第4节 热机的效率（教学课件）物理沪科版（五四学制）2024九年级上册

沪科版（五·四学制） 九年级上册 第10章 内能 第4节 热机的效率 01 02 03 04 05 CONTENTS 燃料的热值 热机的效率 学习目标 1. 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； 2. 热值的概念、表示、单位及其公式； 3. 热值的有关计算及其应用； 4. 汽车发动机能量分配图； 5. 热机效率的概念；常见的热机效率值及大小关系； 6. 提高热机效率的主要途径； 7. 热机的使用对环境的影响。 重点难点 教学重点： 1.热值的概念、表示、单位； 2.根据热值的公式进行有关计算； 3. 热机效率的概念；常见的热机效率值及大小关系。 1.汽车发动机能量分配图的应用； 2.热值、比热容的综合应用。 教学难点： 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（图 10-4-1 ） 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？ 情景引入 PART ONE 燃料的热值 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。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”（图 10-4-2）中，并通过管道 输送到千家万户；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。 探究新知 人类燃料的发展 图 10-4-2 “煤气包” 木材 煤炭 天然气管道 通常情况下，体积相同的煤气和天然气完全燃烧，天然气放出的热量比煤气放出的热量多。 研究发现，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。 小明利用如右图装置，完成以下实验：比较质量相等的不同燃料燃烧放出的热量。实验中液体a温度随时间的变化如表格所示（见下页）。 为了探究质量相等的不同燃料燃烧放出的热量特点，我们进行如下实验： 实验 注：甲、乙中液体a的质量相等。 0min/℃ 5min/℃ 10min/℃ 15min/℃ 燃料1 20  45   70 /(燃料燃尽) 燃料2 20   30 40 50 燃料 液体a的温度 将实数表格中的数据描绘如右图所示； 且为了方便数据分析，我们将上页的表格数据复制粘贴至如左图所示。 思考 质量相等的燃料1和燃料2完全燃烧放出的热量大小关系是什么；且二者的比值是多少？ Q燃料1＞Q燃料2 Q燃料1：Q燃料2=5：3 1.热值：在物理学中，把某种燃料完全燃烧时放出的热量 Q 与燃料质量 m 之比，叫做这种燃料的热值,用 q 表示. 单位:焦 / 千克，读作“焦每立方米”； 符号是 J/kg。 热值 燃料完全燃烧放出的热量 Q = mq。 q: 燃料的热值；单位：J/kg Q：燃料完全燃烧放出的热量；单位：J m: 燃料的质量；单位：kg 3.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。 比值定义法 2.公式： 1 ．焦炭的热值是3× 107 J / kg ，它的物理含义是 。 练一练 1kg的焦炭完全燃烧放出的热量是3.0×107J. 1.与比热容相似，不同燃料的热值一般不同，其大小与燃料的种类有关，与燃料的质量（或体积）、是否燃烧、是否完全燃烧无关； 2.液氢的热值最大：液氢的热值为1.43×108J/kg。 表 10-4-1 一些常见燃料的热值 为什么发射火箭上天要用氢做燃料？ 因为氢的热值大，质量相等的不同燃料完全燃烧，氢释放的热量最多，故利用氢做燃料。 氢的热值大的应用 1.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. 4.物理意义：热值在数值上等于在标准状况下1m3的燃料完全燃烧放出的热量。 2.公式： 3.气体燃料的单位：焦/米³，读作“焦每立方米”；符号：J/m3。 气体燃料的热值 例如，氢气的热值又可表示为1.28×10⁷J/m³, 它表示在标准状况下1m³ 氢气完全燃烧，放出的热量为1.28×10⁷J。 燃料的热值三点说明： ①热值与燃料的种类有关，反映了燃料燃烧放出热量的本领大小. ②只有在完全燃烧时放出的热量与质量之比才是这种燃料的热值，如果用没有完全燃烧放出的热量计算出的热值就比实际值小. ③热值是针对一定质量或体积的燃料而言的，如果同种燃料的质量或体积不同，则完全燃烧时放出的热量大小不同. 17 2022 年，北京冬季奥运会将火炬变为“微火”（图 10-4-3），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。 图10-4-3 北京冬季奥运会主火炬 STSE PART TWO 热机的效率 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 10-4-4 为某汽车发动机的能量分配图。 图 10-4-4 某汽车发动机能量分配图 汽车发动机能量分配图 1.热机效率：热机工作时，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。 η *2.公式： 3.物理意义：热机的效率是热机性能的重要指标，在做功相同的情况下，热机的效率越高，燃料的消耗越少。高效率、低油耗热机的研制是现代科技的一个重要方向。 