14.3热机的效率（课件）-2025-2026学年九年级全一册同步备课一体化资源（人教版2024）

14.3热机的效率 第十四章 内能的利用 RJ 九年级 全一册 （2024） 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。 将内能转化成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。 导入新课 这些场景，你一定不陌生！​ 思考 1：汽车、军舰、火车为何能 “动” 起来？​ 它们都依靠热机：燃料燃烧释放能量，转化为机械能驱动运行。 导入新课 能量真的被 “全利用” 了吗？ 思考 2：煤气灶烧水时，哪些能量没被有效利用？ 煤气未完全燃烧、水壶 / 灶体吸热、高温烟气散热…… 只有水吸收的热量，才是我们需要的 “有用能量”。 导入新课 热机也会 “浪费” 能量吗？​ 思考 3：热机工作时，是否存在类似的能量损失？​ 今天，我们就来探究 ——热机的效率，揭开能量利用的秘密！​ 一、燃料的热值 人类在原始社会时就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭。在现代社会，人类所用能量的很大一部分依然是从燃料的燃烧中获得的。 能够燃烧的物质。 一、燃料的热值 燃料的种类很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、酒精等，气体燃料有煤气、 天然气等（图14.3-1）。根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同？要找出事实来支持你的观点，并进行分析。 按状态，燃料的分类。 一、燃料的热值 答：相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量通常是不同的。在家中烧水时，烧开同样一壶水需要的木柴质量很多，而需要的煤气质量却较少，这个现象说明木柴和煤气燃烧放出相同的热量时，所用木柴的质量比所用煤气的质量大，从另一方面也说明相同质量的木柴和煤气燃烧时放出的热量是不同的。 一、燃料的热值 （一）燃料燃烧时的能量转化：在燃烧过程中，燃料的 能转化为 能。 化学 内 燃料燃烧是一种化学变化。 一、燃料的热值 （二）燃料燃烧的热值 1.定义：某种燃料 放出的 与其 之比，叫作这种燃料的热值。用字母 表示。 2.公式： 变形公式：Q= ，m= . q= 完全燃烧 热量 质量 q 燃料的热值 单位：焦每千克 （J /kg） 质量 单位：千克（kg） 燃料完全燃烧放出的热量 单位：焦耳（J） mq 不要误以为q与Q成正比、与m成反比。 其含义是烧完、烧尽，如果没有完全燃烧，放出的热量会少一些，但热值不变。 一、燃料的热值 深层理解： 要注意热值与比热容的区别： 1.二者都是用比值法定义的，但比热容反映的是物质吸(放)热的本领。 2.都是物质自身的性质。所有物质都有比热容，但不是所有物质都有热值。（不是所有的物质都能燃烧，例如：石头）。 一、燃料的热值 3.气体燃料的热值：在标准状态下，气体燃料完全燃烧放出的热量与其 之比，叫作这种气体燃料的热值，即q= 。q 的单位是 。 体积（V） J/ 注意：只有燃料完全燃烧时，才能用Q=mq或Q=Vq 计算热量。 一、燃料的热值 4.物理意义：热值是反映燃料燃烧时 的物理量。热值越大，燃料的放热本领越 。 热值在数值上等于 。 如酒精的热值为 3.0×J/kg，它表示1 kg酒精完全燃烧放出的热量是3.0×J。 放热本领大小 大 1kg某种燃料完全燃烧放出的热量 一、燃料的热值 5.影响热值大小的因素：热值是燃料本身的一种特性，它仅与 有关，与燃料的质量、体积，以及燃料是否完全燃烧、燃烧放出热量的多少等 。 燃料的种类 无关 如果燃料没有完全燃烧，实际放出的热量比按热值计算出的热量小，但不能说燃料的热值变小。 一、燃料的热值 一、燃料的热值 深层理解： 常见燃料中，液态氢的热值最大，因此火箭通常用液态氢作为燃料。 一、燃料的热值 根据燃料的热值，我们就能计算出燃料完全燃烧放出的热量。 例如，从表中可以查到汽油的热值为4.6 × J/kg，所以如果给汽车加30 kg汽油，完全燃烧放出的热量为 Q=mq=4.6× J/kg×30 kg=1.38 × J 如果完全燃烧同样质量的柴油，能放出多少热量？ 柴油的热值为4.3 × J/kg。如果完全燃烧同样质量的柴油，能放出的热量为 Q=mq=4.3× J/kg×30 kg=1.29 × J 一、燃料的热值 例题1：下列关于热值的说法正确的是（　　） A．5kg煤的热值大于1kg煤的热值 B．燃料热值越大，燃烧放出的热量越多 C．燃料燃烧不完全时热值变小 D．燃料的热值是燃料本身的特性 D 例题2：某路灯的灯杆顶端有太阳能电池板和风车。若太阳光辐射到该电池板的能量为2.7×J，这与完全燃烧______kg焦炭放出的热量相当。（焦炭的热值为3 ×J /kg） 0.9 二、热机的效率 （一）生活中的热效率问题 1.生活中用煤气灶烧水时，煤气的能量不能被完全利用。具体原因是多方面的，例如： 煤气不能完全燃烧，损失了一部分能量；水壶吸收了一部分能量；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。 水吸收的热量只占煤气完全燃烧放出热量的一部分，只有 才是有效利用的部分。 水吸收的热量 二、热机的效率 被水吸收的热量 高温的烟气带走了相当一部分热量，还有一部分热量直接散失掉了。 燃料很难完全燃烧 销售额 有效利用 未燃烧 散失 60 25 15 二、热机的效率 深层理解： 燃料燃烧放出的热量有两种应用：一是给物体加热，二是对物体做功。这两种应用过程，燃料燃烧放出的热量都不可能完全被利同，这就存在效率问题。 二、热机的效率 2.热效率： 的热量与 的热量之比叫作热效率。即η= 。 以用锅炉烧水为例，其有效利用的热量是水吸收的热量，因此锅炉的热效率η=， 表示锅炉中水吸收的热量， 表示锅炉中燃料完全燃烧放出的热量。 通常锅炉的燃料利用率比较低，因此在节约能源上有很大的改造潜力。 3.提高锅炉中燃料利用率的方法 ①尽可能使燃料充分燃烧，如把煤磨成煤粉或煤粒，把空气吹进炉膛等。 ②减少热量散失，如加大受热面积，炉具使用保温材料等。 