10.4 热机的效率 课件-2025-2026学年沪科版（五四学制）物理九年级上册

第4节　热机的效率 义务教育教科书（五·四学制） 物理 九年级 上册 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？ 什么是燃料的热值？ 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。 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。 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（heat value），用q表示，单位是焦/千克，符号是J/kg。热值q可表示为 q= Q m 所以，燃料完全燃烧放出的热量Q = mq。 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，单位是焦/米3，符号是J/m3。表10-4-1是一些常见燃料的热值。 燃料 热值 燃料 热值 天然气 约3.5×107 J/m3 氢气 1.4×108 J/kg 焦炉煤气 约1.8×107 J/m3 干木柴 约1.2×107 J/kg 酒精 约3.0×107 J/kg 焦炭 约3.0×107 J/kg 柴油 约4.3×107 J/kg 无烟煤 约3.4×107 J/kg 汽油 约4.6×107 J/kg 木炭 约3.4×107 J/kg 表10-4-1　一些常见燃料的热值 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。 STSE 图10-4-3　北京冬季 奥运会主火炬 什么是热机的效率？ 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 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。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%。 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。 热机的使用对环境有何影响？ 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 1.关于燃料的热值，下列说法正确的是（ ） A. 热值与燃料的质量成正比 B. 热值是燃料的特性，与种类有关 C. 不完全燃烧时热值减小 D. 热值单位是 J/(kg·℃) 课堂练习 答案：B 解析：热值是燃料的固有属性，仅与燃料种类相关，与质量、燃烧情况无关。 A 错误（热值与质量无关）；C 错误（热值定义基于完全燃烧）；D 错误（单位是 J/kg 或 J/m³）。 B 2.热机工作时，能量损失的主要途径不包括（ ） A. 废气带走的能量 B. 散热损失 C. 机械摩擦损耗 D. 电能转化 课堂练习 答案：D 解析：热机能量损失集中于：废气（占比最大）、散热、机械摩擦。 D 属于能量形式转换，非损失途径。 D 3.下列措施可提高热机效率的是（ ） A. 使用热值更大的燃料 B. 减少气缸散热 C. 增加工作时间 D. 降低功率运行 课堂练习 答案：B 解析：核心措施：减少散热损失、利用废气能量（如涡轮增压）、改善燃烧充分性。A 错误（热值不影响效率）；C、D 与效率无关。 B 4.氢能源汽车相比传统汽油车的优势是（ ） A. 热值更高 B. 燃烧产物无污染 C. 效率恒为 100% D. 无需热机转化 课堂练习 答案：B 解析：氢气燃烧产物为水，零碳排放。 A 错误（氢热值高但非核心优势）；C 错误（效率仍受限制）；D 错误（需燃料电池转化）。 B 5.关于燃料的热值，下列说法正确的是（　） A. 1kg 汽油的热值比 2kg 汽油的热值小 B. 热值在数值上等于 1kg 燃料完全燃烧放出的热量 C. 燃料燃烧越充分，其热值越大 D. 热值是燃料的特性，与是否完全燃烧无关 课堂练习 答案：BD 解析：热值是燃料的固有属性，只与种类有关，与质量、燃烧程度无关。 A 错误：热值与质量无关；C 错误：充分燃烧提高效率但不改变热值；B、D 符合定义。 BD 6.某柴油机消耗 2kg 柴油，完全燃烧可放出 8.6×10⁷J 热量，其热机效率为 35%，则有用功为（　） A. 3.01×10⁷J B. 5.04×10⁷J C. 6.02×10⁷J D. 8.6×10⁷J 课堂练习 答案：A 解析：有用功公式：W_有用 = η × Q_放。 计算：W_有用 = 35% × 8.6×10⁷J = 3.01×10⁷J。 A 7.为提高热机效率，下列措施不可行的是（　） A. 减少气缸散热损失 B. 使用热值更高的燃料 C. 利用废气驱动涡轮增压 D. 保证良好润滑减少摩擦 课堂练习 答案：B 解析：热值由燃料种类决定，更换燃料不改变效率。 A、C、D 均为标准提效措施：减少散热、废气利用、降低摩擦损耗。 B 8.氢能源汽车使用液氢作燃料，主要优势是（　） A. 比热容大 B. 热值高 C. 密度小 D. 易储存 课堂练习 答案：B 解析：氢的热值达 1.4×10⁸J/kg，高于汽油（4.6×10⁷J/kg），等质量释放更多能量（125）。氢的环保优势（零碳排放）也使其成为理想燃料。 B 9.下列现象与热机效率无关的是（　） A. 卡车发动机水箱加入冷却剂 B. 家用轿车使用无铅汽油 C. 拖拉机排气管安装消声器 D. 发电厂用蒸汽轮机供热 课堂练习 答案：C 解析：A（减少散热）、B（充分燃烧）、D（废气利用）均提高效率。 C 仅降低噪声污染，不影响能量利用率。 C 课后思考 1. 下面关于热机的效率的说法中，哪些是正确的，哪些是错误的？简述理由。 （1）通过技术改进，可以使热机的效率达到100%。 （2）由于尾气会带走一部分热量以及克服摩擦做功等，热机的效率不可能达到100%。 （3）可以通过增大热机功率的方法，提升热机效率。 （4）热机的使用会造成环境污染，应禁止使用热机。 2. 阅读表10-4-1，回答下列问题。 （1）酒精热值的物理意义是什么? （2）完全燃烧2 kg干木柴可以释放出多少热量？如果放出相同的热量，则需要完全燃烧多少立方米天然气（0 ℃，1个标准大气压）？ （3）燃料燃烧实际放出的热量，往往比根据热值计算出来的要少，而且有效利用的热量又比放出的热量少，为什么？ 3. 2021年4月29日，搭载中国空间站天和核心舱的“长征五号”运载火箭，在文昌航天发射场点火升空（图10-4-6）。 图10-4-6 “长征五号”运载火箭分别使用液氧煤油和液氧液氢作为不同部分的核心推进剂，通过混合燃烧，喷出高温高压气体，使火箭发射升空。由于火箭使用的液氢、液氧的温度分别为-252 ℃和-183 ℃，故“长征五号”运载火箭也得名“冰箭”。 （1）运载火箭为何需要携带液氧？ （2）利用液氢作为推进剂有什么好处？ 谢谢观看 $