14.3热机的效率（教学课件） ----2025-2026学年人教版物理九年级上学期

第3节 热机的效率 复习导入 （1）什么样的机械叫热机？ （2）汽油机和柴油机的共同特点有哪些？ 利用内能转化机械能的机械叫热机。 ①都是将燃料放在汽缸内，燃烧后产生高温高压的气体，推动活塞对外输出机械能。 ②都是四冲程构成的一个工作循环，吸气、压缩、做功、排气四个冲程，完成一个工作循环活塞往复两次，曲轴（飞轮）转动两转，对外做一次功，有能量转化的冲程是压缩冲程和做功冲程。将内能转化为机械能的冲程是做功冲程，将机械能转化为内能的冲程是压缩冲程。 （3）用于做功的内能从何而来？ 将燃料放在汽缸内，燃烧后产生的内能。 生活中有哪些燃料？ 问题 火箭的燃料是什么？ 液氢，是由氢气经过降温而得到的液体，是一种无色、无味的高能低温液体燃料。 那么燃料为什么选择液氢呢？ 一、燃料 植物秸秆 木材 煤炭 石油衍生物 汽油 柴油 液化气 燃气 煤油 沼气 天然气 焦炉煤气 燃料燃烧将化学能转化为内能 思考 相同质量的不同燃料，燃烧时释放的内能相同吗？ 燃烧1kg的木材和1kg的煤，燃烧时释放的内能相同吗？ 一、燃料 1.燃料的分类 固体燃料 液体燃料 气体燃料 2.能量转化： 化学能转化为内能 一、燃料 3.人类对燃料的利用历程 木柴 煤炭 石油 天然气 汽油、煤炭、柴油、液化气 我们现在很难见到燃烧干木柴取暖和做饭，这是为什么呢？ 除了环保方面的原因，与燃料自身有没有原因呢？ 做个实验来探究下吧 燃料 柴薪 石油 煤炭 煤气 怎样比较燃料放热本领的强弱？ 燃料 分类：固体燃料、液体燃料、气体燃料 燃料的能量转化：化学能转化为内能 历程： 我们现在很少见到燃烧干木柴取暖和做饭，这是为什么呢？ 不同燃料的放热本领相同吗？怎么比较它们谁的放热本领强呢？ 燃料 想想议议 1、控制变量法：应控制水的 和 相等；两种燃料的质量（加热时间）相等 2、转换法：通过观察燃料燃烧相同时间 来判断燃料放热能力的强弱 质量 初温 实验：探究不同燃料放热能力 实验方法： 温度计示数的变化 *还需要的测量工具： 天平、秒表 思考：用质量相同的酒精和干木柴分别给两杯完全相同的水加热，水升高的温度相同吗？ 实验数据： 燃料 加热前水温t0/℃ 加热水后温t/℃ 水温升高△t/℃ 5g酒精 28 83 55 5g干木柴 28 62 34 温度 为了比较燃料的特性，引入了“热值”这一物理量。 这说明：相同环境下，等质量的酒精和干木柴，燃烧酒精放出 的热量比干木柴多。 热值定义： 某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比叫这种燃料的热值。用符号q表示。 单位： 固体液体燃料：J/kg。气体燃料：J/m3 物理意义： q汽油=4.6×107J/kg表示：1kg的汽油完全燃烧放出的热量是4.6x107J。 理解： 热值是燃料本身的一种性质，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧等无关。 燃料的热值 小结、热值 1.定义： 2.表达式： 指燃料燃烧后，全部变成不可燃烧物的过程。 某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。用符号 表示。 热量（J） 质量（kg） 热值（J/kg） 3.单位： 焦每千克（J/kg） 4.物理意义： 1J/kg表示质量为1kg的燃料完全燃烧放出的热量为1J。 气体燃料：J/m3 固体液体燃料 燃料 热值 燃料 热值 干木柴 约1.2×107J/kg 柴油 4.3×107J/kg 烟煤 约2.9×107J/kg 煤油 4.6×107J/kg 无烟煤 约3.4×107J/kg 汽油 4.6×107J/kg 焦炭 3.0×107J/kg 氢 1.4×108J/kg 木炭 3.4×107J/kg 煤气 约3.9×107J/m3 酒精 3.0×107J/kg 沼气 约1.9×107J/m3 一些燃料的热值 燃料的热值 1.热值是燃料的一种特性。热值的大小只与燃料种类有关。与燃料的形状、状态、质量、体积、放出的热量、是否完全燃烧等无关。 2.不同燃料的热值一般不同。 3.氢的热值最大。 发现热值还有一个单位： 焦每立方米（J/m3） 4.热值是衡量燃料优劣的一项 指标 一、热值 　　根据热值表，计算一下10吨氢完全燃烧放出多少焦耳的热量？ 　　再算算，若用干木柴完全燃烧来获得这些热量，需要多少吨干木柴？ 　　