有效利用 燃料完全燃烧放出 例题3：用燃气灶给一定质量的水加热，完全燃烧体积为V的燃气（燃气的热值为q），水吸收的热量为Q，则此燃烧过程中燃气放出的热量为_______，该燃气灶的热效率为___________×100%。（本小题用题中字母表示） qV 二、热机的效率 （二）热机的效率 对于热机而言，燃料燃烧释放的热量只有一部分用来做 ，还有相当一部分能量散失了。 1.热机中能量流向示意图。 不可能完全燃烧损失能量 散热损失的能量 废气带走很大一部分能量 克服摩擦损失一部分能量 有用功 在热机各类能量损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量是提高燃料利用率的重要措施。 二、热机的效率 2.热机的效率 （1）定义： 的这部分能量，与 的热量之比，叫作热机的效率。 （2）公式：即η= 。 要想知道热机的效率，就要先知道燃料完全燃烧放出的热量。 热机的效率 常用百分数表示 燃料完全燃烧放出的热量 单位：焦耳（J） 热机做的有用功 单位：焦耳（J） 用来做有用功 燃料完全燃烧放出 二、热机的效率 （3）常见的热机效率 蒸汽机的效率很低，只有 。内燃机中，燃料是在气缸内部燃烧的，而且燃料与空气混合充分，燃烧得比较充分，所以内燃机的效率比蒸汽机 。汽油机的效率为 ，柴油机的效率为 。 6%~15% 高 20%~40% 30%~45% 二、热机的效率 （4）物理意义：热机的效率是 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，消耗更 的燃料，节约能源。 （5）提高热机效率的途径 ①使燃料尽可能充分燃烧。 ②在设计和制造热机时，要不断改进和创新，以减少各种能量损失。 ③热机使用时注意保养，使机器保持良好的润滑，减少因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。 ④设法利用废气带走的能量。 热机性能 少 在热机的能量损失中，废气带走的能量最多。设法利用废气的能量是提高燃料利用率的重要措施。例如，热电站就是人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热的，这种既供电又供热的热电站可以大大提高燃料的利用率。 二、热机的效率 深层理解 1.热机的效率总小于1的原因 因为热机中用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的总能量的一部分，由于各种热量损失及燃烧条件的限制，这部分能量小于总能量，所以其与燃料完全燃烧所放出的总能量的比值必然小于1。 2.内燃机比蒸汽机效率高的原因 ①油气混合物通过压缩冲程混合均匀，所以燃烧得比较充分。 ②燃料在气缸内燃烧，产生的内能散失到空气中的部分少。 3.柴油机比汽油机效率高的原因 柴油机采用压燃的方式使燃料燃烧，压缩程度大，效率高。 例题4：汽油机是燃油汽车的重要组成部分，如图是四冲程汽油机的_____冲程示意图。某汽车以35kW的功率在平直公路上匀速行驶了9.2km，消耗汽油1kg，已知汽车的牵引力恒为2000N，则汽车的行驶速度为_____m/s，汽车的热机效率为_____。（汽油的热值为4.6×J/kg） 17.5 40% 做功 科学·技术·社会·环境 从火车到火箭 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“火箭号”蒸汽机车（图14.3-3）。 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蒸汽轮机的叶片上，使蒸汽轮机转动。 科学·技术·社会·环境 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。内燃机有汽油机和柴油机两大类。汽油机是1883 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。 早期的飞机是由内燃机提供动力的。从20 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。 科学·技术·社会·环境 在“中国航天之父”钱学森（图14.3-4）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（图14.3-5），使我国成为航天强国。 科学·技术·社会·环境 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。 答：这种说法不正确。虽然无烟煤的热值比干木柴大，但燃料完全燃烧放出热量的多少不仅与热值有关，还与燃料的质量有关。根据公式Q=mq可知，只有在质量相同的情况下，无烟煤完全燃烧放出的热量才比干木柴多。如果无烟煤的质量比干木柴少很多，那么即使无烟煤的热值大，也可能出现干木柴完全燃烧放出的热量比无烟煤多的情况。 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？ 解：g取10N/kg，汽油的热值q=4.6×J/kg 人对大米做的功W=Fs=mgh= 5kg × 10N/kg ×(5-1) ×3m=600J 汽油完全燃烧放出的热量=W=600J 由=mq得需要汽油的质量m===1.3 ×kg 3 如果干木柴跟煤油完全燃烧时放出的热量相等，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。 解：若燃烧干木柴与燃烧煤油产生的热量相等，则= ， 由=mq得 = ， 即===3.8（倍） 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1.8 t，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？ 解：设燃油的热值为q，则每辆汽车每年所做的有用功=ηQ= ηmq= 30％× 1.8 t ×q=0.54t ×q， 内燃机效率提高后，做同样多的有用功，消耗的燃油完全燃烧放出的热量===1.742 ×q， 所需燃油的质量===1.742t， 每辆汽车每年节约燃油1.8t-1.742t=0.058t， 3亿辆汽车每年节约燃油3 × ×0.058t=1.74 ×t 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。 答：减少有害气体的排放量，降低对空气的污染，减少燃料的消耗，节约能源。 $$