，燃料的化学能不能全部释放；②废气排出带走能量；③由于机械传动等，克服摩擦消耗能量；④机械传热损失能量。 热机造成的环境污染有废气污染与噪声污染。 7．热机在能的转化过程中不可避免地要损失一部分能量，并且会对环境造成一定程度的污染。请指出热机工作过程中存在的各种形式的能量损失，同时说明可能造成哪些环境污染。 1.热机效率为什么不能达到 100%？ 答：热机消耗的燃料不可能完全燃烧,燃烧放出的热量大部分散失到空气中、被废气带走、克服摩擦做功等消耗掉了，实际用于做有用功的能量只占到总能量的一部分。 2. 实际中燃料为什么不能完全燃烧? 答：在实际中，由于氧气的含量不是100%，以及燃料中有杂质，因此燃料很难完全燃烧。 作业 六、综合提升训练 第四节 跨学科：热机效率和环境保护 【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。 综合提升训练 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 故选B. 【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。 综合提升训练 2. 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 【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 综合提升训练 3. 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     【解析】 用总功减去各种能量损失即得汽车的效率为 η＝1-33%-30%-7%＝30% 故B符合题意，ACD不符合题意。 综合提升训练 4. 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 所以选B。 【解析】A．热机效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，热机做功越快，表示热机的功率越大，与效率无关，故A错误； B．热值大的燃料，燃烧相同燃料可以放出更多的热量，但用来做有用功的能量不一定多，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量的比值不一定大，热机效率不一定高，故B错误；C．使燃料充分燃烧、减少废气带走的热量、减少热机部件间的摩擦都可减少热量的损失，提高效率，C正确； D．热机在工作过程中不可避免地存在能量的损失，热机效率永远小于100%，D错误。 综合提升训练 5. 下列关于热机效率的说法中正确的是（　　） A．热机的功率越大，效率越高 B．热机所用燃料的热值越大，效率越高 C．减少燃烧过程中的热量损失可以提高热机效率 D．通过技术改进，热机效率可达100% C 故选C. 【解析】（1）根据吸热的计算公式可得，这些水吸收的热量为 Q吸=cm△t =4.2×103J/（kg・℃）×1000kg×（80-20）℃ =2.52×108J （2）由题意可知，不计热量损失，天然气完全燃烧放出的热量为 Q放=Q吸=2.52×108J 根据Q放=Vq可得，加热这些水所需要天热气的体积为 综合提升训练 6. 学校要把1000kg的水从20℃加热到80℃，[q天然气=4×107J/m3，c水=4.2×103J/（kg•℃）]。求： （1）这些水吸收的热量； （2）若用天然气加热，不计热量损失，需完全燃烧多少m3的天然气？ Lavf59.27.100 $$