氢的热值是1.4×108J/kg 　　干木柴的热值1.2×107J/kg 放出热量Q = 热值q×质量m =1.4×108 J/kg× 10×103 kg=1.4×1012J 需要干木柴质量 　　约120吨干木柴完全燃烧放出的热量等于10吨氢完全燃烧放出的热量。 为什么发射火箭上天要使用氢作燃料？ 燃烧放热计算（公式）： 固、液体燃料 Q= qm Q：热量，单位：J q：热值，单位：J/kg m：质量，单位：kg 气体燃料 Q= qV Q：热量，单位：J q：热值，单位：J/m3 V：体积，单位：m3 解： 答： 燃料的热值 1 m3甲烷完全燃烧能产生多少J热量？这些热量可以使多少kg的水从20 ℃加热到100 ℃？[甲烷的热值q甲烷＝4.2×107 J/m3] 例 Q= q甲烷V=4.2×107 J/m3x1m3 =4.2×107 J 由 Q= cmΔt 得 1 m3甲烷完全燃烧放出热量为： 热值 利用家用煤气灶，把质量为1kg的水，从室温加热至100℃，消耗多少煤气？我们来实际测算一下，请观看视频。 加热前：710.971m3 加热后：710.9946m3 710.9946m3-710.971m3=0.0236m3 这些煤气能放出多少热量？他们都被水吸收了吗？ 热值 用煤气将质量为1kg的水烧开（从25℃加热至100℃），这些煤气完全燃烧放出的热量是多少？水吸收的热量是多少？（煤气的热值是3.9x107J/m3） 煤气放出的热量： 水吸收的热量： 水吸收的热量远远小于煤气放出的热量，为什么在烧水时，水不能吸收煤气燃烧放出的全部热量？ 煤气燃烧放出的热量除了要加热水，还要加热容器和周围的空气，即有热量的损耗。 是不是似曾相识？ 内燃机的能流图 热机的效率 无用的机械能 有用机械能 燃烧的化学能 尾气带走的热量 在内燃机中燃料是否能够完全燃烧？燃料燃烧释放的能量都到哪里去了？ 热机的效率 热机（如内燃机）在工作时，能不能将燃料所放出的热量全部用来对外做功呢？热量都去哪里去了呢？ 克服机器本身的摩擦做功 有用机械能 燃料不能 完全燃烧 废气带走大量的热 热机能流图 部件散热 热机效率是热机性能的重要指标。 用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率。 定义： 公式： 一些热机的效率 热机的效率 蒸汽机 6%~15% 汽油机 20%~30% 柴油机 30%~45% 提高热机效率的方法： 热机效率不高，因此，我们要节约能源，提高热机的利用率。 1. 提高燃料利用率，使燃料充分燃烧； 2. 改进热机，减少各种能量损失； 3. 利用废气的能量，提高燃料的利用率。 热机的效率 用煤气灶烧开水，将20kg的水从10℃加热到66℃，完全燃烧了0.21m3的煤气，求该煤气灶烧水的效率。(q煤气=4×107J/m3) 某推土机匀速推土时推力为3×104N，通过路为20m，消耗60g的柴油，求推土机推土的效率 。(q柴油=3.3×107J/kg) 热机效率的计算 热机的效率 热机效率的计算题型 （1）烧水型计算： （2）小车型计算： 例1． 　 某个家庭每天使用天然气0.8m3，假设这些天然气完全燃烧放出的热量全部被50kg的水吸收，能把20℃的水烧开，求：（天然气热值为7.5×107J/m3） （1）天然气完全燃烧放出多少热量？ （2）这个家庭的天然气灶的效率是多少？ 规范计算答题格式！ 例2：某汽车在水平地面上以25m／s的速度匀速行驶，行驶600s汽车发动机产生的牵引力所做的功为3×107J，消耗汽油1kg（假设汽油在发动机汽缸内完全燃烧，汽油的热值取q＝5×107J／kg，），针对这一过程，求： ①汽车行驶的路程。 ②汽车受到的阻力。 ③汽车发动机的效率。 解：(1)汽车行驶的路程S=Vt=25m／s×600s=1.5×104m (2)汽车受到的阻力f=F=W/S=3×107J/1.5×104m=2×103N (3)汽油完全燃烧放出的热量Q=mq=1kg×5×107J／kg=5×107J 汽车发动机的效率η= =60% 例3：某家庭用燃气热水器将质量为100kg、温度为20℃的自来水加热到50℃，消耗的天然气体积为1m³（假设天然气完全燃烧 1、天然气完全燃烧放出的热量（天然气的热值为 ） 2、水吸收的热量（水的比热容为 ） 3、该热水器工作的效率 三、热机的效率 蒸汽机的效率只有6%~15% 汽油机的效率为 20%~30% 柴油机的效率为30%~45% 所有的热机的效率都小于1。 