热机效率 蒸汽机的效率很低，只有 6% ～ 15%。内燃机中的燃料与空气充分混合后在气缸内燃烧，效率普遍高于蒸汽机。目前，汽油机的效率一般可达 20% ～ 30%， 柴油机的效率则可达 30% ～ 45%。 蒸汽机的效率 6% ～ 15% 柴油机的效率 20% ～ 30% 汽油机的效率 20% ～ 30% 所以，一般情况下，η蒸汽机＜η汽油机＜η柴油机 1．小明同学的爸爸驾车去往 40km 的目的地，此过程消耗了汽油 2. 1kg ，已知汽油的热值为 4.6×107J/kg 。若汽车行驶过程中发动机的牵引力为 725N 。求： (1)完全燃烧 2. 1kg 汽油放出的热量； (2)该汽车的热机效率。 【答案】(1)9.66×107J；(2)30% 练一练 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、‌降低机械摩擦损失等。 1.减少热量散失： 使用陶瓷基复合材料等高效隔热材料包裹高温部件；‌‌ 强化冷却系统热管理，避免过量散热导致的能量浪费。‌‌ 2.‌降低机械摩擦损失‌： 采用纳米润滑油或磁悬浮轴承技术减少运动部件摩擦；‌‌ 优化活塞环与气缸壁间隙设计，降低摩擦力损耗。‌‌ 提高热机效率的主要途径 1 ．下列措施不能提高热机效率的是 ( ) A ．尽量使燃料充分燃烧 B ．尽量选用功率更大的发动机 C ．尽量减少废气带走的热量 D ．尽量减少热机部件间的摩擦损耗 练一练 B 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（图 10-4-5 ）。 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。 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。 图 10-4-5 工业废气形成酸雨 热机的使用对环境的影响 1 ．油箱内的汽油燃烧掉一半后，剩余的汽油 ( ) A ．比热容和热值都变为原来的一半 B ．比热容变为原来的一半，密度不变 C ．比热容没有变化，热值变为原来的一半 D ．比热容和热值都没有变化 课堂练习 D 2 ．汽油的热值为4.6 × 107 J / kg ，则燃烧 2kg 的汽油放出的热量不可能为 ( ) A ． 4.8 × 107 J B ． 9.2 × 107 J C ． 5.8 × 107 J D ． 9.8 × 107 J D 3 ．下列关于热机效率的说法正确的是 ( ) A ．热机的效率越低，它消耗的燃料就越多 B ．燃料燃烧不充分时，部分能量被浪费掉，热值将减小 C ．通过技术改进，热机效率可以无限增大 D ．热机效率越高，它将内能转化为机械能的比例越大 D 4．如图是某内燃机工作时的能量流向图，该内燃机的效率是 ( ) A ．25% B ．35% C ．60% D ．40% D 5．“可燃冰”是一种固态晶体，它的热值约为6.72× 109 J / m3。如果3m3 “可燃冰”完全燃烧后放出的热量的60%被水吸收，可以将 kg 的水从 0℃加热到100℃. 2.88×104 6 ．图所示为某种固体酒精炉，固体酒精炉比液体酒精炉使用时更安全，为了测定该固体酒精炉的热效率，在炉中放入 40g 的固体酒精，当固体酒精燃烧完后，锅中 1kg 的水温度从 20℃升高到了 70℃ 。若固体酒精完全燃烧，放出的热量是 J ，固体酒精炉的热效率是 。【已知固体酒精的热值为1.5 × 107 J / kg ，冰的比热容是4.2 × 103 J / (kg . 。C ) 】 2.1×105 35% 柴油机 完成工作量 时间 消耗柴油 甲 相同 3h 5kg 乙 2h 6kg A ． 甲的功率较大，热机效率较低 B ． 甲的功率较大，热机效率较高 C ．乙的功率较大，热机效率较低 D ．乙的功率较大，热机效率较高 7．做同样的有用功，甲、乙柴油机用时和消耗柴油对比如下表，下列说法中正确的是( ) C 8．天然气是市民家中常用的一种能源。某用户使用燃气灶将 50kg 的水从 20℃加热到 80℃ , 消耗了0.5m3 的天然气。已知水的比热容c水 = 4.2 × 103 J/(kg .℃) ，天然气的热值q = 4.2 × 107 J/m3 。求： (1)这些水吸收的热量； (2)天然气完全燃烧放出的热量； (3)燃气灶的效率。 (1)1.26×107J; (2)2.1×107J; (3)60%. 课堂小结 1．关于 的理解，下列说法中正确的是 ( ) A ．热值与燃料完全燃烧放出的热量成正比 B ．若燃料燃烧不充分时，热值将减小 C ．当燃料未燃烧时，其热值为零 D ．某种燃料的热值大小与是否充分燃烧无关 D 布置作业 2．酒精的热值是3.0 × 107J/kg ，表示的物理意义是 ；一瓶 500g 的酒精用掉一半，则剩下酒精的热值是 J/kg。 1kg的酒精完全燃烧放出的热量是3.0×107J 3.0×107 A ．火箭的燃料燃烧得越充分， 热值越大 B ．火箭“体内”的燃料选用液氢是因为液氢的质量大 C ．火箭“体内”的液氢燃料温度低至-253℃时， 内能为零 D ．火箭“体内”的液氢燃料在燃烧过程中，质量减少，热值不变 3．如图所示， 2024 年 4 月 25 日， 搭载着神舟十八号载人飞船的长征二号 F 遥十八运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射。下列说法正确的是 ( ) D 感谢观看 THANK YOU FOR WATCHING $$