三、热机的效率 提高热机效率的方法： （1）使燃料充分燃烧 （2）尽量减小各种热量损失 （3）在热机设计和制造上提高技术水平和使用新材料 这些方法可以提高热值吗？ （4）保证良好的润滑，减少因摩擦额外消耗的功 热机效率不高，因此，我们要节约能源，提高热机的利用率。 1782年瓦特发明了往复式蒸汽机。 从火车到火箭 17世纪人类发明了蒸汽机。 斯蒂芬森以此为基础最先研制了“火箭号”蒸汽机车。 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。 在一代代航天人不断努力下，宇宙飞船、空间站被送入太空，我国也成为太空强国。 科学、技术、社会、环境 【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。 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） 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。 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？ 【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。 6. 体积为0.1 m3、热值为2.1×107 J/m3的某气体燃料完全燃烧放出的热量为________J；若这些热量全部被温度为20 ℃、质量为10 kg的水吸收，则水升高的温度是____℃. [c水＝4.2×103 J/(kg·℃)] 70 2.1×106 7. 质量为2 kg的某种物质温度从20 ℃升高到40 ℃时，吸收的热量是1.88×104 J，该物质的比热容是 J/(kg·℃)．如果不考虑热量散失，需要完全燃烧____________kg干木材来提供热量．(q木材＝1.2×107 J/kg) 470 1.57×10－3 8.常见的家用热水器有太阳能热水器、电热水器、燃气热水器．若使用太阳能热水器将12 kg水由20 ℃加热到45 ℃，则水需要吸收太阳能________J；若用燃气热水器加热，则需要完全燃烧_____m3的燃气．[已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，燃气的热值为4.2×107 J/m3，不考虑能量转换过程中的能量损失] 1.26×106 0.03 7.某家庭需要将50 kg、初温为10 ℃的水加热到 50 ℃作为生活用水，他们利用煤气灶烧水，需要燃烧0.8 kg的煤气．这些水从 10 ℃加热到50 ℃需要吸收的热量为________J，0.8 kg的煤气完全燃烧放出的热量为________J，煤气灶烧水的效率为____．[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，q煤气＝4.2×107 J/kg] 8.4×106 3.36×107 25% 9.已知干木柴的热值是1.2×107 J/kg，完全燃烧0.7 kg干木柴能放出多少热量？假设这些热量全部被水吸收，能使多少千克水的温度由20℃升高到70 ℃？已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)。 　　Q= mq= 1.2×107 J/kg×0.7 kg = 8.4×106 J 　　m = Q c(t -t0) 8.4×106 J 4.2×103 J/(kg·℃)×(70 ℃-20 ℃) 　　 = 　　 = 40 kg 10．一台内燃机运行时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占25％，废气带走的能量占30％，摩擦等机械损耗占10％，则内燃机的热机效率为__________。 11.有朋自远方来，烧一壶热水，拈几许茶叶，置于瓷制器皿中，沸水冲泡，这是山东人独有的待客之道。如果用酒精炉烧水，将质量为2kg，温度为10℃的水加热（1个标准大气压下），需完全燃烧42g酒精，酒精炉效率为70%，【已知C水=4.2×103J/（kgoC）， q酒=3×107 J/kg】。 求：（1）42g酒精完全燃烧放出的热量； （2）水升高的温度是多少？ 35％ 90℃ Lavf57.62.100 Lavf57.62.100 $$